Ηλεκτρικά Κυκλώματα & Δίκτυα ΙΙ. Ανασκόπηση Κεφαλαίου «Τελεστικοί Ενισχυτές»

Transcript

1 Ηλεκτρικά Κυκλώματα & Δίκτυα ΙΙ Εισαγωγή στα Ολο. Κυκλ. Βασική Φυσική MOS Ενισχυτές ενός σταδίου Διαφορικοί Ενισχυτές Καθρέφτες Ρεύματος Απόκριση Συχνότητας Ηλεκτρικός Θόρυβος Ανατροφοδότηση Σχεδιασμός Τελεστικών Ενισχυτών (ΤΕ) Ευστάθεια και Αντιστάθμιση Κυκλώματα Αναφοράς Required Text: Design of Analog CMOS Integrated Circuits Behzad Razavi Copyrighted Images reproduced with kind permission of The McGraw-Hill Companies, Inc. Ανασκόπηση Κεφαλαίου «Τελεστικοί Ενισχυτές» Οι τελεστικοί ενισχυτές έχουν σημαντικό ρόλο σε πάρα πολλά ηλεκτρονικά συστήματα, αναλογικά και μικτού σήματος. Η εφαρμογή τους στη ενίσχυση σημάτων, σε φίλτρα και σε πολωτικά κυκλώματα είναι διαδομένη Θα μελετήσουμε: Την ανάλυση και σχεδιασμό των ΤΕ Τις διάφορες παραμέτρους που χαρακτηρίζουν τις επιδόσεις των ΤΕ Διάφορες τοπολογίες ΤΕ και τα χαρακτηριστικά τους

2 Εισαγωγή Ο ΤΕ είναι ένας «διαφορικός ενισχυτής με ψηλό κέρδος» Το «ψηλό κέρδος» μπορεί κυμαίνεται μεταξύ 0 και 0 5 αναλόγως της εφαρμογής Στο παρελθών ο στόχος των σχεδιαστών ήταν οι γενικής χρήσεως τελεστικοί ενισχυτές Σήμερα ο κάθε ΤΕ έχει σχεδιαστεί με βάση την εφαρμογή για την οποία προορίζεται 3 Παράμετροι που χαρακτηρίζουν τις προδιαγραφές των ΤΕ Κέρδος (Gain) Εύρος ζώνης μικρών σημάτων (Small signal bandwidth) Εύρος ζώνης μεγάλων σημάτων (Large signal bandwidth) Ταλάντωση τάσης εξόδου (output voltage swing) Γραμμικότητα (linearity) Θόρυβος και τάση αποκλίσεως (voltage offset) Απόρριψη θορύβου τροφοδοσίας (supply rejection) 4

3 Κέρδος Το κέρδος (Α 0 ) καθορίζει την ακρίβεια σε ένα σύστημα με ανατροφοδότηση Πρέπει να ξέρουμε πιο είναι το ελάχιστο κέρδος για να ικανοποιήσουμε τις απαιτούμενες προδιαγραφές Μείωση στο κέρδος μπορεί να επιφέρει πιο ψηλή απόδοση σε άλλα χαρακτηριστικά όπως εύρος ζώνης, ισχύ κτλ. 5 Παράδειγμα για ελάχιστο κέρδος του ΤΕ Ο ενισχυτής έχει σχεδιαστεί για να έχει κέρδος 0 δηλ +R /R 0. Βρείτε το ελάχιστο κέρδος Α για να έχει % σφάλμα κέρδους out in A 0 R + R. R R R + R + A + A R + R R A 0.99 A.99 A 0 + A 0 > 990 Ενώ είναι εύκολη η σχεδίαση για κέρδος 0 σε τοπολογία κοινής πηγής, είναι αδύνατο να εγγυηθείς σφάλμα της τάξης του % 6 3

4 Εύρος ζώνης Μικρών Σημάτων Το κέρδος του ΤΕ σε ψηλές συχνότητες είναι σημαντικό όταν ένα σύστημα με ανατροφοδότηση πρέπει να δουλεύει με χαμηλό σφάλμα και στις ψηλές συχνότητες Το εύρος ζώνης μικρών σημάτων συνήθως καθορίζεται ως την συχνότητα όπου το κέρδος του ΤΕ πέφτει στο ένα, f u (συχνότητα μοναδιαίου κέρδους unity gain frequency) Η άλλη επιλογή είναι να καθορίζεται η συχνότητα όπου μοιράζεται ισχύ, f -3dB (0log 0 (0.5)-3dB) 7 Παράδειγμα για Εύρος Ζώνης Μικρών Σημάτων (/3) α) Υποθέστε ότι ο ΤΕ έχει μόνο ένα πόλο. Εάν το in είναι μικρό υπολογίστε τον χρόνο που χρειάζεται για να φτάσει η τάση εξόδου το εντός % της τελικής τιμής. β) Τί συχνότητα μοναδιαίου κέρδους πρέπει να έχει ο ΤΕ εάν +R /R 0 και ο χρόνος αποκατάστασης πρέπει να είναι λιγότερος από 5ns; 8 4

5 Παράδειγμα για Εύρος Ζώνης Μικρών Σημάτων (/3) α) out in in out out A( s) R + A( s) R + R A ( s) R + R + R κέρδος είσοδος 0 & R + t ( t) au( t) exp R τ Τελική τιμή A0 A( s) + s / ω 3dB A0 R + A0 R + R s A0 + + s ω0 R + A0 ω0 R + R Από ΗΜΜΥ t τ ln τ τ (RC) 9 Παράδειγμα για Εύρος Ζώνης Μικρών Σημάτων (3/3) β) 5 ns τ ln00 τ. 09ns.09ns R + R + R A 0 ω0 + 0 ω A 0 0 A ω 9.Grad / s. 47GHz

6 Εύρος ζώνης Μεγάλων Σημάτων Δεν είναι επαρκείς να χαρακτηρίζουμε την συμπεριφορά του ΤΕ μόνο για μικρά σήματα γιατί στην πραγματικότητα τυχαίνουν εφαρμογές οπού η είσοδος στιγμιαία είναι μεγάλο σήμα π.χ. Σε συστήματα «αυτόματου ελέγχου κέρδους» Εάν έχουμε κέρδος μικρού σήματος της τάξης του 000, και η είσοδος είναι θα έχουμε 000 στην έξοδο; Η ανάλυση μεγάλου σήματος είναι αρκετά περίπλοκη και χρειάζεται προσοχή όταν χρησιμοποιείται εξομοιωτής Ταλάντωση Τάσης Εξόδου Η ανάγκη μεγάλης ταλάντωσης στη έξοδο προέρχεται από το γεγονός ότι η δυναμική περιοχή σημάτων στην φύση είναι εξαιρετικά μεγάλη. Π.χ. Ο πιο δυνατός θόρυβος που άκουμε μπορεί να είναι 0 0 φορές πιο δυνατός από τον πιο σιγανό. Το να σχεδιάσεις μεγάλη ταλάντωση στις νέες τεχνολογίες σήμερα είναι από τους πιο προκλητικούς στόχους 6

7 Γραμμικότητα Πετυχαίνουμε την γραμμικότητα με: Τη διαφορική επεξεργασία για τη εξουδετέρωση των ζυγών αρμονικών Μεγάλο κέρδος ανοικτού βρόγχου σε συνδυασμό με ανατροφοδότηση Περιορίζοντας την είσοδο σε μικρά σήματα 3 Θόρυβος και Τάση Αποκλίσεως Ο θόρυβος καθορίζει το ελάχιστο χρήσιμο μέγεθος του σήματος εισόδου. Οι σχεδιαστές μπορούν να αυξήσουν το μέγεθος των στοιχείων η των ρευμάτων για να βελτιώσουν την επίδοση Η τάση αποκλίσεως σχετίζεται με το ταίριασμα των διαφορικών ζευγών. Αύξηση της επιφάνειας τους βελτιώνει το ταίριασμα. 4 7

8 Απόρριψη Θορύβου Τροφοδοσίας Ο θόρυβος στη τροφοδοσία συνηθίζεται περισσότερο σε ολοκληρωμένα κυκλώματα μικτών σημάτων Τα πλήρως διαφορικά κυκλώματα έχουν την καλύτερη απόρριψη του θορύβου τροφοδοσίας Στόχος είναι το καλό ταίριασμα και η μείωση τον παρασιτικών στις πηγές ρεύματος 5 Τελεστικοί Ενισχυτές Ενός Σταδίου 8

9 Δυο Απλοί ΤΕ Επιπρόσθετος πόλος A g r r ) A g r r ) v m, ( o o4 v m, ( o o4 Το C L καθορίζει το εύρος ζώνης του ενισχυτή Ο θόρυβος προέρχεται από το Μ -Μ 4 Το κέρδος συνήθως είναι κάτω από 0 πως μπορούμε να το αυξήσουμε? 7 Παράδειγμα ΤΕ ως Ακολουθητή Τάσης GS Καθόρισε τα όρια της λειτουργικής περιοχής εισόδου και την εμπέδηση εξόδου του ακολουθητή CCS + in min CCS GS in max DDS GS 3 + TH R out ( r r + βa o o4 o o4 0 ) ( r + g m, r ( r o ) r o4 ) g m, 8 9

10 Τηλεσκοπικοί ΤΕ A g v ( gm4ro 4ro gm ro 6r 8) m, 6 o A g Το κέρδος αυξήθηκε σημαντικά (τουλάχιστο μερικές εκατοντάδες) Η ταλάντωση τάσης εξόδου είναι πιο μικρή Η μέγιστη τάση εισόδου είναι πιο μικρή v ( gm4ro 4ro gm ro 6r 8) m, 6 o 9 Παράδειγμα Τηλεσκοπικού ΤΕ ως Ακολουθητή Τάσης Α)Υπό ποίες συνθήκες είναι κορεσμένα τα τρανζιστορ Μ & Μ 4 ; Β)Τι είναι το μέγεθος της επιτρεπόμενης περιοχής; Α) + out X TH out b TH 4 X b GS 4 + b TH 4 out b GS 4 TH Β) + ) out max out min GS 4 TH ( TH 4 0 0

11 Από που ξεκινούμε όταν θέλουμε να Σχεδιάσουμε ΤΕ; Πρώτα καθορίζονται οι προδιαγραφές του από το σύστημα όπου θα λειτουργεί. Μετά διαλέγουμε μια τοπολογία που αρμόζει με τα κυρίως χαρακτηριστικά που αρμόζει στον περίπτωση Και μετά ακολουθούμε μια διαδικασία πάρε δώσε μεταξύ των χαρακτηριστικών ως που να πετύχουμε τις απαιτούμενες προδιαγραφές Παράδειγμα σχεδίασης ΤΕ (/5) Σχεδιάστε ένα πλήρως διαφορικό τηλεσκοπικό ΤΕ με τις ακόλουθες προδιαγραφές: DD 3 Διαφορική ταλάντωση εξόδου3 Ισχύ0 mw Κέρδος τάσης000 μ n C ox 60μA/ μ p C ox 30μA/ λ n 0. -, λ p 0. - (για L min 0.5μm) γ0 THN THP 0.7

12 Παράδειγμα σχεδίασης ΤΕ (/5) DD 3 ) Αποφασίζουμε πως θα διατεθεί η ισχύ 0mW/ mA ) Εξετάζουμε την ταλάντωση εξόδου δηλ. X, Y ±0.75 δεν βγάζει κανένα στοιχείο από την περιοχή κορεσμού 333μA 3mA για να κρατεί κορεσμένα Μ 9,Μ,Μ 3,Μ 5,Μ 7 OD9 + OD + OD3 + OD5 + OD7.5 OD9 0.5, ODpmos 300m, ODnmos 00m 3 Παράδειγμα σχεδίασης ΤΕ (3/5) DD 3 Αφού ξέρουμε το OD και το ρεύμα σε κάθε στοιχείο μπορούμε εύκολα να βρούμε το W/L (I D (/)μc OX (W/L)( GS - TH ) ) W -4 50, W 5-8, W 9 400, LL min 3) Εξετάζουμε να δούμε εάν η προδιαγραφή για το κέρδος ικανοποιείται Av gm, ( gm4ro 4ro gm r 6 8) 6 o ro 46 4

13 Παράδειγμα σχεδίασης ΤΕ (4/5) DD 3 4) Προσπαθούμε να αυξήσουμε το κέρδος χωρίς να χαλάσουμε τις άλλες προδιαγραφές Αφού g r m o μc ox λi ( WL) / I ( W / L) I D D D Επηρεάζει ταχύτητα και θόρυβο Από τα στοιχεία αυτά περνά το σήμα, οπόταν δεν τα μεγαλώνουμε Εάν διπλασιάσουμε και το W και το L, το g m θα παραμείνει το ίδιο, ενώ το τελικό r o θα διπλασιαστεί (W/L) -4 50/0.5, (W/L) 5-8 /, (W/L) 9 400/0.5 Av Παράδειγμα σχεδίασης ΤΕ (5/5) DD 3 in min ) Καθορίζουμε την τάση των κόμβων b & b GS OD9 TH OD OD b min OD9 + OD + GS 3.6 ( OD7 + 5 ) b max DD GS.7 Στην πραγματικότητα πρέπει να αφήσουμε περιθώρια για κατασκευαστικές ατέλειες και την επίδραση σώματος 6 3

14 Διπλωμένα Κασκωδικά Κυκλώματα Οι διπλωμένοι κασκωδικοί ΤΕ έχουν το πλεονέκτημα ότι έχουν καλύτερη ταλάντωση εξόδου και μπορούν εύκολα να συνδεθούν ως ακολουθητές τάσης 7 Διπλωμένοι Κασκωδικοί ΤΕ (/3) Ρεύμα I SS CMmax b - GS3 + TH OUTmin ODISS + OD + OD4 OUTmax DD -( OD7 + OD9 ) Ρεύμα I SS + I SS + I SS CMmin b - GS3 - THP OUTmin OD3 + OD5 OUTmax DD -( OD7 + OD9 ) Ισχύ Ταλάντωση εισόδου Ταλάντωση εξόδου 8 4

15 Διπλωμένοι Κασκωδικοί ΤΕ (/3) A G m R out G g αφο << m m, ύ / gm3 ro 5 ro {[( g + g ) r ( r r )] [( g g ) r r ]} A gm, m3 mb3 o3 o o5 m7 + mb7 o7 o9 Σε σύγκριση με το τηλεσκοπικό ΤΕ (διαφάνεια 3) το κέρδος είναι πιο χαμηλό κατά -3 φορές γιατί: Το pmos διαφορικό ζεύγος έχει πιο χαμηλό g m παρά το nmos Το r o και το r o5 εμφανίζονται παράλληλα 9 Διπλωμένοι Κασκωδικοί ΤΕ (3/3) Σε σύγκριση με το τηλεσκοπικό ΤΕ (διαφάνεια 3) ο πόλος στο σημείο δίπλωσης είναι σε πιο χαμηλή συχνότητα γιατί έχει περισσότερα παρασιτικά στοιχεία: Ο αντίστοιχος ΤΕ με NMOS διαφορικό ζεύγος έχει καλύτερο κέρδος αλλά ο πόλος είναι σε ακόμα πιο χαμηλή συχνότητα αφού το /g m-pmos >/g m-nmos Παρόλα τα μειονεκτήματα του διπλωμένου κασκωδικού ΤΕ χρησιμοποιείται συχνά γιατί μπορείς να συνδέσεις την έξοδο στην είσοδο πιο εύκολα και έχει πιο μεγάλη περιοχή κοινής εισόδου. 30 5

16 Κασκωδικοί ΤΕ με μονή Έξοδο 3 ΤΕ των δυο σταδίων Οι ΤΕ που εξετάσαμε έχουν ένα στάδιο ενίσχυσης αφού το ρεύμα του διαφορικού ζεύγους περνά από την αντίσταση εξόδου για την παραγωγή της τάσης εξόδου. Και έτσι, εάν θέλουμε να αυξήσουμε το κέρδος με κασκωδικές τοπολογίες μειώνεται η περιοχή ταλάντωσης της εξόδου 3 6

17 Παράδειγμα ΤΕ με δυο σταδία [ g ( r r )] A gm ( ro ro 3) m5 o5 o7 out min b TH 7 out max ( dd GS 3 ) + TH 3 + TH 5 33 Παραδείγματα ΤΕ των δυο σταδίων {( g + g ) r r ( g g ) r r }[ g ( r r )] A gm, m3 mb3 o3 o m5 + mb5 o5 o7 m9 o9 o 34 7

18 Παράδειγμα ΤΕ των δυο σταδίων με Μονή Έξοδο [ g ( r r )] A gm ( ro ro 3) m5 o5 o7 Μπορούμε να βάλουμε και τρίτο στάδιο ενίσχυσης; 35 8