Ηλεκτρονικά Στοιχεία και Κυκλώματα ΙΙ. Εισαγωγή σε Ενισχυτές

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Ηλεκτρονικά Στοιχεία και Κυκλώματα ΙΙ. Εισαγωγή σε Ενισχυτές"

Ελλεν Ελευθερόπουλος
9 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Ηλεκτρονικά Στοιχεία και Κυκλώματα ΙΙ Εισαγωγή στα Ολο. Κυκλ. Βασική Φυσική MO Ενισχυτέςενόςσταδίου Διαφορικοί Ενισχυτές Καθρέφτες Ρεύματος Απόκριση Συχνότητας Ηλεκτρικός Θόρυβος Ανατροφοδότηση Σχεδιασμός Τελεστικών Ενισχυτών (ΤΕ) Ευστάθεια και Αντιστάθμιση Κυκλώματα Αναφοράς equired Text: esign f Analg CMO ntegrated Circuits Behzad azavi Cpyrighted ages reprduced with kd perissin f The McGraw-Hill Cpanies, nc. Εισαγωγή σε Ενισχυτές Χρησιμοποιούμε ενισχυτή όταν ένα σήμα είναι αδύνατο και πρέπει να δυναμωθεί! Οι εφαρμογές είναι απεριόριστες, π.χ.:. Φορητά τηλέφωνα (κεραία, ακουστικό, μικρόφωνο). Ψηφιακούς δίσκους (C & hard disk) 3. Ιατρικές εφαρμογές (καρδιογράφημα, εγκεφαλογράφημα 4. Τηλεόραση 5. Αερόσακοι σε αυτοκίνητα

Βασική Φυσική MO Ενισχυτέςενόςσταδίου Διαφορικοί Ενισχυτές Καθρέφτες Ρεύματος Απόκριση Συχνότητας Ηλεκτρικός Θόρυβος Ανατροφοδότηση Σχεδιασμός Τελεστικών Ενισχυτών (ΤΕ) Ευστάθεια και

2 Στόχοι Ανάλυση μονοσταδιακών ενισχυτών σε χαμηλές συχνότητες Απόκτηση βάσεων για διαίσθηση του τρόπου λειτουργίας ενός κυκλώματος πριν τη μαθηματική ανάλυση Τοπολογίες ενισχυτή: κοινής πηγής, κοινής πύλης, κοινής υποδοχής Κασκωδικές τοπολογίες 3 Βασικές Αρχές Η χαρακτηριστική εισόδου-εξόδου ενός ενισχυτή είναι γενικά μη γραμμική και προσεγγίζεται με πολυώνυμο y( t) α x x x n 0 + αx( t) + α x ( t) +... α nx ( t) Το σήμα εισόδου η εξόδου μπορεί να είναι τάσης η ρεύματος 4

τοπολογίες 3 Βασικές Αρχές Η χαρακτηριστική εισόδου-εξόδου ενός ενισχυτή είναι γενικά μη γραμμική και προσεγγίζεται με

3 Ανασχηματισμός Ιδιοτήτων ενισχυτών θόρυβος γραμμικότητα Κατανάλωση ενέργειας κέρδος Εμπέδηση εισόδου / εξόδου Τάση τροφοδοσίας Ταχύτητα Διακυμάνσεις της τάσης 5 Οι Τρεις Βασικές Συνδέσεις MOFET Κοινή Πηγή Κοινή Υποδοχή Κοινή Πύλη 6 3

τροφοδοσίας Ταχύτητα Διακυμάνσεις της τάσης 5 Οι Τρεις

4 Τοπολογία Κοινής Πηγής (Cn urce) 7 Τοπολογία Κοινής Πηγής με Αντίσταση για Φορτίο Περιοχή Κορεσμού! W μ ncx L ( TH ) ( ( TH) ) Τριοδική Περιοχή W μ ncx L Βαθιά Τριοδική Περιοχή n n + W + μncx ( TH ) L 8 4

5 Τοπολογία Κοινής Πηγής με Αντίσταση για Φορτίο g μncx W L προσέξτε A v g 9 Πως Μεγιστοποιούμε το Κέρδος Τάσης σε τοπολογία Κοινής Πηγής; g μncx W L A v g Av μncx W L Αυξομειώσεις σε περιθώρια τάσεως για το σήμα και θόρυβο Αυξομειώσεις σε παρασιτικά Αυξομειώσεις σε ισχύ 0 5

g μncx W L A v g Av μncx W L Αυξομειώσεις σε περιθώρια τάσεως για το

6 Χαρακτηρίζοντας Διαμόρφωση Μήκους με Αντίσταση μnc x W L ( G TH ) ( + λ ) μnc x W L ( G TH ). λ λ r ds d λ Κέρδος με Διαμόρφωση Μήκους σε τοπολογία Κοινής Πηγής μnc x W L ( G TH ) ( + λ ) v ( r ) A g A v g r " εγγενής κέρδος " " trsic ga" 6

7 Αντιστάσεις σε Ολοκ. Κυκλ. Σε ολοκληρωμένα κυκλώματα η αντιστάσεις παίρνουν πολύ χώρο και έχουν χαμηλή αντίσταση Π.χ. Σε μια τεχνολογία 0.5μ N + 80 Ω/ (Μη γραμμική αντίσταση) P + 05 Ω/ (Μη γραμμική αντίσταση) Ply Ω/ η πιο συνηθισμένη τιμή Ply H kω/ (Δεν βρίσκεται σε φτηνές η ψηφιακές τεχνολογίες) Metal 0. Ω/ Metal 0. Ω/ Οπ όταν βρίσκουμε άλλους τρόπους για να παρέχουμε φορτίο 3 Διοδικό MO για Φορτίο x (g + gb)x + x x x g + g b r r x g + g b Μπορεί να μην συμπεριληφθεί εάν δεν υπάρχει επίδραση σώματος 4 7

σε φτηνές η ψηφιακές τεχνολογίες) Metal 0. Ω/ Metal 0.

8 Τοπολογία Κοινής Πηγής με Διοδικό MO για Φορτίο (ns) Av g g + gb g g +η g b /g A v μ C n μ C n x x ( W / L) ( W / L) + η η<0. Av ( W / L) ( W / L) +η Το κέρδος είναι ανεξάρτητο από το ρεύμα πόλωσης! 5 Τοπολογία Κοινής Πηγής με Διοδικό MO για Φορτίο (ps) A v g g + g b g g Av μ C n μ C p x x ( W / L) ( W / L) bs 0 A v μn ( W / L) μp ( W / L) Το κέρδος είναι ανεξάρτητο από το ρεύμα πόλωσης! 6 8

5 Τοπολογία Κοινής Πηγής με Διοδικό MO για Φορτίο (ps) A v g g + g b g g Av μ C n μ C p x x ( W /

9 Προβλήματα με Διοδικό MO για φορτίο Για ψηλό κέρδος χρειάζεται δυσανάλογο W/L Χρειάζεται μεγάλο G! >Μειωμένα περιθώρια για διακύμανση τάσης στην έξοδο ( - G ) W W μ μn ( G TH) p ( G TH) L L A v μn ( W / L) μp ( W / L) G G TH TH 7 Τοπολογία Κοινής Πηγής με Πηγή Ρεύματος για Φορτίο (ps) Και το δυο στοιχεία είναι κορεσμένα A v g r r Assug r large, A v g r μ n C x r λ W L λ 8 9

>Μειωμένα περιθώρια για διακύμανση τάσης στην έξοδο ( - G ) W W μ μn ( G TH) p ( G TH) L L A

10 Τοπολογία Κοινής Πηγής με φορτίο MOFET σε Τριοδική Περιοχή A v g ON ON μnc W x L ( b THP ) 9 Αλλαγή σε Διαγωγιμότητα με Αντίσταση Εκφυλισμού (egeneratin resistr) G f G G G g G f G G f ( G ) g G + g G g G Όταν >> /g G / και έτσι γραμμικοποιήται σε βάρος του κέρδους και θορύβου 0 0

Εκφυλισμού (egeneratin resistr) G f G G G g G f G G f ( G ) g G + g G

11 Τοπολογία Κοινής Πηγής με Αντίσταση Εκφυλισμού (egeneratin resistr) g G + g A v G A v g + g Αλλαγή σε διαγωγιμότητα με Αντίσταση Εκφυλισμού με Επίδραση Σώματος και r g g b X r X g( ) gb( ) r G gr + [ + ( g + g b ) ] r r g + [ + ( g + gb) ]

Αντίσταση Εκφυλισμού με Επίδραση Σώματος και r g g b X r X

12 Αλλαγή σε διαγωγιμότητα με Αντίσταση Εκφυλισμού (egeneratin resistr) Μικρό s G r g + [ + ( g + gb) ] Μεγάλο s g μnc x W L ( G TH) 3 Υπολογίζοντας το Κέρδος Τάσης σε Τοπολογία Κοινής Πηγής με Αντίσταση Εκφυλισμού Με Επιθεώρηση A v g + g / g + Απλοποιείται η διαδικασία ανάλυσης με την τεχνική αυτή! 4

Κέρδος Τάσης σε Τοπολογία Κοινής Πηγής με Αντίσταση Εκφυλισμού Με

13 Παράδειγμα () Με λγ0, βρείτε το μικρού σήματος κέρδος τάσης A v / g + / g 5 Αντίσταση εξόδου - Κοινής Πηγής με Αντίσταση Εκφυλισμού (egeneratin resistr) X s r X X ( g gb) + ( g + + g b ) s X X X s + r [ X + ( g + gb) s X ] OUT [ + ( g [ + ( g [ + ( g + g + g b b + g ) ] r b ) r ] + + r ) ] r << (g + g ) r b 6 3

X s r X X ( g gb) + ( g + + g b ) s X X X s + r [ X + ( g + gb) s X ] OUT [ +

14 Λήμμα Σε γραμμικό κύκλωμα, το κέρδος τάσης είναι A G, που το G καθιστά τη διαγωγιμότητα όταν η έξοδος είναι γειωμένη, και το η αντίσταση όταν η είσοδος είναι μηδενισμένη 7 Παράδειγμα () Η Ι ο είναι ιδεώδης πηγή ρεύματος. Υπολογίστε το κέρδος τάσης! G r g + [ + ( g + gb) ] [ + ( g + g ) r ] + r OUT b A v G OUT g + [ + ( g r + g b ) ] r { [ + ( g + g ) r ] + r } b 8 4

Παράδειγμα () Η Ι ο είναι ιδεώδης πηγή ρεύματος. Υπολογίστε το κέρδος τάσης!

15 Τοπολογία Κοινής Υποδοχής (Ακολουθητής Πηγής ή Cn ra ή urce Fllwer) 9 Γιατί Χρειάζεται άλλη Τοπολογία; Με μετατροπή Theven OUT + - A + - Lad Lad Lad A Lad Lad + OUT Χρειαζόμαστε τοπολογία με χαμηλή αντίσταση εξόδου για φορτία χαμηλής αντίστασης!! 30 5

OUT + - A + - Lad Lad Lad A Lad Lad + OUT Χρειαζόμαστε

16 Τοπολογία Κοινής Υποδοχής Τι είναι το κέρδος τάσης; μnc x μ nc W L x W L ( TH ) TH ( TH ) ( g η ) b g η 3 Από ον Κεφαλαίο σελ 35 TH B TH TH η. B η η. B η. 3 6

17 Τοπολογία Κοινής Υποδοχής g μ nc x W L TH ( TH ) W μ nc x ( TH ) L W + μ nc x ( TH ) ( + η ) L η A v g + ( g + g b ) ( g η ) b g Μικρό g 33 Παράδειγμα Τοπολογία Κοινής Υποδοχής με πηγή ρεύματος (4) (W/L) 0/5, 00μA, TH0 0.6, Φ F 0.7, μ n C x 50μA/, γ0.4 Βρείτε a) όταν. b) Το πιο μικρό (W/L) που χρειάζεται ( )?? TH W μncx L για να παραμένει κορεσμένο το M TH TH 0 + γ ( ΦF + B ΦF ) Υποθέσετε TH τοτε TH Καιέτσιβρίσκουμεότι

6, Φ F 0.7, μ n C x 50μA/, γ0.4 Βρείτε a) όταν. b) Το πιο μικρό (W/L) που χρειάζεται ( )?

18 Παράδειγμα Τοπολογία Κοινής Υποδοχής με πηγή ρεύματος 0.9 Για κορεσμό ds ( gs - TH ) TH 0.6 γιατί bs 0? ( ) b TH 0.9 (ax) W μ C? n x L (W/L) 83/0.5 Θα μπορούσε να μειωθεί το b γιαναμειωθούνηδιαστάσειςτουμ 35 Αντίσταση Εξόδου Κοινής Υποδοχής - X X -g X -g b X 0 g + g b 36 8

19 Κέρδος Τάσης Κοινής Υποδοχής Πολωμένο με Πηγή Ρεύματος Έχει κέρδος g Av + ( g + g b ) Και αφού μια ιδανική πηγή ρεύματος έχει απεριόριστη αντίσταση εξόδου A v g ( g + g ) b 37 Παράδειγμα (5) ) Εάν ο πυκνωτής C γειώνει τα μικρά σήματα στις συχνότητες που ενδιαφέρουν, τι είναι το κέρδος τάσης και ποία είναι η μέγιστη τάση πόλωσης του ; A g [ r r (/ g )] + (ax) G TH 38 9

Παράδειγμα (5) ) Εάν ο πυκνωτής C γειώνει τα μικρά σήματα στις συχνότητες που ενδιαφέρουν,

20 Παράδειγμα (5) ) Γιαναμπορείητάσηπόλωσηςτου να πλησιάζει αυτή της τροφοδότησης προσθέτουμε το M3 και. Τι σχέση μεταξύ M & M3 εγγυάται ότι το Μ είναι κορεσμένο; Εάν dd τότε X dd - gs3 Για κορεσμό του Μ, ds gs - TH X - TH Επομένως dd - gs dd - gs3 - TH gs gs3 + TH 39 Τοπολογία Κοινής Πύλης (Cn Gate tage) 40 0

Τι σχέση μεταξύ M & M3 εγγυάται ότι το Μ είναι κορεσμένο; Εάν dd τότε X dd -

21 Τοπολογία Κοινής Πύλης (Cn Gate tage) Κορεσμένο Σβηστό μnc x W L ( b TH ) Τριοδική περιοχή A μ C W TH ( ) n x b TH L A g + η ( ) η 4 Αντίσταση Εισόδου Κοινής Πύλης (Cn Gate tage nput esistance) g + g b g ( +η) 4

22 Κοινή Πύλη ως Απομονωτής Φορτίου g ( +η) Δ g Δ. Δ g Δ X g μncx W L Για μεγιστοποίηση της μετάδοσης του σήματος η αντίσταση τερματισμού πρέπει να είναι όμοια με αυτή του καλωδίου Για μεγάλο κέρδος αυξάνουμε το Χρειαζόμαστε απομονωτή φορτίου, δηλαδή τοπολογία CG) 43 Τοπολογία Κοινής Πύλης με μη-ιδεώδης είσοδο και με πεπερασμένη αντίσταση εξόδου Πηγή σήματος r ( g gb) ( g + gb) r + r + ( g + g ) r + b +. Διαβάστε παράδειγμα 3., σελ

23 Πως Επηρεάζει το Φορτίο την Αντίσταση Εισόδου με Πεπερασμένη Αντίσταση Εξόδου; X X + r [ X ( g + gb) X ] X X + r + + ( g + gb) r ( g + gb) r ( g + gb) Η αντίσταση φαίνεται πιο μικρή κατά ( g + g ) r b 45 Αντίσταση Εξόδου Κοινής Πύλης Η τοπολογία είναι πανομοιότυπη με αυτή της κοινής πηγής (σελ. 64 ή διαφ. 5) OUT {[ + ( g + gb) r ] + r } 46 3

24 Πίνακας Χαρακτηριστικών των Ενισχυτών Ενός Σταδίου Κοινή Πηγή Κοινή Υποδοχή Κοινή Πύλη Α ψηλό ( r ) A g v μοναδιαίο g Av g + g ( b) ψηλό ( g + gb)( r ) A άπειρο άπειρο μοναδιαίο άπειρο άπειρο χαμηλό g + g b Ψηλό r χαμηλό g + g b ψηλό r 47 Κασκωδικό Στάδιο Το σήμα εισόδου της τοπολογίας κοινής πύλης μπορεί να είναι ρεύμα. Το σήμα εισόδου της τοπολογίας κοινής πηγής είναι τάση, ενώ η έξοδος μπορεί να είναι ρεύμα. Ο συνδυασμός των δυο αυτών σταδίων ονομάζεται «Κασκωδικό Στάδιο» Φορτίο C CG Κασκωδικό στοιχείο Στοιχείο εισόδου 48 4

25 Πόλωση Κασκωδικού Σταδίου Τι συνθήκες επικρατούν για κορεσμό του Μ & Μ; Οι διακυμάνσεις της τάσεως μειώνονται με αυτή την τοπολογία!! 49 Μικρά σήματα σε Κασκωδικό Στάδιο Καιταδυοστοιχείαείναικορεσμένα Όλο το ρεύμα του Μ περνά μέσον του Μ 50 5

26 Παράδειγμα (6) Βρείτε το κέρδος της τάσης (λ0) με την παρασιτική αντίσταση P ( g + g g b ) T. ( g + g P b + ) P T T. + ( g + gb) P A g. ( g gb) + + P 5 Ιδιότητα υψηλής αντίστασης εξόδου Μπορούμε να δούμε το Μ σαν αντίσταση εκφυλισμού για σκοπούς υπολογισμού + [ + ( g + gb) r ] r r + [( g gb) r ] r Αυξάνει τη αντίσταση εξόδου του Μ κατά το κέρδος τάσεως της τοπολογίας κοινής πύλης!!!! 5 6

27 Κέρδος τάσης κοινής πηγής με κασκωδικό στάδιο A g.[( g + gb) r ] r Αυξάνοντας την αντίσταση εξόδου, αυξάνουμε και το κέρδος τάσεως αναλόγως!!!! A v ( gr ) ( εγγενής κέρδος ) 53 Ποία τεχνική είναι πιο αποτελεσματική: Κασκωδική ή αύξηση του μήκους; μnc x W 4L ( ( )) G TH Αλλάζουμε το μήκος του τρανζίστορ ώστε να έχουμε τα ίδια περιθώρια κορεσμού με τη κασκωδική τοπολογία! Συγκρίνουμε την αντίσταση εξόδου, διαγωγιμότητα και κέρδος τάσης! λ / L r ( b) 4r ( ) ( a) r ( c) gr. r ( a ) W g ( b) C g g g μ n x ( a) ( c) ( a) 4L λ A A ( b) gr A ( a) ( b). A ( a) 54 7

28 Χρήση Κασκωδικής Τοπολογίας για πηγή ρεύματος με ψηλή αντίσταση εξόδου A g [( g r r ) ( g r r )] Προστατευτική Ιδιότητα () μnc x μnc W L ( ) ( λ λ ) G TH W x G TH L ( ) λ( Δ ) 56 8

29 Προστατευτική Ιδιότητα Δ PQ Δ Διαιρετής Τάσης r [ + ( g3 + gb3) r 3] r + r 3 Δ ( g3 + gb3) r 3 Κασκωδική αντίσταση εξόδου μnc x W L ( ) G TH ( g λ( Δ ) + g ) r 3 b Διπλωμένη Κασκωδική Τοπολογία g {[( g g ) r ] r } A g. + b Εάν η πηγή Ι δεν είναι ιδανική τότε η αντίσταση εξόδου είναι πιο χαμηλή από την κανονική κασκωδική τοπολογία 58 9

30 Διπλωμένη Κασκωδική Τοπολογία 59 Επιλογή των Μοντέλων!! Χωρίστε το κύκλωμα σε γνωστές τοπολογίες Χρησιμοποιήσετε τα πιο απλά μοντέλα αρχικά! Εάν η υποδοχή ειναι προσδεμένη σε ψηλή αντίσταση δηλαδή σε άλλη υποδοχή τρανζίστορ τότε προσθέστε τη αντίσταση r στο μοντέλο Τότε θα πρέπει να είναι εύκολο να δείτε τις βασικές ιδιότητες του συνόλου Προσθέστε τη «επίδραση σώματος» για πιο ακριβείς ανάλυση όταν το σώμα δεν βρίσκεται στην ίδια τάση με την πηγή του στοιχείου! 60 30

Σχετικά έγγραφα

Ηλεκτρονικά Στοιχεία και Κυκλώματα ΙΙ. Ανασκόπηση Κεφαλαίου

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