Ηλεκτρονικά Στοιχεία και Κυκλώματα ΙΙ. Ανασκόπηση Κεφαλαίου

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: esig of Aalog OS tegrated Circuits Behzad Razavi Copyrighted ages reproduced with kid perissio of The McGraw-Hill Copaies, c. Ανασκόπηση Κεφαλαίου Αναθεώρηση απλής και διαφορικής λειτουργίας Περιγραφή και ανάλυση του διαφορικού ζευγαριού Εισαγωγή στο «Λόγο Απόρριψης Κοινού Σήματος» Μελέτη διαφορικών ζευγών με διάφορα φορτία

2 Απλή και Διαφορική Λειτουργία (Sigle eded ad ifferetial Operatio Στη απλή λειτουργία το σήμα μετριέται σε σχέση με μία σταθερή τάση π.χ. με γείωση Στη διαφορική λειτουργία το σήμα ορίζεται ως η τάση (ή ρεύμα μεταξύ δυο σημείων που έχουν ίσες αλλά αντίθετες παρεκτροπές από μια κοινή τάση (ή ρεύμα 3 Πλεονέκτημα Διαφορικής Λειτουργίας Ανοσία σε Θορυβώδης Γειτονικά Σήματα! Χρονιστής 4

3 Πλεονέκτημα Διαφορικής Λειτουργίας Ανοσία Σε Θορυβώδης Τροφοδοσία & Μεγαλύτερο Σήμα dd > out >( gs - T [ dd > out >( gs - T ] Εκ πρώτης όψης φαίνεται ότι παίρνει τον διπλάσιο χώρο αλλά λόγω της ανοχής στον θόρυβο δεν χρειάζονται μεγάλες ζώνες μόνωσης θορύβου (Guard rigs 5 Το Διαφορικό Ζευγάρι Αλλαγή στο κοινό επίπεδο του σήματος εισόδου ( σημαίνει αλλαγή πόλωσης Όταν δεν υπάρχει διαφορικό σήμα / (ανεξάρτητα από το επίπεδο της κοινής τάσης εισόδου g μc 6 3

4 Ποιοτικά Χαρακτηριστικά του Διαφορικού Ζευγαριού Η τάση εξόδου είναι ανεξάρτητη από το κοινό σήμα εισόδου Το κέρδος μικρού σήματος είναι μέγιστο όταν το διαφορικό σήμα εισόδου είναι μικρό! Η γραμμικότητα ισχύει μόνο εντός κάποιων ορίων Όταν i i λέμε ότι το κυκλωμα βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας 7 Χαρακτηριστικά Κοινού Σήματος του Διαφορικού Ζευγαριού GS 3 TH 3 + GS i i R + TH, (, 8 4

5 Περίπου Πως Αλλάζει Το Διαφορικό Κέρδος των Μικρών Σημάτων; Μ 3 σε περιοχή τριοδική Μ,,3 σε περιοχή κορεσμού Μ,,3 σε περιοχή τριοδική 9 Τι Περιορισμοί Υπάρχουν Στο Σήμα Εξόδου; Το i, παίρνει την πιο χαμηλή τιμή που κρατά την πηγή ρεύματος κορεσμένη για να μεγιστοποιήσει την επιτρεπτή διακύμανση εξόδου (Εάν το προηγούμενο στάδιο δεν έχει επιπρόσθετους περιορισμούς 0 5

6 Ποσοτική Ανάλυση του Διαφορικού Ζεύγους ( out R out R Εάν R R R out out R ( ( GS TH λ0 & S S P μc i i GS GS μ C GS + TH i i μ C μ C Ποσοτική Ανάλυση του Διαφορικού Ζεύγους ( i i μ C μ C ( i i μ C μ C + μ C C μ μc μ C μ C [( + ] [ ] ( i i 6

7 Ποσοτική Ανάλυση του Διαφορικού Ζεύγους (3 4 μc ( i i 4 ( μc ( i i μc ( i i + 4 όμως... 4 ( + ( Ι ( Τετραγωνίζουμε τις δυο μεριές Αντικατάσταση του ( μc ( i i μc ( i i + ( μc ( ( i i 4 μ C i i Συγυρίζουμε και παίρνουμε την τετραγωνική ρίζα στις δυο μεριές 3 Ποσοτική Ανάλυση του Διαφορικού Ζεύγους (4 μc ( ( i i 4 μ C i i Περιττή Συνάρτηση (Odd fuctio Όταν η είσοδος είναι 0 τότε είναι και η έξοδος 0 Σε μικρές αυξήσεις του i - i ο δεύτερος όρος είναι πολύ μικρός σε σχέση με τον πρώτο και έτσι αυξάνεται και το - 4 ( Θεωρητικά για τιμές όπου i i μc, - 0 αλλά αυτό δεν στέκει γιατί το ένα από τα τρανζίστορ δεν θα είναι κορεσμένο 4 7

8 Η Διαγωγιμότητα του Διαφορικού Ζεύγους ( Δ μc 4 ( ( i i i i μ C Δ i i i G Δ Δ i μ C 4 μ C 4 μ C Δ / Δ / i i Κοντά στο Δ i 0 G ax μ C A G R μ C. R 5 Η Διαγωγιμότητα του Διαφορικού Ζεύγους ( G Δ Δ i μ C 4 Δ μ C / 4 Δ μ C / i i G 0 Δ /( μ C / i G ax μ C / Δ i G -ax Δ i G -ax 6 8

9 Η Διαγωγιμότητα Μικρού Σήματος Σε Διαφορικό Ενισχυτή G ax μ C Πρέπει να ισχύει για μικρά σήματα M, G μ ax g C M, Δηλαδή όπως αυτή σε τοπολογία κοινής πηγής 7 Απόδειξη Με Θεώρημα Υπέρθεσης ( (Proof by Superpositio A vx X i R / g + R S (Κοινή πηγή με αντίσταση εκφυλισμού R / g + / g 8 9

10 Απόδειξη Με Θεώρημα Υπέρθεσης ( (Proof by Superpositio Αφού είναι σταθερό τότε: Δ Υ -Δ Χ R X i / g + / g R Y i / g + / g Από Συμμετρία X X Y λόγω i Y λόγω i R / g g + / R / g ( X i + / Y συνολικό i g g i i R g R i g R i + 9 Απόδειξη Με Μέθοδο «Μισού Κυκλώματος» Λήμμα: Σε ένα συμμετρικό κύκλωμα όπου και αποτελούν στοιχεία με τρεις ακροδέκτες, εάν η τάση i αλλάξει από 0 σε 0 +Δv i και η τάση i αλλάξει από 0 σε 0 - Δv i, τότε η τάση P μένει σταθερή (Με την προϋπόθεση ότι το κύκλωμα μένει γραμμικό Απόδειξη: Δείτε σελ. 4 Μέθοδος Α T + g +g Μέθοδος Β Με το Θεώρημα του Thevei 0 0

11 Παράδειγμα Με Μέθοδο «Μισού Κυκλώματος» Βρείτε το διαφορικό κέρδος με λ 0 X -g (R r o. i Y -g (R r o. (- i Εάν r o r o r o ( X - Y / i -g (R r o Απόκριση Κοινού Σήματος Σε Διαφορικό Ενισχυτή (Coo ode respose Στη πραγματικότητα: Τα τρανζίστορς στο διαφορικό ζευγάρι δεν είναι τέλεια συνταιριασμένα Η αντιστάσεις του φορτίου δεν είναι τέλεια συνταιριασμένες Η πηγή ρεύματος δεν είναι ιδανική

12 Απόκριση Κοινού Σήματος Λόγο Μη-ιδανικής Πηγής Από πεπερασμένη αντίσταση εξόδου MOSFET A v, out i, R /(g / + R gr + g R Όταν Rss A v, 0 3 Παράδειγμα R (/, 5/0.5, μ C 50μΑ/, TH 0.6, λγ0, 3 α Τι κοινό σήμα εισόδου δίνει 0.5 δια του R ; β Βρείτε τι τιμή του R δίνει κέρδος τάσης 5 γ Τι γίνεται στη έξοδο όταν το κοινό επίπεδο τάσης εισόδου αυξηθεί κατά 50 πέραν αυτού στο α; Λύση α 0. 5A GS GS + TH.3 μc i, GS Η τιμή του R είναι 0.5/500Ω 4

13 Παράδειγμα R (/, 5/0.5, μ C 50μΑ/, TH 0.6, λγ0, 3 α Τι κοινό σήμα εισόδου δίνει 0.5 δια του R ; β Βρείτε τι τιμή του R δίνει κέρδος τάσης 5 γ Τι γίνεται στη έξοδο όταν το κοινό επίπεδο τάσης εισόδου αυξηθεί κατά 50 πέραν αυτού στο α; Λύση β g μ C ( / / 63Ω Av g R R 5 / g 3. 6kΩ Ελέγχουμε ότι η βασική υπόθεση που κάναμε, ότι το Μ και Μ είναι κορεσμένα, στέκει! S GS T ( k Και έχουμε περιθώριο 90!! 5 Παράδειγμα R (/, 5/0.5, μ C 50μΑ/, TH 0.6, λγ0, 3 α Τι κοινό σήμα εισόδου δίνει 0.5 δια του R ; β Βρείτε τι τιμή του R δίνει κέρδος τάσης 5 γ Τι γίνεται στη έξοδο όταν το κοινό επίπεδο τάσης εισόδου αυξηθεί κατά 50 πέραν αυτού στο α; Λύση γ Δ i, 50 g / 63Ω R R 3. 6kΩ 500Ω R / Δout Δi, 96 /(g + R Το περιθώριο κορεσμού ακόμα στέκει, αν και μειωμένο κατά 50+96! 6 3

14 Απόκριση Κοινού Σήματος Λόγο Μηιδανικής Πηγής και Ατελείς Συνταίριασμα Στο Φορτίο Δ Δ X i, Δ Δ Y i, gr + g R g( R + ΔR + g R Ένα θορυβώδης κοινό σήμα εισόδου μετατρέπεται σε διαφορικό σήμα εξόδου μέσο του ατελής φορτίου 7 Απόκριση Κοινού Σήματος Λόγο Μηιδανικής Πηγής με Παρασιτική Χωρητικότητα Αναλόγως της συχνότητας του κοινού σήματος, αλλάζει η εμπέδηση της πηγής ρεύματος. Έτσι το κοινό σήμα διαπερνά πιο εύκολα στη έξοδο στις πιο ψηλές συχνότητες A v, out i, gr + g Z 8 4

15 Απόκριση Κοινού Σήματος Λόγο Ατελείς Συνταίριασμα Του Διαφορικού Ζεύγους( g ( i, g( i, P P P R [( g + g( i, P ] R ( g + g R P i, ( g + g R + Συγυρίζουμε για P στη αριστερή πλευρά 9 Απόκριση Κοινού Σήματος Λόγο Ατελείς Συνταίριασμα Του Διαφορικού Ζεύγους( ( g + g R P i, ( g + g R + X g ( i, P R R. i, ( g + g R + Y g ( i, P R R. i, ( g + g R + g g 30 5

16 Απόκριση Κοινού Σήματος Λόγο Ατελείς Συνταίριασμα Του Διαφορικού Ζεύγους A M g X Y i ( g g, + R + g R A -M Coo ode to ifferetial ode Gai Κέρδος από Κοινό σε Διαφορικό Σήμα 3 Λόγο Απόρριψης Κοινού Σήματος Για να μπορούμε να συγκρίνουμε την ακρίβεια και ευρωστία μεταξύ των διαφορικών κυκλωμάτων χρειάζεται απτός βαθμός ποιότητας RR A A M M Διαφορικό Κέρδος RR Κερδος απο Κοινό Σε Διαφορικό Σήμα 3 6

17 Διαφορικό Ζεύγος Με Φορτίο ΜΟS ( A v g N ( g P r on r op A g v N ( ron rop A v g g N P 33 Διαφορικό Ζεύγος Με Φορτίο ΜΟS ( Με δίοδο ως φορτίο έχουμε μειωμένα περιθώρια διακύμανσης για την τάση εξόδου. Με τα Μ5 & Μ6, αυξάνουμε τα περιθώρια τάσης, και το κέρδος τάσης συνολικά ro g μ C ( / GS + μ C TH 34 7

18 Διαφορικό Ζεύγος Με Φορτίο ΜΟS (3 Αυξάνουμε το κέρδος τάσης με κασκωδικό φορτίο A g [( g 3ro 3ro ( g 5ro 5ro 7 ] 35 8