Ενισχυτής κοινής πηγής (common source amplifier)

Transcript

1 Εισαγωγή στην Ηλεκτρονική Βασικά κυκλώµατα ενισχυτών µε transstr MOS Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ

2 Transstr ως ενισχυτής Ενισχυτής κοινής πηγής (cmmn surce amplfer (κύκλωµα αντιστροφέα CMOS µε αντίσταση αντί για το pmos transstr και είσοδο σήµατος στην πύλη του nmos transstr 2

3 Transstr ως ενισχυτής Χαρακτηριστική µεταφοράς τάσης του ενισχυτή κοινής πηγής, και ενίσχυση ασθενούς σήµατος µε πόλωση στο σηµείο Q 3

4 Transstr ως ενισχυτής Γραφική εύρεση της χαρακτηριστικής µεταφοράς τάσης: οι καµπύλες f( S του transstr υπερτίθενται της ευθείας V / S / της αντίστασης 4

5 Αναλυτική εύρεση της χαρακτηριστικής µεταφοράς τάσης: Τµήµα ΧΑ. O Transstr ως ενισχυτής I V T (OFF V V 0 V Τµήµα AQB. I V, T O I V T (SAT O V k n ( I V T 2 2 Τµήµα BC. I V, T O I V T (LIN 2 ( V / L V k 2 O n I T O O O 5

6 Παράδειγµα Να βρεθούν οι συντεταγµένες των σηµείων X, A, B της χαρακτηριστικής µεταφοράς τάσης ενός ενισχυτή κοινής πηγής για τον οποίο k n 1mA/V 2, V T 1V, 18kΩ, V 10V. Nα βρεθεί επίσης η dc τάση εισόδου V IQ η οποία πολώνει τον ενισχυτή σε σηµείο λειτουργίας Q µε V OQ χαµηλότερη κατά 1.5V από το µέσο της περιοχής µεταξύ V OA και V OB, καθώς και το κέρδος τάσης στο σηµείο Q και η απόκριση του ενισχυτή σε τριγωνικό σήµα πλάτους 75mV που υπερτίθεται στη V IQ. 6

7 Πόλωση ενισχυτών MOS Η καλή πόλωση πρέπει να εξασφαλίζει σταθερότητα του σηµείου λειτουργίας Q κυρίως ως προς τη dc τάση εξόδου V OQ, ή ισοδύναµα ως προς το dc ρεύµα πόλωσης I (η πόλωση µε απλή dc πηγή V GS V IQ στην είσοδο δεν θεωρείται καλή πρακτική Μεγάλες διακυµάνσεις του ρεύµατος πόλωσης για ίδια V IQ µεταξύ διαφορετικών transstr ίδιου τύπου, λόγω τετραγωνικής εξάρτησης του I από τη V GS 7

8 Πόλωση µε αντίσταση στην ηγή Ευθεία αντίστασης πηγής: V G V GS + S I 8

9 Πόλωση µε αντίσταση στην ηγή Υλοποίηση µε µία τροφοδοσία (τάση V G από V µέσω διαιρέτη τάσης Σύνδεση ασθενούς σήµατος στην πύλη µέσω πυκνωτή σύζευξης (αποκόπτει την dc συνιστώσα, ώστε να µην αλλάξει το σηµείο πόλωσης, ενώ επιτρέπει τις συχνότητες ενδιαφέροντος Υλοποίηση µε δύο τροφοδοσίες (V G 0, V GS S I V SS

10 Πόλωση µε ηγή σταθερού ρεύµατος Η καλύτερη πόλωση επιτυγχάνεται µε απευθείας σταθεροποίηση του ρεύµατος πόλωσης µέσω πηγής σταθερού ρεύµατος 10

11 Πόλωση µε ηγή σταθερού ρεύµατος Υλοποίηση της πηγής σταθερού ρεύµατος από ρεύµα αναφοράς I EF και καθρέπτη ρεύµατος (current mrrr V I V V S1 GS1 GS EF I k W (SAT n 2 1 ( VGS VT 2 L 1 Το Q2 έχει ίδια V GS µε το Q1, και υπό την προϋπόθεση ότι λειτουργεί σε SAT: I I k n 2 2 ( VGS VT 2 L 2 I W ( W / L 2 2 EF ( W / L 1 οπότε ρεύµα πόλωσης: I EF W W

12 Πόλωση µε ηγή σταθερού ρεύµατος Οδήγηση ρεύµατος (current steerng σε ολοκληρωµένα κυκλώµατα. Η αντίσταση είναι αντίσταση ακριβείας και βρίσκεται εκτός του ολοκληρωµένου. Για δεδοµένο ρεύµα αναφοράς I EF η τιµή της προσδιορίζεται από και V I EF V GS V V + 2I GS V SS T EF k n ( V + V V SS GS I EF 12

13 Παράδειγµα Να υπολογιστούν η αντίσταση και το πλάτος W 2 του Q2 transstr ενός κυκλώµατος πηγής και καθρέπτη ρεύµατος, το οποίο συνδέεται µεταξύ τροφοδοσίας V 3V και γείωσης και απαιτείται να δηµιουργήσει ρεύµα αναφοράς I EF 100µΑ καθώς και να παρέχει στο φορτίο ρεύµα 0.5mA. Τα transstr του κυκλώµατος έχουν L 1µm, V T 0.7V, k n ' 200µA/V 2, ενώ το Q1 έχει πλάτος W 1 10µm. 13

14 Ανάλυση ασθενούς σήµατος Υπέρθεση ασθενούς σήµατος gs στην dc τάση πόλωσης V GS 2 Συνολικό ρεύµα υποδοχής: kn( GS VT 2 Εάν gs 2( VGS VT τότε (συνθήκη ασθενούς σήµατος οπότε k n ( V 2 k ( V V 2 + k ( V V + GS + 2 n( GS T n GS T gs kn gs gs V 2<< ( V V 2 << gs GS T gs + k ( V V I d d n GS T gs m gs 2 I kn( VGS VT dc ρεύµα πόλωσης 2 όπου T 2 g 2 2 ρεύµα σήµατος gm kn( VGS VT διαγωγιµότητα 14

15 Η διαγωγιµότητα g m Για συνολικό ρεύµα κορεσµού: g k m n ( k GS διαγωγιµότητα: V T 2 n( VGS VT Ως προς το dc ρεύµα πόλωσης (για πόλωση µε πηγή ρεύµατος: I k n ( V GS V T V V + 2I GS T k n g m d d GS GS V GS διαγωγιµότητα: g 2k m n I 15

16 Κέρδος τάσης Συνολική τάση υποδοχής: V Υπό συνθήκη ασθενούς σήµατος: V + ( I d V I d V d Ασθενές σήµα εξόδου: d d g m gs Κέρδος τάσης: A d gs g m d d GS GS V GS 16

17 Μοντέλο ασθενούς σήµατος Μοντέλο ασθενούς σήµατος για το transstr MOS Μοντέλο ασθενούς σήµατος µε αντίσταση εξόδου r 1/λI (λόγω διαµόρφωσης µήκους καναλιού Για χρήση των µοντέλων στην ανάλυση ασθενούς σήµατος θεωρείται ότι όλες οι πηγές του κυκλώµατος έχουν µηδενική dc συνιστώσα Με ενσωµάτωση της αντίστασης εξόδου r το κέρδος τάσης γίνεται: A g m ( // r 17

18 Μοντέλο ασθενούς σήµατος Μοντέλο ασθενούς σήµατος µε ενσωµάτωση του φαινοµένου σώµατος ιαγωγιµότητα σώµατος: g mb BS χg m, χ 2 2φ γ F + V SB 18

19 Ισοδύναµο µοντέλο Τ Μοντέλο Τ µε αντίσταση εξόδου r 1/λI 19

20 οµικό κύκλωµα ενισχυτών MOS (κατά τη σύνδεση του σήµατος και του φορτίου, ένας από τους ακροδέκτες S, G, είναι κοινός µεταξύ εισόδου και εξόδου 20

21 Παράδειγµα Στο κύκλωµα του σχήµατος µε V T 1.5V, k n 1mA/V 2, λ V -1 οι V OV V GS V T, V GS, V S, V φαίνονται στο σχήµα. Επίσης φαίνεται το µοντέλο ασθενούς σήµατος µαζί µε τις τιµές των g m και r. Ποια είναι η µέγιστη µεταβολή του ασθενούς σήµατος στην υποδοχή ώστε το transstr να παραµένει στον κορεσµό; S GS V T V + d V G V T d V G V V T 4V (θεωρώντας g 0 21

22 Χαρακτηρισµός ενισχυτών Η πηγή σήµατος µε τάση ανοικτού κυκλώµατος sg και εσωτερική αντίσταση sg µπορεί να είναι το Theenn ισοδύναµο του κυκλώµατος που τροφοδοτεί την είσοδο του ενισχυτή (π.χ. το προηγούµενο στάδιο ενός ενισχυτή πολλών σταδίων Η αντίσταση φορτίου L µπορεί να είναι η αντίσταση εισόδου του επόµενου σταδίου σε έναν ενισχυτή πολλών σταδίων 22

23 Κέρδος τάσης ανοικτού κυκλώµατος: A Χαρακτηρισµός ενισχυτών L Κέρδος ρεύµατος βραχυκύκλωσης: A s L Αντίσταση εξόδου: x x 0 0 Αντίσταση εισόδου: L ιαγωγιµότητα βραχυκύκλωσης: G m L 0 sg A As sg G m Συνολικό κέρδος τάσης: + A L + L 23

24 Παράδειγµα Ένας ενισχυτής τροφοδοτείται από πηγή σήµατος µε τάση ανοικτού κυκλώµατος sg 10mV και εσωτερική αντίσταση sg 100kΩ. Από µετρήσεις στην είσοδο και την έξοδο του ενισχυτή έχει διαπιστωθεί ότι 9mV, 90mV χωρίς φορτίο, και 70mV µε φορτίο L 10kΩ. Να βρεθούν οι παράµετροι A,, A s, G m,. A L 10 sg + sg sg sg / 1 900kΩ sg L A AL L + sg L 2.86kΩ A s A G m A 3.5mA/V 24

25 Ενισχυτής κοινής ηγής C C1, C C2 : Πυκνωτές σύζευξης (cuplng αποκόπτουν την dc συνιστώσα εισόδου (ώστε να µην αλλάξει το σηµείο πόλωσης και εξόδου (ώστε στο φορτίο L να εµφανιστεί µόνο η τάση σήµατος C S : Πυκνωτής αράκαµψης (bypass ώστε οι διακυµάνσεις από το ρεύµα σήµατος να µην διέλθουν από το κύκλωµα της πηγής ρεύµατος πόλωσης

26 Ενισχυτής κοινής ηγής Ο πυκνωτής C C1 δεν χρειάζεται αν η πηγή σήµατος δεν έχει dc συνιστώσα. Επιπλέον, αν η γείωση της πηγής σήµατος είναι καλή, τότε δεν χρειάζεται η σύνδεση στην dc γείωση µέσω της αντίστασης G (και η αντίσταση εισόδου του ενισχυτή θα είναι πρακτικά άπειρη. 26

27 Ενισχυτής κοινής ηγής Ενισχυτής κοινής ηγής Μοντέλο ασθενούς σήµατος 27 // ( // ( m gs gs m r g r g A L // ( 0 x x r G L

28 Ενισχυτής κοινής ηγής µε αντίσταση στην ηγή Αντίσταση πηγής προσφέρει αρνητική ανάδραση η οποία ( µειώνει τη διακύµανση του ρεύµατος πόλωσης, ( αυξάνει το εύρος ζώνης, αλλά µε αντίτιµο τη µείωση του κέρδους τάσης κατά παράγοντα 1 + g m S 28

29 Ενισχυτής κοινής ηγής µε αντίσταση στην ηγή Μοντέλο ασθενούς σήµατος (µε ισοδύναµο µοντέλο Τ, αγνοώντας την r A L g g m gs m m 1/ gm+ S 1 1/ g g + g m m S G 29

30 Ενισχυτής κοινής ηγής CMOS Στην ανάλυση ασθενούς σήµατος η αντίσταση εξόδου r 2 του pmos transstr Q2 αντικαθιστά την A g m ( r1 // r 2 ( r1 // r 2 30

31 Παράδειγµα Ενισχυτής κοινής πηγής CMOS µε V 3V, k n ' 200µΑ/V 2, W 1 4µm, L 0.4µm, λ n 0.05V -1, λ p 0.1V -1, I EF 3µΑ, και τα pmos Q2, Q3 του καθρέπτη ρεύµατος είναι ταιριασµένα (δηλ. έχουν ίσα πλάτη. Να βρεθούν οι παράµετροι A,, του ενισχυτή. g r W1 W1 2k 1 2 n I kn L L m1 IEF kΩ λi λi n 1 n EF r mA/V kΩ λ I λ I p 2 p EF r // r r r ( r + r 66.6kΩ ( A gm 1( r 1 // r

32 Ενισχυτής κοινής ύλης 32

33 Ενισχυτής κοινής ύλης Μοντέλο ασθενούς σήµατος (µε ισοδύναµο µοντέλο Τ, αγνοώντας την r A 1g m L g m gs (επειδή η πύλη G είναι γειωµένη, οπότε εφαρµόζεται µεταξύ S και G g m sg g m g m 33

34 Ενισχυτής κοινής ύλης Η αντίσταση εισόδου 1/g m του ενισχυτή κοινής πύλης είναι πολύ µικρή, οπότε υπάρχει µεγάλη απώλεια σήµατος (και συνολικού κέρδους τάσης από τη σύνδεση της πηγής σήµατος στην είσοδο του ενισχυτή Σύνδεση ασθενούς σήµατος ρεύµατος (µπορεί να είναι το κατά Nrtn ισοδύναµο του ασθενούς σήµατος τάσης στον ενισχυτή κοινής πύλης: Ο ενισχυτής αναπαράγει το ρεύµα σήµατος στην υποδοχή (λειτουργεί ως ακόλουθος ρεύµατος, σε πολύ µεγαλύτερη αντίσταση εξόδου Επίσης, έχει πολύ µεγαλύτερο εύρος ζώνης από τον ενισχυτή κοινής πηγής 34

35 Ενισχυτής κοινής υ οδοχής 35

36 Ενισχυτής κοινής υ οδοχής Μοντέλο ασθενούς σήµατος (µε ισοδύναµο µοντέλο Τ A 1 r + 1/ r + 1/ r gm r gm L [η έξοδος λαµβάνεται από την πηγή S οπότε εµφανίζεται στα άκρα της r εφόσον είναι στη γείωση σήµατος] 1 καθώς r >> και 1/g m << 36

37 Ενισχυτής κοινής υ οδοχής Μοντέλο ασθενούς σήµατος (µε ισοδύναµο µοντέλο Τ G x x 0 1 g m // r 1 g [επειδή όταν 0 τότε η πύλη G γειώνεται, οπότε x εφαρµόζεται στα άκρα της (1/g m //r ] m 37

38 Σύγκριση ενισχυτών Ενισχυτής κοινής πηγής Μεγάλο κέρδος τάσης [ g m (r // ή g m (r 1 //r 2 ] και µεγάλη αντίσταση εισόδου ( G ή, αλλά µεγάλη αντίσταση εξόδου [(r // ή (r 1 //r 2 ] Χρησιµοποιείται ως κύριο στάδιο ενίσχυσης σε ενισχυτές πολλών σταδίων Ενισχυτής κοινής πύλης Μεγάλο κέρδος τάσης (g m, αλλά µικρή αντίσταση εισόδου (1/g m και µεγάλη αντίσταση εξόδου ( Χρησιµοποιείται ως αποµονωτής (ακόλουθος ρεύµατος και σε εφαρµογές ενισχυτών ευρείας ζώνης Ενισχυτής κοινής υποδοχής Μεγάλη αντίσταση εισόδου ( G και µικρή αντίσταση εξόδου ( 1/g m, αλλά µικρό κέρδος τάσης ( 1 Χρησιµοποιείται ως αποµονωτής (ακόλουθος τάσης σε στάδια εξόδου ενισχυτών πολλών σταδίων 38

39 Μοντέλο υψηλών συχνοτήτων C gs : Χωρητικότητα πύλης (εµφανίζεται στην είσοδο για τον ενισχυτή κοινής πηγής C db : Χωρητικότητα επαφής Cg (εx / tx WL C C A + C (εµφανίζεται στην έξοδο για τον ενισχυτή κοινής πηγής j C gd : Μικρή χωρητικότητα επικάλυψης (erlap µεταξύ G και (εµφανίζεται όµως µεταξύ εισόδου και εξόδου στον ενισχυτή κοινής πηγής, και επηρεάζει σηµαντικά την απόκριση συχνότητας 39 jar jsw P

40 Α όκριση συχνότητας ενισχυτή κοινής ηγής Οι µεγάλοι πυκνωτές σύζευξης και παράκαµψης C C1, C C2, C S είναι βραχυκυκλώµατα εκτός από µια περιοχή χαµηλών συχνοτήτων Οι µικρές εσωτερικές χωρητικότητες C gs, C db, C gd του transstr είναι ανοικτοκυκλώµατα εκτός από µια περιοχή υψηλών συχνοτήτων 40

41 Α όκριση συχνότητας ενισχυτή κοινής ηγής Συνολικό κέρδος τάσης στη µεσαία ζώνη (mdband: Εύρος ζώνης (bandwdth (απόσταση συχνοτήτων 3dB: A M BW sg H L G + G H sg g ( r m ( r // // f f f (f H >> f L + 41 L L

42 Α όκριση υψηλών συχνοτήτων Μοντέλο ασθενούς σήµατος στις υψηλές συχνότητες (η χωρητικότητα C db αγνοείται αλλά µπορεί να ενσωµατωθεί 42

43 Α όκριση υψηλών συχνοτήτων Theenn gd jωc gd ( gs jωc gd ( gs ( gmgs L jωcgd (1+ gm L gs [σε συχνότητες όχι πολύ υψηλότερες της f H θα είναι g m gs >> gd, δηλ. το ρεύµα φορτίου προέρχεται σχεδόν αποκλειστικά από τη διαγωγιµότητα του transstr]

44 Α όκριση υψηλών συχνοτήτων [εάν g m gs >> gd τότε η C gd δεν επηρεάζει την έξοδο, οπότε µπορεί να εµφανιστεί στην πλευρά της εισόδου προς τη γη ως C eq C gd (1+g m ' L ώστε να διαρρέεται από το ίδιο ρεύµα gd ] 44

45 Α όκριση υψηλών συχνοτήτων Α όκριση υψηλών συχνοτήτων // ( 1 1/ 1 1/ 1 G sg n sg sg G G n G sg n G sg gs C j C j C j ω ω ω

46 Α όκριση υψηλών συχνοτήτων g m gs L g G L + m sg G sg 1+ jωcn( sg // G 46

47 Α όκριση υψηλών συχνοτήτων sg g G L + m sg G 1+ 1 jω C ( // 1+ C n n sg 1 ( sg // G G AM j( ω / ω Βαθυπερατό STC ωh δίκτυο, όπου: 47 H

48 Α όκριση υψηλών συχνοτήτων f H 2 π ( C + C ( 1+ g ( r // // ( // gs gd m (η συχνότητα που αντιστοιχεί στη C db είναι αρκετά µεγαλύτερη της f H 1 L sg G

49 Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων Ανάλυση ασθενούς σήµατος στις χαµηλές συχνότητες g sg sg + G 1/( jωcc1 + G 49

50 Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων d 1/ gm+ 1/( jωcs g (µε χρήση του ισοδύναµου µοντέλου Τ, αγνοώντας την r 50

51 Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων d + 1/( jωcc 2 + L (διαιρέτης ρεύµατος στο φορτίο 51

52 Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων ( ( 1/ 1 // ( /( L C L d L C L d L C j C j ω ω

53 Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων ( 1 1 // ( L C L S m G C sg G sg C j C j g C j ω ω ω

54 Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων ( 1 // ( / 1 ( 1 /( 2 1 L C L m S m sg G C sg G G sg C j g C j g C j ω ω ω

55 Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων ( ( ( / ( 1 / ( 1 / ( ω ω ω ω ω ω P P P M sg j j j A 55 [Γινόµενο αποκρίσεων υψιπερατών STC δικτύων]

56 Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων f P1 1 gm f 2 π P CC1( G + sg 1 f 2 P3 2πC 2 π C ( S C 2 + L

57 Α όκριση χαµηλών συχνοτήτων [ f L f P2 : η συχνότητα f P2 είναι αρκετά µεγαλύτερη των f P1, f P3, καθώς C C1 C C2 C S και 1/g m << ( G + sg, ( + L ] 57

58 Παράδειγµα ίνεται ενισχυτής κοινής πηγής µε G 4.7ΜΩ, L 15kΩ, sg 100kΩ, g m 1mA/V. Να υπολογιστεί το κέρδος µεσαίων συχνοτήτων A M αγνοώντας την r. Να υπολογιστούν επίσης οι τιµές των πυκνωτών σύζευξης και παράκαµψης C C1, C C2, C S έτσι ώστε η συχνότητα f L f P2 να τοποθετηθεί στα 100Hz και οι f P1, f P3 τουλάχιστον 10 φορές χαµηλότερα (δηλ. το πολύ στα 10Hz. A M ( /( + g ( // G G sg m L f P gm /(2πCS CS 1.6µF ( 2 ( + C 3.3nF fp πcc1 G sg C1 ( 2 ( + C 0.53µF fp πcc 2 L C 2 58