Ηλεκτρονικά Στοιχεία και Κυκλώματα ΙΙ. Ενίσχυση Κέρδους (Gain Boosting)

Transcript

1 Ηλεκτρονικά Στοιχεία και Κυκλώματα 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. Ενίσχυση Κέρδους (Gain Boosting Μέχρι στιγμής για ενίσχυση του κέρδους: Αυξήσαμε το R με κασκωδικό στάδιο στην έξοδο Χρησιμοποιήσαμε δύο στάδια για περαιτέρω ενίσχυση του σήματος. Θα θέλαμε μια μέθοδο για αύξηση της εμπέδησης εξόδου χωρίς την χρήση επιπρόσθετου κασκωδικού σταδίου

2 Αύξηση Εμπέδησης Εξόδου με Ανατροφοδότηση R = ( gm ro ro Ανατροφοδότηση sense I feedback Αύξηση του ro σημαίνει μείωση του gs αφού αφαιρείται η τάση R ( A gmro ro Η τάση στο X είναι πιο σταθερή Πιο σταθερό ρεύμα σημαίνει πιο ψηλό R Αύξηση κέρδους χωρίς επιπρόσθετα Κασκωδικά στοιχεία!!! 3 Ενίσχυση Κέρδους με Ανατροφοδότηση (μέσω Αύξηση Εμπέδησης Εξόδου Το b είναι αντίστοιχο της γείωσης για μικρά σήματα Av gm ( gmro ro ( gm3ro 3 = + min gs3 od 4

3 Ενίσχυση Κέρδους με Ανατροφοδότηση σε ΤΕ (/4 + - min Αντικαταστούμε τους δυο ενισχυτές ανατροφοδότησης με ένα πλήρες διαφορικό ενισχυτή Η ελάχιστη τάση εξόδου του νέου ΤΕ ενισχυτής όμως δεν είναι ικανοποιητική = + + od _ ISS = + gs5 X, Y min od _ ISS gs5 od 3 5 Ενίσχυση Κέρδους με Ανατροφοδότηση σε ΤΕ (/4 + - = + X, Y min od _ ISS od, O ενισχυτής ανατροφοδότησης έχει PMOS είσοδο (δηλ. in min 0 Το κέρδος της ανατροφοδότησης είναι πιο μεγάλο αφού περιέχει επιπρόσθετο κασκωδικό τρανζίστορ 6 3

4 Ενίσχυση Κέρδους με Ανατροφοδότηση σε ΤΕ (3/4 Το κέρδος από το Χ στο P είναι: [( g r ( r r ( g r r ] A v loop = gm5 m7 o7 o5 o9 m o o3 R ( Av loopgm3 ro 3 ro Το τελικό κέρδος είναι: A G v = m diff pair g r 4 4 m o R 7 Ενίσχυση Κέρδους με Ανατροφοδότηση σε ΤΕ (4/4 Με είσοδο NMOS Με είσοδο PMOS Οι ενισχυτές ανατροφοδότησης δέν επηρεάζουν τους πόλους σημαντικά αφού επεξεργάζονται μόνο τα μικρά σήματα ανατροφοδότησης για τη αύξηση της αντίστασης εξόδου (Δηλ δεν συμπεριφέρονται σαν ενισχυτές των δυο σταδίων. 8 4

5 Σύγκριση των διάφορων τύπων ΤΕ Κέρδος Ταλάντωση εξόδου Ταχύτητα Ισχύ Θόρυβος Τηλεσκοπικός ΤΕ Μέτριο Μέτρια Κορυφαία Χαμηλή Χαμηλός Διπλωμένος κασκωδικός ΤΕ Μέτριο Μέτρια Ψηλή Μέτρια Μέτριος ΤΕ των δυο σταδίων Ψηλό Κορυφαία Χαμηλή Μέτρια Χαμηλός ΤΕ με ενισχυμένο κέρδος Ψηλό Μέτρια Μέτρια Ψηλή Μέτριος 9 Ανατροφοδότηση Κοινού Σήματος (/6 (Common Mode Feedback in = = DD I SS R D / Το σημείο όπου το κοινό σήμα θα καταλήξει καθορίζεται εύκολα 0 5

6 Ανατροφοδότηση Κοινού Σήματος (/6 (Common Mode Feedback Εάν το κοινό κατεβεί πολύ χαμηλά τo τρανζίστορ M 5 θα καταλήξει στην τριοδική περιοχή Εάν το κοινό ανεβεί πολύ ψηλά τα τρανζίστορ M 3 & M 4 θα καταλήξουν στην τριοδική περιοχή Ανατροφοδότηση Κοινού Σήματος (3/6 (Common Mode Feedback Μέτρηση κοινού σήματος εξόδου Σύγκριση με τάση αναφοράς Διόρθωση τάσης μέσω ρύθμιση ρεύματος CM = ( R + R = R + R + ( R R = R, >> R Οι μεγάλες αντιστάσεις είναι πρόβλημα σε Ολο. Κυκλ. 6

7 Ανατροφοδότηση Κοινού Σήματος (4/6 (Common Mode Feedback Το πρόβλημα λύνεται με ακολουθητή τάσης Το,CM είναι ένα GS κάτω I X ( Το μέγεθος του Ι, πρέπει να είναι τέτοιο ώστε να μπορεί να απορροφήσει το όλο ρεύμα χωρίς να αποκοπεί το Μ 7,8 R + R I I min min > > ( max R + R min ( max R + R min 3 Ανατροφοδότηση Κοινού Σήματος (5/6 (Common Mode Feedback 4 7

8 Ανατροφοδότηση Κοινού Σήματος (6/6 (Common Mode Feedback A v = gm ( ro ro gm,, 3,4 A v = gm,( ro, ro 3, 4 R F Αυτή η τοπολογία χρησιμεύει μόνο όταν το κέρδος μπορεί να είναι σχετικά χαμηλό. 5 Περιορισμοί στη Περιοχή Εισόδου in, min = gs, + od _ ISS = + in, min,min od 6 od 8 Το διαφορικό ζεύγος περιορίζει την πιο χαμηλή τάση εισόδου!! 6 8

9 Περιορισμοί στη Περιοχή Εισόδου 7 Ρυθμός Μεταβολής = [ exp( t 0 τ τ = RC d dt 0 t = exp τ τ Ο κλίση είναι ανάλογη του 0 Αυτό είναι χαρακτηριστικό των γραμμικών συστημάτων 8 9

10 Ρυθμός Μεταβολής σε Ιδανικό ΤΕ A = R + A R + R 0u( t exp t C LR + AR /( + R R Η τιμή του R μειώνεται με την ανατροφοδότηση Ο κλίση είναι ανάλογη του κέρδους και της εισόδου 9 Μέγιστος Ρυθμός Μεταβολής σε Πραγματικό ΤΕ (Slew rate Για μικρό σήμα εισόδου ο ΤΕ συμπεριφέρεται σαν ιδανικός ΤΕς. 0 0

11 Μέγιστος Ρυθμός Μεταβολής σε Πραγματικό ΤΕ (Slew rate Για μεγάλο σήμα εισόδου ο ΤΕ φτάνει τον μέγιστο ρυθμό μεταβολής (slew rate d dt max Slew rate = = Iss / C L Μέγιστος Ρυθμός Μεταβολής σε Τηλεσκοπικό ΤΕ (Slew rate I D-M3max =I SS SR left =-I SS /C L I D-M6max =I SS SR right =+I SS /C L d dt max Slew ratedifferenti al = = Iss / C L

12 Μέγιστος Ρυθμός Μεταβολής σε Κασκωδικό ΤΕ (Slew rate Πηγές ρεύματος 3 d dt max Slew rate = = Iss / C L Καθρέφτης ρεύματος 3 Μέγιστος Ρυθμός Μεταβολής σε Κασκωδικό ΤΕ (Slew rate Iss > I M & σε τριοδική περιοχή και το αποκόπτεται P I SS M 3 Η αποφυγή της πλήρης πτώσης της τάσης στους ακροδέκτες του Μ 3 βοηθά την γρήγορη μεταβολή στην κανονική περιοχή λειτουργίας Τα Μ, είναι αποκομμένα στην κανονική περιοχή λειτουργίας 4

13 Απόρριψη Θορύβου Τροφοδοσίας Ο λόγος απόρριψης τάσης τροφοδοσίας είναι ένας δείκτης που μας υποδεικνύει πόσο θα επηρεάσει ο θόρυβος της τροφοδοσίας το θεμιτό σήμα στην έξοδο Λόγος απόρριψης τάσης τροφοδοσίας = (Power supply rejection ratio (PSRR Κέρδος από είσοδο σε έξοδο Κέρδος από τροφοδοσία σε έξοδο Ο Θόρυβος τροφοδοσίας εμφανίζεται στην έξοδο με το ίδιο μέγεθος (σταθερό Ι SS = σταθερό GS PSRR g mn ( rop ron 5 Θόρυβος σε ΤΕς Ο θόρυβος μεταφέρεται στην είσοδο του ΤΕ για ώστε να συγκρίνεται εύκολα. Η δυναμική περιοχή συνήθως ορίζεται από το λόγο του μέγιστου σήματος εισόδου και τον συνοπτικό θόρυβο στην είσοδο. g = 4kT 3g g + 3g + K N (( WL,C K Pg + f (( WL 7,8C m, m7,8 m7,8 n in m, m, ox ox f gm, Τα κασκωδικά τρανζίστορ συμβάλλουν αμελητέο θόρυβο!!! (σελ