ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική

Transcript

1 ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική «Καθρέπτες ρεύματος, ενεργά φορτία και αναφορές τάσης ρεύματος» Φώτης Πλέσσας ΤΗΜΜΥ

2 Σκοπός διάλεξης Παρουσίαση των καθρεπτών ρεύματος και της χρήσης τους ως: Πηγών ρεύματος, και Ενεργών φορτίων Παρουσίαση των πηγών πόλωσης ΤHMMY - 2

3 Σύνοψη Απλοί καθρέπτες ρεύματος (current mirrors) Προβλήματα λόγω του Early effect Wilson mirror Widlar mirror Εφαρμογές Current sources Current copiers Active loads Cascode mirrors Αυτοπόλωση Κύκλωμα πόλωσης band-gap ΤHMMY - 3

4 Καθρέπτες ρεύματος Κύρια λειτουργία: η δημιουργία πηγής ρεύματος Ιδανικά μια πηγή ρεύματος διατηρεί ένα σταθερό προκαθορισμένο ρεύμα I ανεξάρτητα από το φορτίο! Το ρεύμα παραμένει ίσο με I ακόμα και αν το R μεταβάλλεται. Πως θα υλοποιήσουμε μια πηγή ρεύματος με τρανζίστορ; Πως θα ορίσουμε την τιμή του ρεύματος; ΤHMMY - 4

5 Απλός καθρέπτης ρεύματος Ας δούμε την απλή συνδεσμολογία του σχήματος. Προφανώς: Σημειώστε ότι το ρεύμα αυτό δεν θα αλλάζει αν η R είναι καθορισμένη. Έτσι, αν μπορέσουμε να αντιγράψουμε αυτό το ρεύμα σε ένα άλλο μονοπάτι στο οποίο θέλουμε να έχουμε την πηγή ρεύματος, τότε θα έχουμε δημιουργήσει μια πηγή ρεύματος τιμής I REF σε αυτό το μονοπάτι. Πως όμως θα αντιγράψουμε το ρεύμα. Θυμηθείτε ότι το ρεύμα του συλλέκτη ενός BJT εξαρτάται μόνο από την V BE. ΤHMMY - 5

6 Απλός καθρέπτης ρεύματος Ιδέα: δίδυμα!!! Αν δύο πανομοιότυπα BJT έχουν την ίδια V BE, θα πρέπει να έχουν το ίδιο ρεύμα συλλέκτη. Ανεξάρτητα από το R L! Έτσι έχουμε μια πηγή ρεύματος. Q1 Q2 I I REF υποθέτοντας ότι τα ρεύματα βάσης είναι πολύ μικρά σε σχέση με το I. R o r o2 V I A C 2 ΤHMMY - 6

7 Απλός καθρέπτης ρεύματος Δίδυμα BJT συνδεδεμένα «πλάτη με πλάτη» Χρησιμοποιούμε PNP για φορτία που συνδέονται στην γείωση Σφάλμα κέρδους; συστηματικό, τυχαίο ΤHMMY - 7

8 Απλός MOS current mirror R o r o2 V I A D2 ΤHMMY - 8

9 Κύριο πρόβλημα του απλού Current Mirror Δοκιμάστε με το PSPICE! Έστω I REF ίσο με: Περιμένουμε το I να είναι ίσο με το I REF. Κάντε τρεις εξομοιώσεις: 1. Με R load = 15 kω, το I που παίρνουμε είναι πολύ κοντά στο ma! 2. Με R load = 8 kω, παίρνουμε I περίπου 1.01 ma, ελαφρά αλλά σημαντικά μεγαλύτερο από ma! 3. Με R load = 6 kω, παίρνουμε ακόμα μεγαλύτερο I Οπότε, αυτός ο καθρέπτης ρεύματος δεν είναι μια πολύ καλή πηγή ρεύματος γιατί δεν παραμένει σταθερή για όλα τα φορτία ΤHMMY - 9

10 Ποιο είναι το πρόβλημα; Ας δούμε την ιδανική περίπτωση. Έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά αφού έχουν την ίδια V BE. Το I C2 πρέπει να είναι το ίδιο με το I C1! Οπότε I I REF. Αλλά γιατί το I C2 είναι διαφορετικό από το I C1 σε ένα πραγματικό κύκλωμα δίνοντας I I REF ; ΤHMMY - 10

11 Δημιουργείται από την Early! Οι χαρακτηριστικές του BJT δεν είναι επίπεδες στην ενεργό περιοχή Έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά αφού έχουν την ίδια V BE. Έτσι, το I C2 δεν μπορεί να είναι το ίδιο με το I C1 και εξαρτάται και από το R load. Άρα, το I θα μεταβάλλεται με το Rload και I I REF. ΤHMMY - 11

12 Πόσο κακό; Ας δούμε μερικούς ακριβείς υπολογισμούς. Υποθέστε ότι τα Q1 και Q2 είναι πανομοιότυπα, με τάση Early ίση με 100 V. ΤHMMY - 12

13 Απλός current mirror Ρεύματα εξόδου για τρανζίστορ με διαφορετικά μεγέθη BJT: MOS: ΤHMMY - 13

14 Μπορεί να διορθωθεί; Λύση για μια ακριβή πηγή ρεύματος Περιγραφή προβλήματος: ΗV CE για το Q1 είναι καθορισμένη, αλλά η V CE για το Q2 αλλάζει με το R load. Έτσι το I C2 αλλάζει επίσης με το φορτίο. Λογική επιδιόρθωση: Να κάνω την V CE για το Q1 και το Q2 σταθερές. Δεν χρειάζεται να είναι ίσες! Αν η V CE1 και η V CE2 δεν αλλάζουν με το φορτίο, το ρεύμα I C2 θα μπορεί να καθοριστεί. Αν «φτιάξουμε» τις V CE1 και V CE2 έτσι ώστε να έχουν καθορισμένη διαφορά ανεξάρτητα από το R load. Αυτός είναι ο καθρέπτης Wilson! ΤHMMY - 14

15 Wilson Mirror Τώρα, V CE1 = 1.4 V και V CE2 = 0.7 V. Έτσι, το ρεύμα I C2 δεν θα αλλάζει ακόμα και αν αλλάζει η R load. Σημειώστε ότι I REF I C1 και I out = I C3 I C2. Θυμηθείτε ότι I C1 I C2, όμως δεν μας πειράζει όσο παραμένουν αμετάβλητα. Αυτή η πηγή ρεύματος είναι μια καλή πηγή αφού από τη στιγμή που έχει σχεδιαστεί για ένα συγκεκριμένο I out, διατηρεί αυτό το I out για όλα τα R load (φυσικά, όσο τα τρανζίστορ δεν μπαίνουν στον κόρο!). ΤHMMY - 15

16 Bipolar Wilson current mirror Small-signal model ΤHMMY - 16

17 Wilson Mirror για γειωμένα φορτία Για γειωμένα φορτία (grounded loads), χρησιμοποιούμε pnp τρανζίστορ. Η αντίστοιχη τοπολογία Wilson είναι: Και πάλι, έχουμε καθορισμένα I C1 και I C2 και I REF I C1 και I out = I C3 I C2 ΤHMMY - 17

18 Πηγή Widlar (για μικρά ρεύματα) Υποθέστε πως θέλω να φτιάξω μια πηγή ρεύματος με τιμή (έντασης ρεύματος) πολύ μικρότερη από το I REF. Ιδέα: Κάνω την V BE2 μικρότερη από την V BE1 γιατί το I C είναι ανάλογο του exp(v BE /V T ), όπου V T είναι η θερμική τάση ( 25 mv σε θερμοκρασία δωματίου). όμως, ή Έτσι, μια μικρή διαφορά στην V BE μπορεί να δώσει μια μεγάλη διαφορά στο I C. ΤHMMY - 18

19 Πηγή Widlar (για μικρά ρεύματα) Γι αυτό το κύκλωμα έχουμε: από την έχουμε άρα Οπότε, μπορούμε να βρούμε το I C2 το οποίο είναι πολύ μικρότερο από το I C1. ΤHMMY - 19

20 Πηγή Widlar (παράδειγμα) Υποθέστε ότι θέλουμε: I out = 10 μa. Πρώτα, έχουμε: Και χρησιμοποιώντας την: Βρίσκουμε την R 2 : ΤHMMY - 20

21 Πηγή Widlar MOS ΤHMMY - 21

22 Επιπλέον εφαρμογές Current Copier Σημείωση: αν κάποιο από τα Q1, Q2, Q3 μπει στον κόρο (πχ λόγω της απομάκρυνσης του φορτίου) η βάση του θα τραβήξει ρεύμα από την κοινή γραμμή (common base line), χαμηλώνοντας το ρεύμα τροφοδοσίας στα υπόλοιπα φορτία. Μπορούμε λύσουμε αυτό το πρόβλημα; Δημιουργία supply current στην common base line. ΤHMMY - 22

23 Επιπλέον εφαρμογές Βελτιωμένος Current Copier ΤHMMY - 23

24 Επιπλέον εφαρμογές Current Copier/Source με διαφορετικούς λόγους ρευμάτων ΤHMMY - 24

25 Πηγές ρεύματος με χρήση άλλων πρότυπων τάσεων Μπορούμε να πετύχουμε χαμηλότερη ευαισθησία (από την τάση τροφοδοσίας) αν τα ρεύματα πόλωσης εξαρτώνται από μια τάση διαφορετική από την τάση τροφοδοσίας Τέτοιες είναι: η τάση βάσηςεκπομπού ή τάση κατωφλίου, η θερμική τάση, ή το δυναμικό κατάρρευσης μιας επαφής pn. Για την BJT υλοποίηση μια αλλαγή κατά 10% στην τάση τροφοδοσίας προκαλεί μια αλλαγή 0.37% στο ρεύμα εξόδου ΤHMMY - 25

26 Έστω ο ενισχυτής CE. Το κέρδος είναι g m R L. Αν θέλουμε ένα μεγάλο κέρδος χρειαζόμαστε μια μεγάλη R L. Αλλά η μεγάλη R L χρειάζεται μεγάλη V cc για να παραμείνουμε στην ενεργό περιοχή! Μη πρακτικό! Επιπλέον εφαρμογές Active Loads μεγάλο κέρδος => μεγάλη R L => μεγάλη V CC ΤHMMY - 26

27 Επιπλέον εφαρμογές Active Loads Μπορούμε να έχουμε μια super αντίσταση φορτίου η οποία θα έχει μια μεγάλη τιμή R L στο σημείο λειτουργίας, αλλά ταυτόχρονα να μπορεί να επιτρέπει μικρές V cc ; κλίση = 1/r o, όπου r o η αντίσταση εξόδου του Q L το τρανζίστορ μόνο του ΤHMMY - 27

28 CE amplifier με ενεργό φορτίο Small signal circuit ΤHMMY - 28

29 CS amplifier με ενεργό φορτίο ΤHMMY - 29

30 Emitter-coupled pair με φορτίο καθρέπτη ρεύματος Στην πράξη το I REF1 δεν είναι ίδιο με το I REF2 κάτι που προκαλεί μεταβολή στην έξοδο κοινού σήματος (μεγάλη) Το ενεργό φορτίο είναι ένας καθρέπτης ρεύματος που αναγκάζει τα ρεύματα των Τ3 και Τ4 ναι είναι ίσα και άρα ίσα με I TAIL /2. ΤHMMY - 30

31 Emitter-coupled pair με φορτίο καθρέπτη ρεύματος Small signal circuit ΤHMMY - 31

32 Source-coupled pair με φορτίο καθρέπτη ρεύματος ΤHMMY - 32

33 EC pair με φορτίο καθρέπτη ρεύματος Small signal circuit for R o ΤHMMY - 33

34 Μετατροπή differential σε single ended resistively loaded differential pairs θυμηθείτε CMRR 1 2g 2 CMRR 1 2g R m TAIL m( dp) r tail g m( dp) tail g στο πλήρες διαφορικό ζεύγος r m1 r o5 ΤHMMY - 34

35 Μετατροπή differential σε single ended actively loaded differential pairs CMRR Αν ο καθρέπτης ρεύματος είναι ιδανικός Αν η αντίσταση εξόδου των τρανζίστορ του διαφορικού ζεύγους είναι άπειρη Δεν ισχύει στην πράξη αλλά και πάλι το CMRR είναι πολύ μεγαλύτερο από την προηγούμενη περίπτωση ΤHMMY - 35

36 Καθρέπτης Cascode bipolar Η μεγάλη αντίσταση εξόδου είναι χαρακτηριστικό των καθρεπτών ρεύματος Άρα είναι φυσικό να διερευνήσουμε τη χρήση κασκοδικών τοπολογιών R r o o Όχι μεγαλύτερη από αυτή ΤHMMY - 36

37 Καθρέπτης Cascode MOS R o r gm2 gmb2 ro 1 r 1 1 o2 o Ο MOS κασκοδικός καθρέπτης μπορεί να υλοποίηση μια αυθαίρετα υψηλή αντίσταση εξόδου με μεγαλύτερο αριθμό κασκοδικών συσκευών ΤHMMY - 37

38 Καθρέπτης Cascode MOS Output characteristic Χαρακτηριστική I-V Ελάχιστη V out Μ1 στoν κορεσμό και Μ2 στην τρίοδο Μ1 και Μ2 στην τρίοδο ΤHMMY - 38

39 Αυτοπόλωση Τα προηγούμενα κυκλώματα δεν είναι πλήρως ανεξάρτητα από την τάση τροφοδοσίας αφού το ρεύμα εισόδου παρέχεται από μια αντίσταση που συνδέεται με την τροφοδοσία Λύση: συνδυασμός πηγής ρεύματος και καθρέπτη ρεύματος Κύκλωμα εκκίνησης Υψηλή ευαισθησία ως προς τη θερμοκρασία ΤHMMY - 39

40 Θερμοκρασιακά ανεξάρτητες References 1 Τάσης και ρεύματα αναφοράς με μικρή εξάρτηση από τη θερμοκρασία είναι πολύ χρήσιμα σε πολλά αναλογικά κυκλώματα. Μια που πολλές παράμετροι της τεχνολογίας μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία, αν μια αναφορά είναι ανεξάρτητη της θερμοκρασίας θα είναι και ανεξάρτητη της τεχνολογίας. Αν δύο ποσότητες με αντίθετο θερμοκρασιακό συντελεστή προστεθούν με κατάλληλη στάθμιση, η προκύπτουσα ποσότητα θεωρητικά θα έχει θεωρητικά μηδενικό θερμοκρασιακό συντελεστή. 1 πηγές τάσης αναφοράς ΤHMMY - 40

41 Θερμοκρασιακά ανεξάρτητες References Για V 1 και V 2 με αντίθετους θερμοκρασιακούς συντελεστές, οι σταθερές c 1 και c 2 μπορούν να επιλεγούν έτσι ώστε: c V T V T c2 0 Έτσι, η τάση αναφοράς V ref = c 1 V 1 +c 2 V 2 θα έχει μηδενικό θερμοκρασιακό συντελεστή. Ανάμεσα σε διάφορες συσκευές στην τεχνολογία των ημιαγωγών, τα χαρακτηριστικά του διπολικού τρανζίστορ έχουν αποδειχθεί ως οι πιο αναπαραγώγιμες και καλά καθορισμένες ποσότητες που παρέχουν συντελεστές τόσο θετικούς όσο και αρνητικούς. ΤHMMY - 41

42 Bandgap Voltage Reference Η πιο δημοφιλής τεχνική το σε Bipolar όσο και σε CMOS τεχνολογίες. Δημιουργούν μια καθορισμένη dc τάση αναφοράς που δεν αλλάζει με την θερμοκρασία. Ακυρώνει τον αρνητικό θερμοκρασιακό συντελεστή μιας επαφής PN με έναν θετικό θερμοκρασιακό συντελεστή από ένα PTAT (proportional-to-absolute-temperature) κύκλωμα. ΤHMMY - 42

43 Bandgap Voltage Reference Ο όρος με τον αρνητικό θερμοκρασιακό συντελεστή είναι η τάση ορθής πόλωσης μιας διόδου (συνήθως μιας επαφής base-emitter). Ο όρος PTAT δημιουργείται με την ενίσχυση της διαφοράς τάσης δύο ορθά πολωμένων διόδων ( επαφές base-emitter). V ref V BE K V PTAT Ακριβής ακύρωση της εξάρτησης του V ref από τη θερμοκρασία δεν είναι δυνατή λόγω των ανοχών των στοιχείων και των αποτελεσμάτων δεύτερης τάξης (όπως οι μη γραμμικότητες). ΤHMMY - 43

44 Bandgap Voltage Reference Η αρχή της bandgap voltage reference είναι να ισορροπήσει τον αρνητικό θερμοκρασιακό συντελεστή μιας επαφής pn με τον θετικό θερμοκρασιακό συντελεστή της θερμικής τάσης V t = kt/q. ΤHMMY - 44

45 Bandgap Voltage Reference Αν δύο διπολικά τρανζίστορ λειτουργούν σε διαφορετικές πυκνότητες ρεύματος, τότε η διαφορά μεταξύ των τάσεων base-emitter είναι ανάλογη στην απόλυτη θερμοκρασία. Αν δύο πανομοιότυπα τρανζίστορ (I S1 = I S2 ) πολωθούν στα ρεύματα συλλέκτη ni 0 και I 0 και τα ρεύματα βάσης είναι αμελητέα τότε: V V V BE T T V ni ln I S ln n BE1 0 1 V V T BE 2 ln I I 0 S 2 ΤHMMY - 45

46 Brokaw s Circuit , ln 2 ln , C C T BE ref C C T BE BE BE R R R R R R BE ref C C EQ EQ CQ CQ J J V R R V V J J V V V V V R R V R I R I V V V V J J A A R R V V ΤHMMY - 46

47 Current Addition (Banba et all BGR) V R I I ref ref ptat ctat Vth ln( N) Veb x1 Rref Rptat Rctat R R R ptat ctat ref R R R ΤHMMY - 47

48 ΤHMMY