ΧΕΔΙΑΗ ΣΕΛΕΣΙΚΩΝ ΕΝΙΧΤΣΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΣΙΖΟΜΕΝΗ ΚΑΣΑΝΑΛΩΗ ΚΑΙ ΡΤΘΜΙΗ ΣΟΤ ΠΕΡΙΘΩΡΙΟΤ ΦΑΗ ΣΟΤ ΔΙΠΛΩΜΑΣΙΚΗ ΕΡΓΑΙΑ ΒΑΙΛΕΙΟ ΑΛΙΜΗΗ Α.Μ.

Transcript

1 UNIVERSITY OF PATRAS DEPARTMENT OF PHYSICS ELECTRONICS LABORATORY ΧΕΔΙΑΗ ΣΕΛΕΣΙΚΩΝ ΕΝΙΧΤΣΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΣΙΖΟΜΕΝΗ ΚΑΣΑΝΑΛΩΗ ΚΑΙ ΡΤΘΜΙΗ ΣΟΤ ΠΕΡΙΘΩΡΙΟΤ ΦΑΗ ΣΟΤ ΔΙΠΛΩΜΑΣΙΚΗ ΕΡΓΑΙΑ ΒΑΙΛΕΙΟ ΑΛΙΜΗΗ Α.Μ.(5717) ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΣΗ: ΠΤΡΙΔΩΝ ΒΛΑΗ

2 2

3 Ευχαριςτίεσ: Η παροφςα Διπλωματικι Εργαςία πραγματοποιικθκε κατά το ακαδθμαϊκό ζτοσ ςτα πλαίςια τθσ κατεφκυνςθσ τθσ Ηλεκτρονικισ του Σμιματοσ Φυςικισ Πανεπιςτθμίου Πατρϊν.Γενικά το διάςτθμα των προπτυχιακϊν μου ςπουδϊν και ειδικότερα το διάςτθμα που εντάχκθκα ςτθν κατεφκυνςθ τθσ Ηλεκτρονικισ ιταν μια ςθμαντικι εμπειρία για εμζνα και κα ικελα να ευχαριςτιςω όλουσ τουσ ανκρϊπουσ που ςυνετζλεςαν ςε αυτι τθν διαδρομι. Αρχικά, ζνα ςθμαντικό κομμάτι τθσ πορείασ μου οφείλεται ςτθν οικογζνεια μου που χωρίσ εκείνουσ δεν κα ιμουν ςε κζςθ να ακολουκιςω τα ονειρά μου και τισ προςδοκίεσ μου.επίςθσ χωρίσ τθν ςυμπαραςταςι τουσ αλλά και τθν εμπιςτοςφνθ τουσ δεν κα ιμουν ςε κζςθ να ολοκλθρϊςω τισ ςπουδζσ μου. Επιπρόςκετα, κα ικελα να ευχαριςτιςω τον Αναπλθρωτι Κακθγθτι κ. πυρίδων Βλάςςθ για τθν εμπιςτοςφνθ που ζδειξε ςτο πρόςωπό μου και τθν ςθμαντικι βοικεια και ςυμπαράςταςθ που μου προςζφερε ςε ςυνδυαςμό με τισ πολφτιμεσ γνϊςεισ που μου μετζδωςε ςε όλθ τθ διάρκεια τθσ ςυνεργαςίασ μασ. Επίςθσ κα ικελα να παρακζςω ζνα μεγάλο ευχαριςτϊ ςε όλουσ τουσ κακθγθτζσ του τομζα ςτον κακζνα ξεχωριςτά για τθν βοικεια που μου προςζφεραν και τισ γνϊςεισ που μου μετζδωςαν.ευχαριςτϊ τον Κ. Κωςταντίνο Ψυχαλίνο ο οποίοσ μαηί με τον Κ. πυρίδων Βλάςςθ μου ζδωςαν το ερζκιςμα για να κατανοιςω και να αγαπιςω τθν θλεκτρονικι και τα αναλογικά ολοκλρθρωμζνα θλεκτρονικά.ευχαριςτϊ τον Κ.Δθμιτρθ Μπακάλθ που με βοικθςε να κατανοιςω τθν ανάγκθ και τθ χρθςιμότθτα των ψθφιακϊν θλεκτρονικϊν και τθσ αρχιτεκτονικισ μικρουπολογιςτϊν.ευχαριςτϊ τον Κ.πυρίδων Φωτόπουλο που με βοικθςε να κατανοιςω τθν ανάγκθ εκμάκθςθσ κεωρίασ κυκλωμάτων και επεξεργαςίασ ςθμάτων για ζναν φοιτθτι του τομζα Ηλεκτρονικισ.Ευχαριςτϊ τον Κ.Γεϊργιο Οικονόμου για τθν εκμάκθςθ τθλεπικοινωνιϊν και τθν πρϊτθ επαφι με το Matlab.Δεν κα παραλείψω τθν ςυνειςφορά του Κ.Βαςίλειου Αναςταςόπουλου για τθν διατιρθςθ του τομζα ςε υψθλά επίπεδα. Σζλοσ, κζλω να ευχαριςτιςω όλουσ όςουσ με βοικθςαν με το τρόπο τουσ να εκπλθρϊςω το ςτόχο μου,τόςο τουσ φίλουσ και τα κοντινά μου άτομα,όςο και τουσ ςυμφοιτθτζσ μου για το ευχάριςτο και δθμιουργικό κλίμα που επικράτθςε ςε όλο το χρονικό διάςτθμα των ςπουδϊν μου.επίςθσ ζνα μεγάλο ευχαριςτϊ και ςε όλουσ τουσ μεταπτυχιακοφσ και υποψιφιουσ διδάκτορεσ τθσ κατεφκυνςθσ που μου ςτάκθκαν και με βοικθςαν με τισ όποιεσ απορίεσ εμφανίςτθκαν για τθν πραγματοποίθςθ τόςο τθσ τρζχουςασ εργαςίασ όςο και των υπόλοιπων υποχρεϊςεων τθσ κατεφκυνςθσ. Βαςίλειοσ Αλιμιςθσ Πάτρα Απρίλιοσ

4 Περιεχόμενα: Κεφάλαιο 1: Μελζτθ ςυςτιματοσ προγραμματιηόμενθσ λογικισ 1.1 Αρχι λειτουργίασ ςυςτιματοσ-μια πρϊτθ επαφι Ανάγκθ ρφκμιςθσ περικωρίου φάςθσ ενιςχυτι 7 Κεφάλαιο 2 :υνοπτικι περιγραφι και ανάλυςθ δομικϊν βακμίδων τελεςτικοφ ενιςχυτι 2.1 Μελζτθ ενιςχυτι κοινισ πθγισ Μελζτθ ακόλουκου πθγισ Μελζτθ διαφορικοφ ενιςχυτι Περιγραφι λειτουργίασ του κακρζπτθ ρεφματοσ φνκεςθ των βακμίδων και ςχεδίαςθ τελεςτικοφ ενιςχυτι Γενικά χαρακτθριςτικά ςχεδίαςθσ τελεςτικοφ ενιςχυτι 42 Κεφάλαιο 3: χεδίαςθ τελεςτικϊν ενιςχυτϊν ανάλογα με τθν τάςθ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου και εξόδου 3.1 Ειςαγωγι Μελζτθ περίπτωςθσ χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου Μελζτθ περίπτωςθσ υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου Μελζτθ περίπτωςθσ χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου Μελζτθ περίπτωςθσ υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου..77 Κεφάλαιο 4: Ανάλυςθ και ςχεδίαςθ τοπολογίασ προγραμματιηόμενου ρυκμιςτι ρεφματοσ 4.1 Λόγοι χριςθσ τθσ τοπολογίασ και αρχι λειτουργίασ Διαδικαςία καταςκευισ του ψθφιακοφ ρυκμιςτι Ανάλυςθ τθσ μεκόδου καταςκευισ και χριςθ πινάκων Karnaugh χεδίαςθ προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ Προςομοιϊςεισ και μελζτθ λειτουργίασ Αλλεσ τοπολογίεσ κακρεπτϊν.102 Κεφάλαιο 5: Ρφκμιςθ περικωρίου φάςθσ ενιςχυτι με χριςθ προγραμματιηόμενου ρυκμιςτι αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ 5.1 Λόγοι χριςθσ τθσ ςυγκεκριμζνθσ τοπολογίασ και αρχι λειτουργίασ Διαδικαςία καταςκευισ τθσ ςυγκεκριμζνθσ τοπολογίασ Ανάλυςθ τθσ μεκόδου καταςκευισ και χριςθ χαρτϊν Karnaugh Προςομοιϊςεισ και μελζτθ λειτουργίασ όλθσ τθσ τοπολογίασ προγραμματιηόμενθσ λογικισ φνοψθ και προτάςεισ για μελλοντικι ζρευνα Αναφορζσ

5 Περίλθψθ: Η παροφςα Διπλωματικι Εργαςία εςτίαςε το ενδιαφζρον τθσ ςτθν διερεφνθςθ αναλογικϊν ολοκλθρωμζνων κυκλωμάτων που είναι κατάλλθλα για τθν επεξεργαςία ςθμάτων και ρυκμίςτθκε το περικϊριο φάςθσ τουσ.αναλυτικά, μελετικθκαν και ςχεδιάςτθκαν τελεςτικοί ενιςχυτζσ και ρυκμίςτθκαν όλα τα χαρακτθριςτικά ςχεδίαςθσ τουσ. Αρχικά, περιγράφθκαν και αναλφκθκαν όλεσ οι δομικζσ βακμίδεσ ενόσ τελεςτικοφ ενιςχυτι.επίςθσ πραγματοποιικθκε μια λεπτομερι ανάλυςθ για τθν ςχεδίαςθ των ςυγκρεκριμζνων ολοκλθρωμζνων κυκλωμάτων ςε περιβάλλον χαμθλισ τάςθσ τροφοδοςίασ το οποίο ιςοδυναμεί και ςε μειωμζνθ κατανάλωςθ ιςχφοσ.επίςθσ πραγματοποιείται μια λεπτομερι μελζτθ τθσ ςχεδίαςθσ των τελεςτικϊν ενιςχυτϊν ανάλογα με τθν τάςθ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου-εξόδου. Επίςθσ αναλφκθκε και ςχεδιάςτθκε θ τοπολογία προγραμματιηόμενου ρυκμιςτι ρεφματοσ.καταφζραμε να καταςκευάςουμε ζνα εξωτερικό κφκλωμα που ρυκμίηει το ρεφμα πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ανάλογα με τθν τιμι ενόσ 3-bit αρικμοφ.εκτόσ από τθν τοπολογία που χρθςιμοποιιςαμε ςτο τελικό κφκλωμα, αναλφςαμε και τθν ςχεδίαςθ και άλλων τοπολογιϊν κακρεπτϊν ρεφματοσ για πιο ολοκλθρωμζνθ μελζτθ. Για να ρυκμίςουμε το περικϊριο φάςθσ ζπρεπε ανάλογα με τθν τιμι του ρεφματοσ να υφίςταται και ςυγκεκριμζνθ τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ αφοφ εκείνθ εξαρτάται άμεςθ από το ςυντελεςτι διαγωγιμότθτασ του τρανηίςτορ εξόδου ο οποίοσ άλλαηε με τθν αλλαγι του ρεφματοσ πόλωςθσ.γι αυτό το λόγο ςχεδιάςαμε ζνα προγραμματιηόμενο ρυκμιςτι αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ. Σζλοσ ακολουκεί θ ανάλυςθ και θ ςφγκριςθ των αποτελεςμάτων που προκφπτουν μζςα από το πρόγραμμα εξομοίωςθσ Cadence IC για όλο το ςφςτθμα προγραμματιηόμενθσ λογικισ και παρουςιάηονται ςυμπεράςματα και προτάςεισ για μελλοντικι ζρευνα. 5

6 Κεφάλαιο 1: Μελζτθ ςυςτιματοσ προγραμματιηόμενθσ λογικισ Ειςαγωγι: 1.1 Αρχι λειτουργίασ ςυςτιματοσ-μια πρϊτθ επαφι το παρϊν υποκεφάλαιο κα πραγματοποιιςουμε μια ειςάγωγι για τθν ομαλι ζνταξθ του αναγνϊςτθ ςτο ςφςτθμα μασ. Αρχικά το ςφςτθμα μασ περιζχει τόςο αναλογικό όςο και ψθφιακό τμιμα, για αυτό το λόγο θ ςχεδίαςθ μασ είναι mix(analog and digital). Σο αναλογικό τμιμα αποτελείται από τα τρανηίςτορ, τουσ πυκνωτζσ,τισ αντιςτάςεισ και τα πθνία ενϊ το ψθφιακό τμιμα αποτελείται από τισ ψθφιακζσ λογικζσ πφλεσ και από τθν αναπαράςταςθ τθσ τιμισ του ρεφματοσ με μια τιμι του 3-bit αρικμοφ κάκε φορά. Αυτό που επικυμοφμε είναι να ςυςχετίςουμε το αναλογικό και το ψθφιακό τμιμα και να ςχεδιάςουμε ζνα ςφςτθμα με εξωτερικι τροποποίθςθ τθσ τιμισ του ρεφματοσ και κατά ςυνζπεια τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ. Άρα να είναι πλζον ςε κζςθ το ςφςτθμα να ρυκμίηετε εξωτερικά και όχι να είναι ςτακερζσ οι τιμζσ όπωσ είναι ςτο ςφςτθμα που μελετάμε ςτο κεφάλαιο 2 ο και ςτο κεφάλαιο 3 α. Αυτό για να επιτευχκεί πρζπει να είναι ςε κζςθ να ςχεδιαςτεί ζνα κιβϊτιο για κάκε ζνα από τα δφο μεγζκθ που τροποποιοφνται με τθν αλλαγι τθσ τιμισ του 3-bit αρικμοφ. Γι αυτό το λόγο μελετιςαμε κάκε ζνα τμιμα του ςυςτιματοσ προγραμματιηόμενθσ λογικισ ξεχωριςτά προςπακϊντασ πάντα να βρεκεί θ βζλτιςτθ δυνατι λφςθ. τθν πραγματικότθτα αν χωριςτεί το ςφςτθμα ςε επιμζρουσ τμιματα μπορεί εφκολα να πραγματοποιθκεί αρκεί ο ςχεδιαςτισ να είναι γνϊςτθσ τθσ λειτουργίασ βαςικϊν αναλογικϊν ολοκλθρωμζνων κυκλωμάτων. Σο ψθφιακό μασ κομμάτι περιζχει λογικζσ πφλεσ οι οποίεσ μεταφράηουν τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ ςε μια τάςθ ςτθν είςοδο και αντίςτοιχα μια τάςθ ςτθν ζξοδο. Οι λογικζσ πφλεσ είναι ςυνδεδεμζνεσ με τρανηίςτορ-διακόπτεσ οι οποίεσ ανάλογα με τθν τιμι που δζχονται ςτθν είςοδο λειτουργοφν ςτθν περιοχι αποκοπισ ι ςτθν ενεργό περιοχι. Αυτό ζχει ωσ αποτζλεςμα να είναι κλειςτόσ ι ανοιχτόσ ο διακόπτθσ και να βρίςκεται ςε λειτουργία το αντίςτοιχο τμιμα ι να είναι αποκομμζνο. Με αυτι τθν διαδικαςία εντάςςαμε ζνα τμιμα του πολλαπλοφ κακρζπτθ ρεφματοσ ι το αποκόπταμε για να επιλζξουμε τθν τιμι ρεφματοσ που επικυμοφςαμε. Αντίςτοιχα ςτο κιβϊτιο αντιςτάςεων περιλαμβάναμε ι αποκόπταμε ζνα τμιμα από τισ αντιςτάςεισ που παρακζτουμε ςε ςειρά. Άρα βαςικά γνωρίηοντασ τισ περιοχζσ λειτουργίασ του τρανηίςτορ ιμαςταν ςε κζςθ να προγραμματίςουμε το ςφςτθμα μασ και να επιλζξουμε(εξωτερικά) τθν τιμι του ρεφματοσ πόλωςθσ και τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ που επικυμοφμε. Προφανϊσ παρακάτω αναλφονται με μεγαλφτερθ λεπτομζρεια τόςο θ ςχεδίαςθ του ςυςτιματοσ προγραμματιηόμενθσ λογικισ με ςκοπό τθν επιλογι των παραπάνω μεγεκϊν όςο και ο τρόποσ ςχεδίαςθσ ενόσ τελεςτικοφ ενιςχυτι ςτον οποίο κα ρυκμίςουμε το περικϊριο φάςθσ. 6

7 1.2 Ανάγκθ ρφκμιςθσ περικωρίου φάςθσ ενιςχυτι Σο περικϊριο φάςθσ (phase margin - PM) είναι ζνα πολφ ςυχνά χρθςιμοποιοφμενο μζτρο που δείχνει πόςο μακριά είναι από το να γίνει αςτακισ ζνασ Σελεςτικόσ Ενιςχυτισ με ανάδραςθ. Γενικά γνωρίηουμε ότι όςο θ ςυχνότθτα αυξάνει τόςο το κζρδοσ κα μειϊνεται ςε ζναν τελεςτικό ενιςχυτι.τπάρχει όμωσ μια τιμι ςτθν οποία το μζτρο τθσ ενίςχυςθσ γίνεται ίςο με τθ μονάδα(τιμι ίςθ με 0dB). Επίςθσ περικϊριο φάςθσ είναι θ διαφορά φάςθσ από τισ ςτθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ. Για να είναι ευςτακζσ ζνα ςφςτθμα κα πρζπει να είναι απομακρυςμζνο από τισ 180 ο όπου εκεί εμφανίηει χαρακτθριςτικά ταλαντωτι, το οποίο δεν είναι επικυμθτό. Εκτόσ από το παραπάνω αναγκαία είναι θ ρφκμιςθ του περικωρίου φάςθσ γιατί επθρεάηει ςθμαντικά τθν βθματικι απόκριςθ του ενιςχυτι και κυρίωσ το ποςοςτό υπερφψωςθσ (overshoot percentage). Σο ποςοςτό υπερφψωςθσ (overshoot percentage error band) ορίηεται ωσ το ποςοςτό που υπερβαίνει τθν τελικι του τιμι κατά τθν διάρκεια μεταβατικϊν ςταδίων και επθρεάηεται από το περικϊριο φάςθσ (phase margin),που αποτελεί παράμετρο ςχεδίαςθσ ενόσ Σελεςτικοφ Ενιςχυτι. Γενικά επικυμθκοφμε ςτο ςφςτθμα μασ θ ζξοδοσ να είναι ςε κζςθ να ακολουκεί τθν είςοδο(π.χ.ενίςχυςθ κατά Α φορζσ τθσ τιμισ τθσ τάςθσ ειςόδου). Αυτό μπορεί να επιτευχκεί μόνο εάν το ςφςτθμα μασ είναι ευςτακζσ. Άρα κατα ςυνζπεια όταν ζχουμε ρυκμίςει μαηί με τισ υπόλοιπεσ παραμζτρουσ και το περικϊριο φάςθσ του Σελεςτικοφ Ενιςχυτι μασ. ε ζνα αςτακζσ ςφςτθμα θ ζξοδοσ δεν μπορεί να <<ακολουκιςει>> τθν είςοδο. 7

8 Κεφάλαιο 2 υνοπτικι περιγραφι και ανάλυςθ δομικϊν βακμίδων τελεςτικοφ ενιςχυτι Αρχικά για να καταςκευάςουμε ζναν τελεςτικό ενιςχυτι κα πρζπει πρϊτα να κατανοιςουμε τθν λειτουργία των επιμζρουσ δομικϊν μονάδων του.τπάρχουν αρκετζσ τοπολογίεσ τελεςτικϊν ενιςχυτϊν ανάλογα τθν τάςθ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου και εξόδου όπωσ κα αναλυκεί ςε επόμενο κεφάλαιο. Ολοι τουσ αποτελοφνται ςίγουρα από ζνα διαφορικό ενιςχυτι και από ζναν ενιςχυτι κοινισ πθγισ ωσ βαςικζσ βακμίδεσ και ςε οριςμζνουσ ζχουμε ειςάγει ωσ επιπλζον βακμίδα εκείνθ του ακόλουκου πθγισ (ο ςκοπόσ αυτισ τθσ επιπλζον βακμίδασ κα αναλυκεί ςτο επόμενο κεφάλαιο). 2.1 Μελζτθ ενιςχυτι κοινισ πθγισ Η ςυγκεκριμζνθ τοπολογία ενιςχυτι είναι ενιςχυτικι. Τπάρχουν δφο τοπολογίεσ αυτοφ του ενιςχυτι θ μια χρθςιμοποιεί ωμικό φορτίο ενϊ θ άλλθ χρθςιμοποιεί ενεργό φορτίο.θα αναφερκοφμε και ςτισ δφο τοπολογίεσ αλλά για τθν ςχεδίαςθ του τελεςτικοφ μασ ενιςχυτι κα χρθςιμοποιιςουμε μόνο εκείνθ με το ενεργό φορτίο. Ο ακροδζκτθσ ειςόδου του ενιςχυτι είναι θ πφλθ και ο ακροδζκτθσ εξόδου είναι ο απαγωγόσ του τρανηίςτορ.τον ενιςχυτι μασ κα εφαρμόςουμε μια είςοδο εναλλαςςόμενθ μαηί με τθν τάςθ που αποτελεί το ςυνεχζσ κομμάτι τθσ ειςόδου.αντίςτοιχα κα προκφψει και ςτθν ζξοδο μια εναλλαςςόμενθ τάςθ και μια τάςθ που αποτελεί τθν ςυνεχι ςυνιςτϊςα τθσ εξόδου. Ζχει κεωρθκεί ότι για τθν τάςθ θρεμίασ ιςχφει ότι > ϊςτε το τρανηίςτορ να είναι ςτθν αγωγι και επίςθσ θ διαφορά δυναμικοφ απαγωγοφ-πθγισ VDS είναι μεγαλφτερθ από τθν τάςθ κόρου VDSsat= - ϊςτε το τρανηίςτορ να λειτουργεί ςτον κόρο. Η τάςθ VDD είναι τάςθ τροφοδοςίασ του κυκλϊματοσ. Η τάςθ θρεμίασ κα αναπτφξει το ρεφμα θρεμίασ το οποίο με τθν ςειρά του κα διζλκει μζςα από τθν αντίςταςθ προκαλϊντασ τθ ςτακερι διαφορά δυναμικοφ VDD- ςτα άκρα τθσ. Η τοπολογία του ενιςχυτι κοινισ πθγισ με ωμικό φορτίο παρουςιάηεται ςτο χιμα 2.1. Ζχουμε χρθςιμοποιιςει τάςθ =550mV,θ τάςθ V DD =1.2V,θ τάςθ V SS =0V,θ εναλλαςςόμενθ τιμι τθσ τάςθσ ειςόδου είναι =1mV και το ωμικό φορτίο ζχει τιμι R=1.2KΩ. Η χαρακτθριςτικι τθσ ειςόδου-εξόδου του ενιςχυτι παρουςιάηεται ςτο χιμα

9 χιμα 2.1 Σοπολογία ενιςχυτι κοινισ πθγισ με ωμικό φορτίο χιμα 2.2 Χαρακτθριςτικι ειςόδου-εξόδου το ςχιμα 2.2 ςτον Χ άξονα ζχει τθν μεταβολι τθσ τιμισ τθσ τάςθσ ωσ ςυνάρτθςθ τθσ τιμισ τθσ τάςθσ VDD.H τάςθ ειςόδου μεταβάλεται από 0- VDD(VDD=1.2V). Οπωσ μπορεί να παρατθριςει φαίνονται ξεκάκαρα οι τρεισ περιοχζσ λειτουργίασ από 0-250mV(περίπου) είναι θ περιοχι αποκοπισ,από mV(περίπου) είναι θ περιοχι κόρου και από (περίπου) είναι θ τρίοδοσ. Η εξίςωςθ που περιγράφει το ρεφμα θρεμίασ είναι θ εξισ: Η τιμι τθσ τάςθσ εξόδου είναι: = ( εξ.(2.1) =V DD -R ( εξ.(2.2) 9

10 θμείωςθ:πολφ ςθμαντικό ςτοιχείο ότι θ τάςθ θρεμίασ τθσ ειςόδου κακορίηει και τθν τάςθ εξόδου. Ο λόγοσ είναι ςτθν ουςία το κζρδοσ που παρουςιάηει θ ςυγκεκριμζνθ βακμίδα ενίςχυςθσ.ο παραπάνω λόγοσ είναι: Όπου θ διαγωγιμότθτα που είναι ίςθ με : Α=- R εξ.(2.3) = ( εξ.(2.4) H είςοδοσ όπωσ κα επιβεβαιϊςουμε και από επόμενθ γραφικι ζχει διαφορά φάςθσ με τθν ζξοδο και αυτό οφείλεται ςτο αρνθτικό πρόςθμο του τφπου. Παρατθροφμε ότι θ αντίςταςθ R είναι παράλλθλα ςυνδεδεμζνθ με τθν αντίςταςθ rds απαγωγοφ-πθγισ του Mn44, οπότε θ ac τάςθ εξόδου κα δίνεται από τθν εξίςωςθ: Οπότε θ ενίςχυςθ Α κα δίνεται από τθν επόμενθ εξίςωςθ: =- (rds//r)=- (rds//r) εξ.(2.5) A= =- (rds//r) εξ.2.6 Η γραφικι τθσ ενίςχυςθσ ςε db ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ παρουςιάηεται ςτο χιμα 2.3. Άρα όπωσ μποροφμε να παρατθριςουμε θ ενίςχυςθ ςε db είναι 12.88dB. Αν μετατρζψουμε τα db ςε κακαρό αρικμό κα είναι 4.4 θ ενίςχυςθ που προκφπτει(απόλυτθ τιμι). Η γραφικι του ςιματοσ τθσ ειςόδου και τθσ εξόδου με το χρόνο φαίνεται ςτο ςχιμα 2.4. Η ενίςχυςθ παρατθρείται και μζςω του ςχιματοσ 2.5 που εμφανίηεται το κζρδοσ ςε volt με τθ ςυχνότθτα. χιμα 2.3 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) 10

11 χιμα 2.4 Γραφικι ειςόδου και εξόδου με το χρόνο Από το ςχιμα 2.4 μποροφμε να παρατθριςουμε τα εξισ: Αρχικά παρατθροφμε ότι προζκυψε ενίςχυςθ του ςιματοσ μασ,οπότε εδϊ επιβεβαιϊνουμε ότι αποτελεί ενιςχυτικι βακμίδα. Επίςθσ υφίςταται διαφορά φάςθσ μεταξφ ειςόδου και εξόδου,άρα επιβεβαιϊνεται ο αρχικόσ τφποσ. Η πάνω κυματομορφι είναι εκείνθ τθσ ειςόδου ενϊ θ κάτω είναι θ αντίςτοιχθ τθσ εξόδου. Όπωσ μπροφμε να παρατθριςουμε θ ζξοδοσ μασ ταλαντϊνεται γφρω από τθν τιμι VDD/2 θ οποία είναι και θ επικυμθτι τιμι τθσ dc ςυνιςτϊςασ ωσ προσ τθν ζξοδο. χιμα 2.5 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτα(hz) Η διαγωγιμότθτα του ενιςχυτι μασ είναι ίςθ με =4,366mA/V H ενίςχυςθ μπορεί να υπολογιςτεί πλζον μζςω τθσ ςχζςθσ: Α=- R=-4,366mA/V 1,2KΩ=-5.24 Ζχει μια μικρι απόκλιςθ ςε ςχζςθ με τθν αναμενόμενθ αλλά είναι λογικό αφοφ ο τφποσ είναι προςεγγιςτικόσ. Αυτό που μασ ενδιαφζρει είναι ότι επιβεβαιϊςαμε οτί αποτελεί ενιςχυτικι βακμίδα και ότι θ είςοδοσ με τθν ζξοδο ζχουν διαφορά φάςθσ. 11

12 Αφοφ καλφψαμε ςε μεγάλο βακμό τθν τοπολογία του ενιςχυτι κοινισ πθγισ με ωμικό φορτίο κα προςπακιςουμε να καλφψουμε και τθν τοπολογία του ενιςχυτι κοινισ πθγισ με ενεργό φορτίο. τθν κζςθ τθσ αντίςταςθσ κα τοποκετιςουμε πλζον ζνα p-mos τρανηίςτορ το οποίο κα πρζπει να πολωκεί με κατάλλθλθ τάςθ ςτθν πφλθ. Γι αυτό το λόγο κα χρθςιμοποιιςουμε κακρζπτεσ ρεφματοσ θ λειτουργία των οποίων κα αναλυκεί ςε επόμενθ ενότθτα. Η τοπολογία του ενιςχυτι κοινισ πθγισ με ενεργό φορτίο παρατθρείται ςτο ςχιμα 2.6 χιμα 2.6 Σοπολογία ενιςχυτι nmos κοινισ πθγισ με pmos ενεργό φορτίο το ςχιμα 2.6 ζχουμε χρθςιμοποιιςει πθγζσ τάςεωσ αλλά και μια πθγι ρεφματοσ. Η τάςθ θ τάςθ VDD=1.2V, θ τάςθ VSS=0V, θ εναλλαςςόμενθ τιμι τθσ τάςθσ ειςόδου είναι =1mV. Η τιμι τθσ τάςθσ είναι ίςθ με τθν παραπάνω τιμι ϊςτε να πετφχουμε τιμι ςυνεχισ ςυνιςτϊςασ εξόδου περίπου ίςθ με VDD/2. Η ςυνεχισ ςυνιςτϊςα τθσ πθγισ ρεφματοσ είναι ίςθ με 100μΑ. Όπωσ μποροφμε να παρατθριςουμε ο κακρζπτθσ ρεφματοσ πραγματοποιεί αρκετά καλό κακρεπτιςμό αφοφ ζχουμε μικρι απόκλιςθ των ρευμάτων ςτα δφο τρανηίςτορ που τον αποτελοφν. Για να πολϊςουμε ςωςτά τον ενιςχυτι μασ κα πρζπει να γίνει αναπαράςταςθ τθσ χαρακτθριςτικισ ειςόδου-εξόδου και να βρεκεί θ τιμι τθσ τάςθσ που κα εφαρμόηω ςτθν είςοδο του για να ζχω ζξοδο ίςθ με /2. Η ςυγκεκριμζνθ ςχζςθ φαίνεται ςτο ςχιμα

13 χιμα 2.7 Χαρακτθριςτικι ειςόδου-εξόδου Όταν θ τάςθ εξόδου πλθςιάηει προσ τθν τροφοδοςία τότε το Mp κα ειςζρχεται ςτθν τρίοδο ενϊ όςο πλθςιάηει προσ τθν γείωςθ τότε το Mn κα ειςζρχεται ςτθν τρίοδο,όπωσ παρατθροφμε και από το ςχιμα 2.7 αν το ςυςχετίςουμε με τισ κεωρθτικζσ υποκζςεισ για τισ τιμζσ που καταλαμβάνουν οι τρεισ περιοχζσ λειτουργίασ. Η εξίςωςθ που περιγράφει το ρεφμα θρεμίασ του Μn είναι θ εξισ: = ( (1+ εξ.(2.7) Σο ρεφμα απαγωγοφ του Mp ςτθν θρεμία δίνεται από τθν εξισ ςχζςθ: = ( - [(1+ εξ.(2.8) Ο λόγοσ είναι ςτθν ουςία το κζρδοσ που παρουςιάηει θ ςυγκεκριμζνθ βακμίδα ενίςχυςθσ.ο παραπάνω λόγοσ είναι: Α=- εξ.(2.9) Η αντίςταςθ εξόδου είναι ίςθ με: Άρα αντικακιςτϊντασ τισ ςχζςεισ 2.9 και 2.10 ζχουμε: = εξ.(2.10) Α=- εξ.(2.11) H είςοδοσ όπωσ κα επιβεβαιϊςουμε και από το ςχιμα 2.8 που είναι θ γραφικι τθσ ενίςχυςθσ ςε db ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ, ζχει διαφορά φάςθσ με τθν ζξοδο και αυτό οφείλεται ςτο αρνθτικό πρόςθμο του τφπου. Η ενίςχυςθ παρατθρείται και μζςω τθσ γραφικισ του κζρδουσ ωσ κακαρόσ αρικμόσ ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ ςτο ςχιμα

14 χιμα 2.8 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 2.9 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) Άρα όπωσ μποροφμε να παρατθριςουμε θ ενίςχυςθ ςε db είναι 34.55dB Η τιμι τθσ ενίςχυςθσ Α =50.19 από το ςχιμα 2.9 Αν μετατρζψουμε τον κακαρό αρικμό ςε db κα επιβεβαιϊςουμε ότι θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ ςε db είναι ίςθ με ΑdB=34.01dB. 14

15 χιμα 2.10 Γραφικι ειςόδου και εξόδου με το χρόνο Αρχικά παρατθροφμε ότι προζκυψε ενίςχυςθ του ςιματοσ μασ,οπότε εδϊ επιβεβαιϊνουμε ότι αποτελεί ενιςχυτικι βακμίδα από το ςχιμα 2.10, τθσ γραφικι του ςιματοσ τθσ ειςόδου και τθσ εξόδου με το χρόνο. Επίςθσ υφίςταται διαφορά φάςθσ μεταξφ ειςόδου και εξόδου,άρα επιβεβαιϊνεται ο αρχικόσ τφποσ. Αφοφ παρουςιάςαμε όλεσ τισ γραφικζσ που ςχετίηονται με τον ενιςχυτι μασ κα υπολογίςουμε οριςμζνα χαρακτθριςτικά του τόςο μζςω των γραφικϊν όςο και μζςα από τουσ τφπουσ. Από το ςχιμα 2.8 μπορφμε να καταγράψουμε εκτόσ από τθν ενίςχυςθ και τθν ςυχνότθτα αποκοπισ θ οποία είναι ίςθ με =422.82kHz. H ςυχνότθτα αποκοπισ προκφπτει μζςω τθσ ςχζςθσ : Η αντίςταςθ εξόδου είναι ίςθ με: = εξ.(2.12) = =64,57ΚΩ//102,4ΚΩ=39,6ΚΩ Η ενίςχυςθ Α κα δίνεται από τθν επόμενθ εξίςωςθ: Α=- =-1.41mA/V 39,6KΩ=-55,83 Η κεωρθτικι τιμι τθσ ενίςχυςθσ είναι παραπλιςια με τθν τιμι που προζκυψε μζςω του προγράμματοσ εξομοίωςθσ.τπάρχει προφανϊσ μια μικρι απόκλιςθ λόγω των προςεγγίςεων που ζχουν λθφκεί ςτον τφπο που χρθςιμοποιιςαμε. Από τθν εξίςωςθ (εξ2.12) αφοφ υπολογίςαμε όλα τα προθγοφμενα μποροφμε να υπολογίςουμε τθν ςυχνότθτα αποκοπισ.η τιμι τθσ χωρθτικότθτασ του πυκνωτι C=10pF. Αντικακιςτϊ και ζχω: = =401,9KHz 15

16 Προφανϊσ υπάρχει μικρι αλλά ςθμαντικι απόκλιςθ μεταξφ τθσ πειραματικισ τιμισ που προζκυψε από τθν προςωμοίωςθ και τθσ κεωρθτικισ από τον υπολογιςμό μζςω του τφπου. Όμωσ αυτό που κζλουμε δεν είναι να βροφμε ακριβϊσ δφο ίδιεσ τιμζσ αφοφ αυτό δεν γίνεται να επιτευχκεί, αλλά να ζχουμε ίδια τάξθ μεγζκουσ,για τθν επιβεβαίωςθ των προςωμοιϊςεων μασ. θμείωςθ:ε όλα τα τρανηίςτορ που χρθςιμοποιιςαμε είχαμε τιμζσ L=1μm και W=40μm. Η τοπολογία του ενιςχυτι κοινισ πθγισ με ενεργό φορτίο το ςυμπλθρωματικό του προθγοφμενου(n-mos κακρζπτεσ ρεφματοσ και p-mos βακμίδα ειςόδου)παρουςιάηεται ςτο ςχιμα χιμα 2.11 Σοπολογία ενιςχυτι nmos κοινισ πθγισ με pmos ενεργό φορτίο Η διαφορά τθσ βακμίδασ του ςχιματοσ 2.12 με τθν προθγοφμενθ είναι ςθμαντικι αφοφ ζχουμε καταφζρει απλά αλλάηοντασ τισ διαςτάςεισ του p-mos τρανηίςτορ να ειςάγουμε dc ςυνιςτϊςα 600mV(VDD/2) ςτθν πφλθ του p-mos και να προκφπτει dc ςυνιςτϊςα VDD/2 ςτθν ζξοδο του ενιςχυτι μασ.τα n-mos ζχουμε τισ εξισ τιμζσ για τισ διαςτάςεισ: L=1μm και W=40μm και ςτο p-mos αντίςτοιχα: L=1μm και W=19,15μm.τθν ουςία απλά ενϊςαμε τθν πφλθ και τον απαγωγό του p- mos τρανηίςτορ και απλά αλλάηοντασ τισ διαςτάςεισ οδθγθκικαμε ςτο επικυμθτό αποτζλεςμα δθλαδι να ζχουμε dc ςυνιςτϊςα τθσ τάςθσ εξόδου ςτθν τιμι VDD/2. χιμα 2.12 Σοπολογία ενιςχυτι κοινισ πθγισ με ενεργό φορτίο-ρφκμιςθ διαςτάςεων 16

17 το ςχιμα 2.11 ζχουμε χρθςιμποποιιςει πθγζσ τάςεωσ αλλά και μια πθγι ρεφματοσ. Η τάςθ θ τάςθ VDD=1.2V, θ τάςθ VSS=0V, θ εναλλαςςόμενθ τιμι τθσ τάςθσ ειςόδου είναι =1mV. Η τιμι τθσ τάςθσ είναι ίςθ με τθν παραπάνω τιμι ϊςτε να πετφχουμε τιμι ςυνεχισ ςυνιςτϊςασ εξόδου περίπου ίςθ με VDD/2. Η ςυνεχισ ςυνιςτϊςα τθσ πθγισ ρεφματοσ είναι ίςθ με 100μΑ.Όπωσ μποροφμε να παρατθριςουμε ο κακρζπτθσ ρεφματοσ πραγματοποιεί αρκετά καλό κακρεπτιςμό αφοφ ζχουμε μικρι απόκλιςθ των ρευμάτων ςτα δφο τρανηίςτορ που τον αποτελοφν. το ςχιμα 2.13 παρατθρείται και θ χαρακτθριςτικι ειςόδου-εξόδου του ενιςχυτι μασ μζςω τθσ οποίασ μποροφμε να πολϊςουμε το ςυςτθμά μασ. χιμα 2.13 Χαρακτθριςτικι ειςόδου-εξόδου Όταν θ τάςθ εξόδου πλθςιάηει προσ τθν τροφοδοςία τότε το Mp κα ειςζρχεται ςτθν τρίοδο ενϊ όςο πλθςιάηει προσ τθν γείωςθ τότε το Mn κα ειςζρχεται ςτθν τρίοδο, όπωσ παρατθροφμε και από το ςχιμα 2.13 αν το ςυςχετίςουμε με τισ κεωρθτικζσ υποκζςεισ για τισ τιμζσ που καταλαμβάνουν οι τρεισ περιοχζσ λειτουργίασ. Η εξίςωςθ που περιγράφει το ρεφμα θρεμίασ του Μp είναι θ εξισ: = ( - (1+ εξ.(2.13) Σο ρεφμα απαγωγοφ του Mn ςτθν θρεμία δίνεται από τθν εξισ ςχζςθ: = ( (1+ εξ.(2.14) Ο λόγοσ είναι ςτθν ουςία το κζρδοσ που παρουςιάηει θ ςυγκεκριμζνθ βακμίδα ενίςχυςθσ.ο παραπάνω λόγοσ είναι: Α=- εξ.(2.15) 17

18 Η αντίςταςθ εξόδου είναι ίςθ με: = εξ.(2.16) Άρα αντικακιςτϊντασ τισ εξιςϊςεισ 2.15 και 2.16 ζχουμε: Α=- εξ.(2.17) H είςοδοσ όπωσ κα επιβεβαιϊςουμε και από επόμενθ γραφικι ζχει διαφορά φάςθσ με τθν ζξοδο και αυτό οφείλεται ςτο αρνθτικό πρόςθμο του τφπου. το ςχιμα 2.14 φαίνεται θ γραφικι τθσ ενίςχυςθσ ςε db ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ και ςτο ςχιμα 2.15 παρουςιάηεται θ αντίςτοιχθ γραφικι ωσ κακαρόσ αρικμόσ. χιμα 2.14 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 2.15 Γραφικι κζρδουσ(v)-ςυχνότθτασ(hz) Άρα όπωσ μποροφμε να παρατθριςουμε θ ενίςχυςθ ςε db είναι 27,77dB Η τιμι τθσ ενίςχυςθσ Α = Αν μετατρζψουμε τον κακαρό αρικμό ςε db κα επιβεβαιϊςουμε ότι θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ ςε db είναι ίςθ με ΑdB=27,77dB. 18

19 χιμα 2.16 Γραφικι ειςόδου και εξόδου με το χρόνο Αρχικά παρατθροφμε ότι προζκυψε ενίςχυςθ του ςιματοσ μασ,οπότε εδϊ επιβεβαιϊνουμε ότι αποτελεί ενιςχυτικι βακμίδα όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα Επίςθσ υφίςταται διαφορά φάςθσ μεταξφ ειςόδου και εξόδου, άρα επιβεβαιϊνεται ο αρχικόσ τφποσ. Αφοφ παρουςιάςαμε όλεσ τισ γραφικζσ που ςχετίηονται με τον ενιςχυτι μασ κα υπολογίςουμε οριςμζνα χαρακτθριςτικά του τόςο μζςω των γραφικϊν όςο και μζςα από τουσ τφπουσ. Από το ςχιμα 2.14 μπορφμε να καταγράψουμε εκτόσ από τθν ενίςχυςθ και τθν ςυχνότθτα αποκοπισ θ οποία είναι ίςθ με: Η αντίςταςθ εξόδου είναι ίςθ με: =408,83ΚΗz = =63ΚΩ//107,4ΚΩ=39,7ΚΩ Η ενίςχυςθ Α κα δίνεται από τθν επόμενθ εξίςωςθ: Α=- =-617,6μΑ/V 39,7KΩ=-24,52 Η κεωρθτικι τιμι τθσ ενίςχυςθσ είναι παραπλιςια με τθν τιμι που προζκυψε μζςω του προγράμματοσ εξομοίωςθσ. Τπάρχει προφανϊσ μια μικρι απόκλιςθ λόγω των προςεγγίςεων που ζχουν λθφκεί ςτον τφπο που χρθςιμοποιιςαμε. Από τθν εξίςωςθ (εξ.2.12) αφοφ υπολογίςαμε όλα τα προθγοφμενα μποροφμε να υπολογίςουμε τθν ςυχνότθτα αποκοπισ.η τιμι τθσ χωρθτικότθτασ του πυκνωτι C=10pF. Αντικακιςτϊ και ζχω: = =401,1ΚΗz Προφανϊσ υπάρχει μικρι αλλά ςθμαντικι απόκλιςθ μεταξφ τθσ πειραματικισ τιμισ που προζκυψε από τθν προςωμοίωςθ και τθσ κεωρθτικισ από τον υπολογιςμό μζςω του τφπου. Όμωσ αυτό που κζλουμε δεν είναι να βροφμε 19

20 ακριβϊσ δφο ίδιεσ τιμζσ αφοφ αυτό δεν γίνεται να επιτευχκεί, αλλά να ζχουμε ίδια τάξθ μεγζκουσ,για τθν επιβεβαίωςθ των προςωμοιϊςεων μασ. 2.2 Μελζτθ ακόλουκου πθγισ Η ςυγκεκριμζνθ τοπολογία δεν είναι ενιςχυτικι αφοφ ζχει ενίςχυςθ Α=1. Όπωσ κα παρατθριςουμε ςτθ ςυνζχεια οι μεταβολζσ τθσ εξόδου ακολουκοφν τισ μεταβολζσ τθσ ειςόδου γι αυτό βιβλιογραφικά ςυναντάται και ωσ ακόλουκοσ τάςθσ. Αποτελείται από δφο ίδιου τφπου τρανηίςτορ. Αρχικά κα μελετιςουμε τθν τοπολογία με εφαρμογι τθσ ειςόδου ςε n-mos τρανηίςτορ και κακρζπτθ ρεφματοσ με n-mos τρανηίςτορ. Ο ακροδζκτθσ ειςόδου του ακόλουκου πθγισ είναι θ πφλθ του ενόσ n-mos τρανηίςτορ(μ28 ςχιματοσ 2.17) και ο ακροδζκτθσ εξόδου είναι και θ τάςθ εξόδου αναπτφςςεται ςτον ακροδζκτθ τθσ πθγισ του άλλου τρανηίςτορ (Μ27ςχιματοσ 2.17). τον ενιςχυτι μασ κα εφαρμόςουμε μια είςοδο εναλλαςςόμενθ μαηί με τθν τάςθ που αποτελεί το ςυνεχζσ κομμάτι τθσ ειςόδου. Αντίςτοιχα κα προκφψει και ςτθν ζξοδο μια εναλλαςςόμενθ τάςθ και μια τάςθ που αποτελεί τθν ςυνεχι ςυνιςτϊςα τθσ εξόδου. Ζχει κεωρθκεί ότι για τθν τάςθ θρεμίασ ιςχφει ότι > ϊςτε το τρανηίςτορ να είναι ςτθν αγωγι και επίςθσ θ διαφορά δυναμικοφ απαγωγοφ-πθγισ VDS είναι μεγαλφτερθ από τθν τάςθ κόρου VDSsat= - ϊςτε το τρανηίςτορ να λειτουργεί ςτον κόρο. Η τάςθ VDD είναι τάςθ τροφοδοςίασ του κυκλϊματοσ. Η τάςθ θρεμίασ κα αναπτφξει το ρεφμα θρεμίασ το οποίο με τθν ςειρά του κα διζλκει μζςα από τθν αντίςταςθ προκαλϊντασ τθ ςτακερι διαφορά δυναμικοφ VDD- ςτα άκρα τθσ. χιμα 2.17 Σοπολογία ακόλουκου πθγισ το ςχιμα 2.17 ζχουμε χρθςιμποποιιςει πθγζσ τάςεωσ αλλά και μια πθγι ρεφματοσ. Η τάςθ θ τάςθ VDD=1.2V, θ τάςθ VSS=0V,το πλάτοσ εναλλαςςόμενθσ τάςθσ ειςόδου είναι =15mV. Η τιμι τθσ τάςθσ είναι ίςθ με τθν παραπάνω τιμι ϊςτε να πετφχουμε τιμι ςυνεχισ ςυνιςτϊςασ εξόδου περίπου ίςθ με VDD/2. Η ςυνεχισ ςυνιςτϊςα τθσ πθγισ ρεφματοσ είναι ίςθ με 100μΑ. Όπωσ μποροφμε να παρατθριςουμε ο κακρζπτθσ ρεφματοσ πραγματοποιεί αρκετά καλό κακρεπτιςμό αφοφ ζχουμε μικρι απόκλιςθ των ρευμάτων ςτα δφο τρανηίςτορ που τον αποτελοφν. 20

21 Για να λειτουργεί ςωςτά θ τοπολογία κα πρζπει το ρεφμα να είναι ίδιο και ςτα δφο τρανηίςτορ(μ27 και Μ28-ςχιμα 2.17). Όπωσ μποροφμε να παρατθριςουμε και τα δφο ζχουν ίδιο ρεφμα κατά τθν εξομοίωςθ που πραγματοποιιςαμε. Η ςχζςθ που ςυνδζει τα ρεφματα είναι ο τετραγωνικόσ νόμοσ: = ( εξ.2.18 Ζχει κεωρθκεί ότι οι παράγοντεσ διαμόρφωςθσ των καναλιϊν και οι παράγοντεσ επίδραςθσ του υποςτρϊματοσ και για τα δφο τρανηίςτορ είναι μθδζν. Λφνω τθν εξίςωςθ 2.18 ωσ προσ και ζχω: - - εξ.2.19 Από τθν παραπάνω εξίςωςθ(εξ.2.19) γίνεται φανερό ότι θ τάςθ θρεμίασ τθσ εξόδου μπορεί να κακοριςτεί πλιρωσ μζςω τθσ τάςθσ θρεμίασ τθσ πφλθσ και του ςτακεροφ ρεφματοσ. Επίςθσ από τθν εξίςωςθ (εξ.2.18) παρατθρείται θ αναλογία ανάμεςα ςτθν τάςθ εξόδου και τθσ τάςθσ και οποιαδιποτε μεταβολι τθσ τιμισ τθσ εμφανίηεται αυτοφςια ςτθν ζξοδο. θμείωςθ:όλα όςα αναφζρομαι για τθν τάςθ,το ρεφμα και το λόγο είναι για το τρανηίςτορ Μ28(ςχιμα 2.17) χιμα 2.18 Χαρακτθριςτικι ειςόδου-εξόδου Όςο θ τιμι τθσ πλθςιάηει προσ τθν τάςθ κόρου του Μ27(ςχιμα 2.17) δθλαδι = τότε δεν ζχουμε αγωγι αφοφ τομ27 είναι ςτθν τρίοδο όπωσ παρατθροφμε ςτο ςχιμα 2.18 τθσ χαρακτθριςτικισ ειςόδου-εξόδου του ενιςχυτι. Από αυτό το ςθμείο και χαμθλότερα,ο ακόλουκοσ παφει να λειτουργεί ςωςτά. Όπωσ μποροφμε να παρατθριςουμε ο ακόλουκοσ λειτουργεί ςωςτά με τάςεισ κοντά ςτθ τάςθ τροφοδοςίασ. Για τθ ςυγκεκριμζνθ τοπολογία θ λειτουργία ςτθν τρίοδο δεν είναι επικυμθτι. Η ςυμπεριφορά τθσ ςυγκεκριμζνθσ τοπολογίασ ςτο αςκενζσ ςιμα γίνεται όπωσ και ςτθν μελζτθ του ενιςχυτι κοινισ πθγισ μζςω τθσ εφρεςθσ των παραμζτρων μικροφ ςιματοσ του ακόλουκου πθγισ.η ενίςχυςθ του ακόλουκου πθγισ είναι ο 21

22 λόγοσ που ςτθν ουςία είναι το κζρδοσ που παρουςιάηει θ ςυγκεκριμζνθ βακμίδα.αν πάρουμε τθν παράγωγο τθσ εξίςωςθσ 2.18 κα ζχουμε ότι: Α=1 (ο ακόλουκοσ τάςθσ κα ζχει ενίςχυςθ ίςθ με τθ μονάδα). Η ενίςχυςθ παρατθρείται μζςω του ςχιματοσ 2.19 αλλά και του ςχιματοσ 2.20 που αναπαριςτοφν το κζρδοσ με τθ ςυχνότθτα ωσ κακαρόσ αρικμόσ και db αντίςτοιχα.: χιμα 2.19 Γραφικό κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 2.20 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) Η τιμι τθσ ενίςχυςθσ ςτθν ςυγκεκριμζνθ περίπτωςθ μζςω του ςχιματοσ 2.19 είναι: A=0.897 Η ςυγκεκριμζνθ τιμι είναι αρκετά ικανοποιθτικι αφόυ είναι παραπλιςια τθσ μονάδασ που είναι θ επικυμθτι. Άρα θ ςυγκεκριμζνθ βακμίδα δρα ωσ ακόλουκοσ τάςθσ και όχι ωσ ενιςχυτικι βακμίδα. Η ενίςχυςθ ςε db για ζναν ιδανικό ακόλουκο πθγισ είναι ίςθ με Α=0dB. A=20 εξ.(2.20) Από τθν γραφικι του ςχιματοσ 2.20 προκφπτει ότι : A=-937mdB 22

23 Η ςυγκεκριμζνθ τιμι είναι αρκετά ικανοποιθτικι αφοφ είναι παραπλιςια του μθδενόσ που είναι θ επικυμθτι. Η αντίςταςθ εξόδου είναι ίςθ με =616Ω Εκτόσ από τον παραπάνω τφπο για τθ ςυγκεκριμζνθ βακμίδα θ αντίςταςθ εξόδου είναι ίςθ με: εξ.2.21 Η τιμι του το οποίο χρθςιμοποιοφμε είναι του τρανηίςτορ Μ28(ςχιμα 2.17) Σο οποίο είναι ίςο με: =1.46 ma/v Άρα θ αντίςταςθ εξόδου είναι βάςθ τθσ εξίςωςθσ 2.21 ίςθ με: = =684Ω Οι δφο τιμζσ των αντιςτάςεων που βρικαμε ζχουν ίδια τάξθ μεγζκουσ το οποίο είναι και το επικυμθτό γιατί θ ακριβισ τιμισ είναι δφςκολο να βρεκεί ίδια γιατί οι ςχζςεισ είναι προςεγγιςτικζσ. Η εξίςωςθ 2.21 ζχει ςφάλμα γιατί κεωρεί ότι θ ενίςχυςθ Α=1 το οποίο ζχει μικρι αλλά ςθμαντικι απόκλιςθ από τθν πειραματικι τιμι. H είςοδοσ όπωσ κα επιβεβαιϊςουμε και από επόμενθ γραφικι ζχει διαφορά φάςθσ με τθν ζξοδο και αυτό οφείλεται ςτο κετικό πρόςθμο του τφπου. Η γραφικι του ςιματοσ τθσ ειςόδου και τθσ εξόδου με το χρόνο φαίνεται ςτο ςχιμα χιμα 2.21 Γραφικι ειςόδου-εξόδου με το χρόνο Αρχικά παρατθροφμε ότι δεν προζκυψε ενίςχυςθ του ςιματοσ μασ,οπότε εδϊ επιβεβαιϊνουμε ότι δεν αποτελεί ενιςχυτικι βακμίδα. Επίςθσ υφίςταται διαφορά φάςθσ μεταξφ ειςόδου και εξόδου,άρα επιβεβαιϊνεται θ αρχικι μασ υπόκεςθ. Αφοφ παρουςιάςαμε όλεσ τισ γραφικζσ που ςχετίηονται με τον ακόλουκο πθγισ μασ κα υπολογίςουμε οριςμζνα χαρακτθριςτικά του τόςο μζςω των γραφικϊν όςο και μζςα από τουσ τφπουσ. 23

24 Η ενίςχυςθ Α κα δίνεται από τθν επόμενθ εξίςωςθ: Α= =1.46mA/V616Ω=0,902 Από το ςχιμα 2.20 μπορφμε να καταγράψουμε εκτόσ από τθν ενίςχυςθ και τθν ςυχνότθτα αποκοπισ θ οποία είναι ίςθ με =25MHz. Από τθν εξίςωςθ (εξ.2.12) αφοφ υπολογίςαμε όλα τα προθγοφμενα μποροφμε να υπολογίςουμε τθν ςυχνότθτα αποκοπισ. Η τιμι τθσ χωρθτικότθτασ του πυκνωτι C=10pF. Αντικακιςτϊ και ζχω: = =25,8MHz Προφανϊσ υπάρχει μικρι αλλά ςθμαντικι απόκλιςθ μεταξφ τθσ πειραματικισ τιμισ που προζκυψε από τθν προςωμοίωςθ και τθσ κεωρθτικισ από τον υπολογιςμό μζςω του τφπου. Όμωσ αυτό που κζλουμε δεν είναι να βροφμε ακριβϊσ δφο ίδιεσ τιμζσ αφοφ αυτό δεν γίνεται να επιτευχκεί, αλλά να ζχουμε ίδια τάξθ μεγζκουσ,για τθν επιβεβαίωςθ των προςωμοιϊςεων μασ. θμείωςθ:ε όλα τα τρανηίςτορ που χρθςιμοποιιςαμε είχαμε τιμζσ L=1μm και W=40μm. Tϊρα κα μελετιςουμε τθν ςυμπλθρωματικι τοπολογία με εφαρμογι τθσ ειςόδου ςε p-mos τρανηίςτορ και κακρζπτθ ρεφματοσ με p-mos τρανηίςτορ. Ζχει κεωρθκεί ότι για τθν τάςθ θρεμίασ ιςχφει ότι > ϊςτε το τρανηίςτορ να είναι ςτθν αγωγι και επίςθσ θ διαφορά δυναμικοφ απαγωγοφ-πθγισ VDS είναι μεγαλφτερθ από τθν τάςθ κόρου VDSsat= - ϊςτε το τρανηίςτορ να λειτουργεί ςτον κόρο. Η τάςθ VDD είναι τάςθ τροφοδοςίασ του κυκλϊματοσ. Η τάςθ θρεμίασ κα αναπτφξει το ρεφμα θρεμίασ το οποίο με τθν ςειρά του κα διζλκει μζςα από τθν αντίςταςθ προκαλϊντασ τθ ςτακερι διαφορά δυναμικοφ VDD- ςτα άκρα τθσ. Ο ακροδζκτθσ ειςόδου του ακόλουκου πθγισ είναι θ πφλθ του ενόσ p-mos τρανηίςτορ(μ49 ςχιματοσ 2.22) και ο ακροδζκτθσ εξόδου είναι και θ τάςθ εξόδου αναπτφςςεται ςτον ακροδζκτθ τθσ πθγισ του άλλου τρανηίςτορ(μ46ςχιματοσ 2.22). τον ενιςχυτι μασ κα εφαρμόςουμε μια είςοδο εναλλαςςόμενθ μαηί με τθν τάςθ που αποτελεί το ςυνεχζσ κομμάτι τθσ ειςόδου. Αντίςτοιχα κα προκφψει και ςτθν ζξοδο μια εναλλαςςόμενθ τάςθ και μια τάςθ που αποτελεί τθν ςυνεχι ςυνιςτϊςα τθσ εξόδου. Η τοπολογία του ακόλουκου πθγισ φαίνεται ςτο ςχιμα

25 χιμα 2.22 Σοπολογία του ακόλουκου πθγισ το ςχιμα 2.22 ζχουμε χρθςιμποποιιςει πθγζσ τάςεωσ αλλά και μια πθγι ρεφματοσ. Η τάςθ θ τάςθ VDD=1.2V,θ τάςθ VSS=0V,θ εναλλαςςόμενθ τιμι τθσ τάςθσ ειςόδου είναι =15mV. Η τιμι τθσ τάςθσ είναι ίςθ με τθν παραπάνω τιμι ϊςτε να πετφχουμε τιμι ςυνεχισ ςυνιςτϊςασ εξόδου περίπου ίςθ με VDD/2. Η ςυνεχισ ςυνιςτϊςα τθσ πθγισ ρεφματοσ είναι ίςθ με 100μΑ.Όπωσ μποροφμε να παρατθριςουμε ο κακρζπτθσ ρεφματοσ πραγματοποιεί αρκετά καλό κακρεπτιςμό αφοφ ζχουμε μικρι απόκλιςθ των ρευμάτων ςτα δφο τρανηίςτορ που τον αποτελοφν. Για να λειτουργεί ςωςτά θ τοπολογία κα πρζπει το ρεφμα να είναι ίδιο και ςτα δφο τρανηίςτορ(μ46 και Μ49-ςχιμα 2.22)Όπωσ μποροφμε να παρατθριςουμε και τα δφο ζχουν ίδιο ρεφμα κατά τθν εξομοίωςθ που πραγματοποιιςαμε.η ςχζςθ που ςυνδζει τα ρεφματα είναι ο τετραγωνικόσ νόμοσ: = ( (εξ.2.22) Ζχει κεωρθκεί ότι οι παράγοντεσ διαμόρφωςθσ των καναλιϊν και οι παράγοντεσ επίδραςθσ του υποςτρϊματοσ και για τα δφο τρανηίςτορ είναι μθδζν. Aπό τθν εξίςωςθ (εξ.2.22) παρατθρείται θ αναλογία ανάμεςα ςτθν τάςθ εξόδου και τθσ τάςθσ και οποιαδιποτε μεταβολι τθσ τιμισ τθσ εμφανίηεται αυτοφςια ςτθν ζξοδο. θμείωςθ: Όλα όςα αναφζρομαι για τθν τάςθ,το ρεφμα και το λόγο είναι για το τρανηίςτορ Μ49(ςχιμα 2.22). Η χαρακτθριςτικι ειςόδου-εξόδου του ενιςχυτι φαίνεται ςτο ςχιμα

26 χιμα 2.23 Χαρακτθριςτικι ειςόδου-εξόδου Όςο θ τιμι τθσ πλθςιάηει προσ τθν τάςθ κόρου του Μ49(ςχιμα 2.22) δθλαδι = τότε δεν ζχουμε αγωγι αφοφ το Μ49 είναι ςτθν τρίοδο. Από αυτό το ςθμείο και χαμθλότερα, ο ακόλουκοσ παφει να λειτουργεί ςωςτά. Όπωσ μποροφμε να παρατθριςουμε ο ακόλουκοσ λειτουργεί ςωςτά με τάςεισ κοντά ςτθ τάςθ τροφοδοςίασ. Για τθ ςυγκεκριμζνθ τοπολογία θ λειτουργία ςτθν τρίοδο δεν είναι επικυμθτι. Η ςυμπεριφορά τθσ ςυγκεκριμζνθσ τοπολογίασ ςτο αςκενζσ ςιμα γίνεται όπωσ και ςτθν μελζτθ του ενιςχυτι κοινισ πθγισ μζςω τθσ εφρεςθσ των παραμζτρων μικροφ ςιματοσ του ακόλουκου πθγισ. Η ενίςχυςθ του ακόλουκου πθγισ είναι ο λόγοσ που ςτθν ουςία είναι το κζρδοσ που παρουςιάηει θ ςυγκεκριμζνθ βακμίδα.αν πάρουμε τθν παράγωγο τθσ εξίςωςθσ 2.18 κα ζχουμε ότι: Α=1 (ο ακόλουκοσ τάςθσ κα ζχει ενίςχυςθ ίςθ με τθ μονάδα). Η ενίςχυςθ παρατθρείται μζςω του ςχιματοσ 2.24 και του ςχιματοσ 2.25 που είναι το κζρδοσ του ενιςχυτι ωσ κακαρόσ αρικμοόσ και ςε db αντίςτοιχα με τθ ςυχνότθτα. χιμα 2.24 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) 26

27 χιμα 2.25 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) Η τιμι τθσ ενίςχυςθσ ςτθν ςυγκεκριμζνθ περίπτωςθ είναι: A=0.891 Η ςυγκεκριμζνθ τιμι είναι αρκετά ικανοποιθτικι αφόυ είναι παραπλιςια τθσ μονάδασ που είναι θ επικυμθτι.άρα θ ςυγκεκριμζνθ βακμίδα δρα ωσ ακόλουκοσ τάςθσ και όχι ωσ ενιςχυτικι βακμίδα. Η ενίςχυςθ ςε db για ζναν ιδανικό ακόλουκο πθγισ είναι ίςθ με Α=0dB. A=20 εξ.(2.23) Από τθν γραφικι προκφπτει ότι : A=-997mdB Η ςυγκεκριμζνθ τιμι είναι αρκετά ικανοποιθτικι αφόυ είναι παραπλιςια του μθδενόσ που είναι θ επικυμθτι. Η αντίςταςθ εξόδου είναι ίςθ με : =588Ω Εκτόσ από τον παραπάνω τφπο για τθ ςυγκεκριμζνθ βακμίδα θ αντίςταςθ εξόδου είναι ίςθ με: εξ.(2.24) Η τιμι του το οποίο χρθςιμοποιοφμε είναι του τρανηίςτορ Μ49(ςχιμα 2.22) Σο οποίο είναι ίςο με =1.517mA/V =659Ω 27

28 Οι δφο τιμζσ των αντιςτάςεων που βρικαμε ζχουν ίδια τάξθ μεγζκουσ το οποίο είναι και το επικυμθτό γιατί θ ακριβισ τιμισ είναι δφςκολο να βρεκεί ίδια γιατί οι ςχζςεισ είναι προςεγγιςτικζσ. Η εξίςωςθ 2.21 ζχει ςφάλμα γιατί κεωρεί ότι θ ενίςχυςθ Α=1 το οποίο ζχει μικρι αλλά ςθμαντικι απόκλιςθ από τθν πειραματικι τιμι. H είςοδοσ όπωσ κα επιβεβαιϊςουμε και από επόμενθ γραφικι ζχει διαφορά φάςθσ με τθν ζξοδο και αυτό οφείλεται ςτο κετικό πρόςθμο του τφπου. Η γραφικι του ςιματοσ τθσ ειςόδου και τθσ εξόδου με το χρόνο φαίνεται ςτο ςχιμα χιμα 2.26 Γραφικι ειςόδου-εξόδου με το χρόνο Αρχικά παρατθροφμε ότι δεν προζκυψε ενίςχυςθ του ςιματοσ μασ,οπότε εδϊ επιβεβαιϊνουμε ότι δεν αποτελεί ενιςχυτικι βακμίδα. Επίςθσ υφίςταται διαφορά φάςθσ μεταξφ ειςόδου και εξόδου,άρα επιβεβαιϊνεται θ αρχικι μασ υπόκεςθ. Αφοφ παρουςιάςαμε όλεσ τισ γραφικζσ που ςχετίηονται με τον ακόλουκο πθγισ μασ κα υπολογίςουμε οριςμζνα χαρακτθριςτικά του τόςο μζςω των γραφικϊν όςο και μζςα από τουσ τφπουσ. Η ενίςχυςθ Α κα δίνεται από τθν επόμενθ εξίςωςθ: Α= =1.517mA/V Από το ςχιμα 2.20 μπορφμε να καταγράψουμε εκτόσ από τθν ενίςχυςθ και τθν ςυχνότθτα αποκοπισ θ οποία είναι ίςθ με =24,9ΜΗz. Από τθν εξίςωςθ (εξ.2.12) αφοφ υπολογίςαμε όλα τα προθγοφμενα μποροφμε να υπολογίςουμε τθν ςυχνότθτα αποκοπισ.η τιμι τθσ χωρθτικότθτασ του πυκνωτι C=10pF. Αντικακιςτϊ και ζχω: = =27ΜΗz 28

29 Προφανϊσ υπάρχει μικρι αλλά ςθμαντικι απόκλιςθ μεταξφ τθσ πειραματικισ τιμισ που προζκυψε από τθν προςωμοίωςθ και τθσ κεωρθτικισ από τον υπολογιςμό μζςω του τφπου. Όμωσ αυτό που κζλουμε δεν είναι να βροφμε ακριβϊσ δφο ίδιεσ τιμζσ αφοφ αυτό δεν γίνεται να επιτευχκεί, αλλά να ζχουμε ίδια τάξθ μεγζκουσ, για τθν επιβεβαίωςθ των προςωμοιϊςεων μασ. θμείωςθ:ε όλα τα τρανηίςτορ που χρθςιμοποιιςαμε είχαμε τιμζσ L=1μm και W=40μm.Όμωσ ςτο Μ49 είχαμε αλλάξει τον αρικμό των fingers=4.άρα Woλ=160μm για το ςυγκεκριμζνο τρανηίςτορ. Η ςυγκεκριμζνθ βακμίδα αν τθν ςυγκρίνουμε με τον προθγοφμενθ ζχει χαμθλότερθ ενίςχυςθ αλλά ζχει και χαμθλότερθ αντίςταςθ εξόδου και κυρίωσ τθν χρθςιμοποιοφν ςε πολφπλοκα ςυςτιματα για να πετφχουν χαμθλι αντίςταςθ εξόδου ι ωσ level shifter για να «κατεβάηει» ι να «ανεβάηει» τθν τάςθ ςτθν πφλθ κατά ζνα ςτακερό επίπεδο τάςθσ. 2.3 Μελζτθ διαφορικοφ ενιςχυτι H βαςικι λειτουργία ενόσ διαφορικοφ ενιςχυτι τάςθσ είναι να ενιςχφει μόνο τθ διαφορικι τάςθ που εμφανίηεται ςτθν είςοδο του και να παρζχει μια ζξοδο θ οποία να είναι ανάλογθ τθσ διαφορικισ τάςθσ ειςόδου. Ο διαφορικόσ ενιςχυτισ περιλαμβάνει δφο ειςόδουσ και και μια ζξοδο τάςθσ,τθν. Σο διαφορικό κζρδοσ τάςθσ είναι ζνα αρκετά ςθμαντικό χαρακτθριςτικό που μελετάμε ςτουσ διαφορικοφσ ενιςχυτζσ. Η εξίςωςθ που το περιγράφει είναι θ εξισ: = εξ.(2.24) Όπου θ αςκενισ διαφορικι τάςθ ειςόδου. θμειϊςθ: Σο κζρδοσ τάςθσ πρζπει να είναι ανεξάρτθτο από το φορτίο εξόδου. Σο κζρδοσ τάςθσ πρζπει να είναι ανεξάρτθτο από τθ ςυχνότθτα του ςιματοσ εξόδου. Ζνασ ιδανικόσ διαφορικόσ ενιςχυτισ πρζπει να ενιςχφει μόνο το διαφορικό ςιμα ειςόδου(ςτθν πράξθ δεν υφίςταται αυτό αφοφ ζχουμε και εξωτερικζσ παρεμβολζσ-παραςιτικό ςιμα Vcm). Εκτόσ από το κζρδοσ διαφορικοφ ςιματοσ υφίςταται και το κζρδοσ κοινοφ ςιματοσ το οποίο ςχετίηεται με το πόςο ενιςχφεται το παραςικό ςιμα Vcm. Η εξίςωςθ που το περιγράφει είναι θ εξισ: = εξ.(2.25) Γενικά μποροφμε να κεωριςουμε ότι θ ζξοδοσ του ενιςχυτι είναι μια επαλλθλία των τάςεων λόγο των δφο ειδϊν ςθμάτων. 29

30 Η ςχζςθ τθσ εξόδου με τισ ειςόδουσ είναι θ εξισ: = + εξ.(2.26) Λόγοσ απόρριψθσ κοινοφ ςιματοσ: CMRR= εξ.(2.27) Αυτόσ ο λόγοσ είναι ζνασ βαςικόσ δείκτθσ ποιότθτασ ενόσ διαφορικοφ ενιςχυτι,ο οποίοσ περιγράφει πόςο ενιςχφεται το διαφορικό ςιμα ςε ςχζςθ με το παραςιτικό κοινό ςιμα. Αν τον κζλουμε ςε db θ ςχζςθ γίνεται: =20 εξ.(2.28) Αρχικά ο διαφορικόσ ενιςχυτισ ζχει δφο τοπολογίεσ ωσ προσ το διαφορικό ηευγάρι των ειςόδων του. Δθλαδι μπορεί να ζχουμε διαφορικό ηευγάρι n-mos τρανηίςτορ ι διαφορικό ηευγάρι p-mos ανάλογα με τθν τάςθ που επικυμοφμε να εφαρμόςουμε ςτθν είςοδο. Ασ ξεκινιςουμε τθν μελζτθ μασ με τθν τοπολογία του διαφορικοφ ενιςχυτι με n-mos διαφορικό ηευγάρι: χιμα 2.27 Σοπολογία διαφορικοφ ενιςχυτι με n-mos τρανηίςτορ διαφορικό ηευγάρι Αποτελείται από το διαφορικό ηευγάρι των n-mos τρανηίςτορ(μχμy),τα τρανηίςτορ πόλωςθσ Μτ και τον κακρζπτθ που υλοποιείται με p-mos τρανηίςτορ. Οι διαφορικοί είςοδοι και εφαρμόηονται ςτισ πφλεσ των n-mos τρανηίςτορ(μχμy)και θ ζξοδοσ παρζχεται από τον κόμβο κοινοφ απαγωγοφ Μy-Μ4. Σα Μ3 και Μ4 πρζπει να ζχουμε ακριβϊσ τισ ίδιεσ διαςτάςεισ για να διατθρείται θ ςυμμετρία του κυκλϊματοσ. 30

31 Σϊρα κα μελετιςουμε τθν κατάςταςθ θρεμίασ όπου οι τάςεισ ειςόδου είναι ίςεσ με = =. Σο κφκλωμα κα γίνει πλζον ωσ εξισ: χιμα 2.28 Σοπολογία διαφορικοφ ενιςχυτι με n-mos τρανηίςτορ διαφορικό ηευγάρι ςτθν κατάςταςθ θρεμίασ Κατά τα γνωςτά το ρεφμα θρεμίασ των απαγωγϊν των Μ1 και Μ2 είναι: = = H τάςθ του δίνεται από τθ ςχζςθ: = εξ.(2.29) Αν κεωριςω ότι =0.2V τότε θ ςχζςθ μασ γίνεται: = εξ.(2.30) Ο κόμβοσ τθσ εξόδου δεν είναι εφκολο να κακοριςτεί,θ τάςθ του, αφοφ είναι υψθλισ αντίςταςθσ γιατί ςυνδζονται οι δφο απαγωγοί των και. Γι αυτό κάνουμε κάποιεσ κεωριςεισ. Αρχικά κεωροφμε ότι το κφκλωμα μασ είναι πλιρωσ ςυμμετρικό.αυτό ςθμαίνει ότι ςτα δφο υποκυκλϊματα οι τάςεισ και τα ρεφματα είναι πλιρωσ ςυμμετρικά. Οι παραδοχζσ που ακολουκοφμε είναι οι εξισ: Η τάςθσ τθσ εξόδου είναι: = εξ.(2.31) Tα ρεφματα κα πρζπει να ςχετίηονται μεταξφ του: = = και = = εξ.(2.32) 31

32 Για να ζχουμε τζλειο κακρεπτιςμό κα πρζπει : = και ταυτόχρονα = = εξ.(2.33) Αφοφ το είναι διοδικά ςυνδεδεμζνο κα ζχουμε: = εξ.(2.34) Από τισ παραπάνω προκφπτει: = εξ.(2.35) Η τάςθ θρεμίασ τθσ εξόδου δεν μπορεί να κακοριςτεί εφκολα ςε κζρδοσ ανοιχτοφ βρόχου γιατί είναι ενωμζνοι οι απαγωγοί των δφο τρανηίςτορ που είναι δφςκολο να ρυκμίςουμε τθν τάςθ τουσ. Για να ρυκμίςουμε τθν τάςθ κα χρθςιμοποιιςουμε τθν ςυνδεςμολογία τθσ αρνθτικισ ανάδραςθσ όπωσ κα αναφζρουμε ςε επόμενο κεφάλαιο. Αν το πολφ μικρότερο του τότε το κα είναι ςτθν αποκοπι και το κα είναι ςτθν αγωγι. Επειδι είναι ςτθν αποκοπι και το ρεφμα κα είναι μθδζν.αυτό δίνει άμεςο αποτζλεςμα και ςτα υπόλοιπα τρανηίςτορ τα οποία κα είναι και αυτά ςτθν αποκοπι. Άρα το κα οδεφει προσ τθν τρίοδο και θ τάςθ προσ τθ γείωςθ. Για να λειτουργεί ο ενιςχυτισ ςωςτά και να είναι όλα τα τρανηίςτορ ςτον κόρο κα πρζπει οι τιμζσ των τάςεων και να εξιςωκοφν. Αν > τότε κα λειτουργοφν τα,, ςτθν τρίοδο και το κα είναι ςτθν αποκοπι.άρα πάλι κα ζχουμε μθδενικό ρεφμα απαγωγοφ. Όταν ο ενιςχυτισ μασ είναι τελείωσ ςυμμετρικόσ τότε θ κλίςθ τθσ χαρακτθριςτικισ κα είναι ίςθ με το κζρδοσ του ενιςχυτι ςτο αςκενζσ διαφορικό ςιμα. χιμα 2.29 Χαρακτθριςτικι ειςόδου εξόδου Vid-Vo Όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα 2.29 ότι μόνο για μια ςτενι περιοχι τιμϊν τθσ διαφορικισ ειςόδου όλα τα τρανηίςτορ παραμζνουν ςτον κόρο. Η ςυγκεκριμζνθ περιοχι είναι θ περιοχι γραμμικισ λειτουργίασ του ενιςχυτι. Σζλοσ όςο θ κλίςθ παραμζνει ςτακερι τόςο το κζρδοσ του ενιςχυτι κα παραμζνει ςτακερό. Γενικά ςε αυτζσ τισ τοπολογίεσ όςο μεγαλϊνει το κζρδοσ τόςο μειϊνεται θ γραμμικι περιοχι λειτουργίασ. Για να αντιμετωπιςτεί αυτι θ μείωςθ όπωσ κα δοφμε κα χρθςιμοποιιςουμε τθν αρνθτικι ανάδραςθ. 32

33 ε αυτι τθ φάςθ κα μελετιςουμε τθν περίπτωςθ που ειςάγουμε ςτθν είςοδο ςυμμετρικζσ τάςεισ και πιο ςυγκεκριμζνα: = + και = - Γενικά θ διαγωγιμότθτα του διαφορικοφ ενιςχυτι είναι θ διαγωγιμότθτα του διαφορικοφ ηευγαριοφ. Σο διαφορικό κζρδοσ κα είναι ίςο με: = εξ.(2.36) Η αντίςταςθ εξόδου κα είναι ο παράλλθλοσ ςυνδυαςμόσ όπου είναι αντίςταςθ ςτο αςκενζσ ςιμα που φαίνεται από τον κόμβο τθσ εξόδου προσ τθν τροφοδοςία ενϊ θ είναι αντίςταςθ ςτο αςκενζσ ςιμα που φαίνεται που φαίνεται από το κόμβο τθσ εξόδου προσ τθν εικονικι γείωςθ. Άρα: = ( εξ.(2.37) Για να επιβεβαιϊςουμε ότι αποτελεί ενιςχυτικι βακμίδα παρουςίαηουμε τθ ςχζςθ μεταξφ ειςόδων και εξόδου: χιμα 2.30 Γραφικι ειςόδων και εξόδου με το χρόνο Σο κζρδοσ του ενιςχυτι μασ ςε db και το κζρδοσ του ενιςχυτι μασ ωσ κακαρόσ αρικμόσ παρουςιάηονται ςτο ςχιμα 2.31 και ςτο ςχιμα 2.32 αντίςτοιχα. χιμα 2.31 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) 33

34 χιμα 2.32 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) το ςχιμα 2.31 φαίνεται το κζρδοσ του ενιςχυτι ςε dβ το οποίο είναι =37.39dB και ςτο ςχιμα 2.32 φαίνεται το κζρδοσ του ενιςχυτι ςε κακαρό αρικμό το οποίο είναι Α =71.14 Ο τφποσ που δίνει τθ ςυχνότθτα αποκοπισ είναι: = εξ.(2.38) Για τιμι χωρθτικότθτασ πυκνωτι ίςθ με C=10pF και αντίςταςθ εξόδου R=82.64ΚΩ από τθ παραπάνω εξίςωςθ προκφπτει: =192ΚΗz και =191.22KHz μζςω τθσ γραφικισ Προφανϊσ υπάρχει μικρι αλλά ςθμαντικι απόκλιςθ μεταξφ τθσ πειραματικισ τιμισ που προζκυψε από τθν προςωμοίωςθ και τθσ κεωρθτικισ από τον υπολογιςμό μζςω του τφπου.όμωσ αυτό που κζλουμε δεν είναι να βροφμε ακριβϊσ δφο ίδιεσ τιμζσ αφοφ αυτό δεν γίνεται να επιτευχκεί,αλλά να ζχουμε ίδια τάξθ μεγζκουσ,για τθν επιβεβαίωςθ των προςωμοιϊςεων μασ. Σϊρα κα πραγματοποιιςουμε προςομοιϊςεισ και για τθν τοπολογία του διαφορικοφ ενιςχυτι με p-mos διαφορικό ηευγάρι. χιμα 2.33 Σοπολογία διαφορικοφ ενιςχυτι με p-mos τρανηίςτορ διαφορικό ηευγάρι 34

35 Η τάςθ θρεμίασ τθσ εξόδου δεν μπορεί να κακοριςτεί εφκολα ςε κζρδοσ ανοιχτοφ βρόχου γιατί είναι ενωμζνοι οι απαγωγοί των δφο τρανηίςτορ που είναι δφςκολο να ρυκμίςουμε τθν τάςθ τουσ. Για να ρυκμίςουμε τθν τάςθ κα χρθςιμοποιιςουμε τθν ςυνδεςμολογία τθσ αρνθτικισ ανάδραςθσ όπωσ κα αναφζρουμε ςε επόμενο κεφάλαιο. Αν το πολφ μικρότερο του τότε το κα είναι ςτθν αποκοπι και το κα είναι ςτθν αγωγι. Επειδι είναι ςτθν αποκοπι και το ρεφμα κα είναι μθδζν.αυτό δίνει άμεςο αποτζλεςμα και ςτα υπόλοιπα τρανηίςτορ τα οποία κα είναι και αυτά ςτθν αποκοπι. Άρα το κα οδεφει προσ τθν τρίοδο και θ τάςθ προσ τθ γείωςθ. Για να λειτουργεί ο ενιςχυτισ ςωςτά και να είναι όλα τα τρανηίςτορ ςτον κόρο κα πρζπει οι τιμζσ των τάςεων και να εξιςωκοφν. Αν > τότε κα λειτουργοφν τα,, ςτθν τρίοδο και το κα είναι ςτθν αποκοπι.άρα πάλι κα ζχουμε μθδενικό ρεφμα απαγωγοφ. Όταν ο ενιςχυτισ μασ είναι τελείωσ ςυμμετρικόσ τότε θ κλίςθ τθσ χαρακτθριςτικισ κα είναι ίςθ με το κζρδοσ του ενιςχυτι ςτο αςκενζσ διαφορικό ςιμα. χιμα 2.34 Χαρακτθριςτικι ειςόδου εξόδου Vid-Vo Όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα 2.28 ότι μόνο για μια ςτενι περιοχι τιμϊν τθσ διαφορικισ ειςόδου όλα τα τρανηίςτορ παραμζνουν ςτον κόρο.η ςυγκεκριμζνθ περιοχι είναι θ περιοχι γραμμικισ λειτουργίασ του ενιςχυτι.σζλοσ όςο θ κλίςθ παραμζνει ςτακερι τόςο το κζρδοσ του ενιςχυτι κα παραμζνει ςτακερό. Γενικά ςε αυτζσ τισ τοπολογίεσ όςο μεγαλϊνει το κζρδοσ τόςο μειϊνεται θ γραμμικι περιοχι λειτουργίασ. Για να αντιμετωπιςτεί αυτι θ μείωςθ όπωσ κα δοφμε κα χρθςιμοποιιςουμε τθν αρνθτικι ανάδραςθ. ε αυτι τθ φάςθ κα μελετιςουμε τθν περίπτωςθ που ειςάγουμε ςτθν είςοδο ςυμμετρικζσ τάςεισ και πιο ςυγκεκριμζνα: = + και = - Γενικά θ διαγωγιμότθτα του διαφορικοφ ενιςχυτι είναι θ διαγωγιμότθτα του διαφορικοφ ηευγαριοφ.σο διαφορικό κζρδοσ κα είναι ίςο με: = εξ.(2.36) 35

36 Η αντίςταςθ εξόδου κα είναι ο παράλλθλοσ ςυνδυαςμόσ όπου είναι αντίςταςθ ςτο αςκενζσ ςιμα που φαίνεται από τον κόμβο τθσ εξόδου προσ τθν τροφοδοςία ενϊ θ είναι αντίςταςθ ςτο αςκενζσ ςιμα που φαίνεται που φαίνεται από το κόμβο τθσ εξόδου προσ τθν εικονικι γείωςθ : = ( εξ.(2.37) Για να επιβεβαιϊςουμε ότι αποτελεί ενιςχυτικι βακμίδα παρουςίαηουμε τθ ςχζςθ μεταξφ ειςόδων και εξόδου ςτο ςχιμα χιμα 2.35 Γραφικι ειςόδων και εξόδου με το χρόνο Σο κζρδοσ του ενιςχυτι μασ ωσ κακαρόσ αρικμόσ και το κζρδοσ του ενιςχυτι μασ ςε db φαίνεται ςτα ςχιματα 2.36 και 2.37 αντίςτοιχα. χιμα 2.36 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) 36

37 χιμα 2.37 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) το ςχιμα 2.36 φαίνεται επίςθσ ότι αποτελεί ενιςχυτικι βακμίδα με κζρδοσ =42,62. το ςχιμα 2.37 φαίνεται το κζρδοσ του ενιςχυτι ςε dβ το οποίο είναι =32.6dB. Ο τφποσ που δίνει τθ ςυχνότθτα αποκοπισ είναι: = εξ.(2.38) Για τιμι χωρθτικότθτασ πυκνωτι ίςθ με C=10pF και αντίςταςθ εξόδου R=15.15KΩ από τθ παραπάνω εξίςωςθ προκφπτει: =1.05ΜΗz χιμα 2.38 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) αφοφ προςκζςαμε και πυκνωτι Η τιμι τθσ ςυχνότθτασ αποκοπισ μζςω τθσ γραφικισ προκφπτει: =1.056MHz. Προφανϊσ υπάρχει μικρι αλλά ςθμαντικι απόκλιςθ μεταξφ τθσ πειραματικισ τιμισ που προζκυψε από τθν προςωμοίωςθ και τθσ κεωρθτικισ από τον υπολογιςμό μζςω του τφπου.όμωσ αυτό που κζλουμε δεν είναι να βροφμε ακριβϊσ δφο ίδιεσ τιμζσ αφοφ αυτό δεν γίνεται να επιτευχκεί,αλλά να ζχουμε ίδια τάξθ μεγζκουσ,για τθν επιβεβαίωςθ των προςομοιϊςεων μασ. 37

38 2.4 Περιγραφι λειτουργίασ του κακρζπτθ ρεφματοσ Γενικά ςε κάκε κφκλωμα όπωσ παρατθριςαμε μζχρι ςτιγμισ υπάρχει μια ςτακερι πθγι ρεφματοσ. Η πθγι ρεφματοσ είναι ζνα αρκετά πολφπλοκο κφκλωμα το οποίο παρζχει ζνα ςτακερό ρεφμα αναφοράσ το οποίο είναι ανεξάρτθτο από κάκε ενδεχόμενθ μεταβολι. Για να μεταφζρουμε αυτό το ςτακερό ρεφμα και ςε άλλα ςθμεία του κυκλϊματοσ χρθςιμοποιοφμε ζνα απλό κφκλωμα που ονομάηεται κακρζπτθσ ρεφματοσ. Βαςικι του λειτουργία είναι θ αντιγραφι ι ο κακρεπτιςμόσ του ρεφματοσ αναφοράσ. χιμα 2.39 Κλαςςικόσ κακρζπτθσ ρεφματοσ με n-mos τρανηίςτορ το ςχιμα 2.39 παρατθροφμε το κλαςςικό κακρζπτθ ρεφματοσ ο οποίοσ αποτελείται από δφο τρανηίςτορ Μ1 και Μ2 με διαςτάςεισ,αντίςτοιχα. Οι πφλεσ των τρανηίςτορ είναι ςυνδεδεμζνεσ μεταξφ τουσ όπωσ αντίςτοιχα και οι πθγζσ τουσ. Σο ζνα τρανηίςτορ είναι ςυνδεδεμζνο ςε ςυνδεςμολογία διόδου και ςε αυτό επιβάλλεται το ρεφμα αναφοράσ από τθν πθγι ρεφματοσ( ).To ρεφμα που κακρεπτίηεται από τον κακρζπτθ ρεφματοσ και οδθγείται ςτο κφκλωμα πόλωςθσ δίνεται από τθ ςχζςθ: και ) εξ.(2.39) Με τον κακρζπτθ ρεφματοσ μποροφμε να αντιγράψουμε πλζον με αρκετά μεγάλθ ακρίβεια το ρεφμα ) ανεξάρτθτα από τθν τροφοδοςία,τθν κερμοκραςία και τουσ τεχνολογικοφσ παράγοντεσ. Ο λόγοσ επακριβϊσ από τον λόγο κακορίηεται των τρανηίςτορ. Με κατάλλθλθ επιλογι του λόγου των διαςτάςεων μποροφμε να πετφχουμε διαφορετικοφσ κακρεπτιςμοφσ ρευμάτων. 38

39 χιμα 2.40 Σοπολογία κακρζπτθ ρεφματοσ με n-mos τρανηίςτορ με πολλαπλζσ εξόδουσ ε αυτι τθ περίπτωςθ ο λόγοσ των είναι ίδιοσ για όλα τα τρανηίςτορ οπότε ζχουμε με μεγάλθ ακρίβεια μεταφορά του ρεφματοσ ) ςτισ εξόδουσ. Αντίςτοιχα υφίςταται και θ κλαςςικι τοπολογία του κακρζπτθ ρεφματοσ με p-mos τρανηίςτορ ςτθν οποία ιςχφει θ προθγοφμενθ εξιςϊςθ (2.39). χιμα 2.41 Κλαςςικόσ κακρζπτθσ ρεφματοσ με p-mos τρανηίςτορ το ςχιμα 2.42 φαίνεται ο ςυνδυαςμόσ και των δφο ειδϊν κακρεπτϊν για τθ μεταφορά του ρεφματοσ ςτθν ζξοδο του n-mos τρανηίςτορ.αυτι τθν τοπολογία κα τθν μελετιςουμε και αργότερα πιο αναλυτικά,γιατί με αυτι καταςκευάηουμε τον προγραμματιηόμενο κακρζπτθ ρεφματοσ μζςω του οποίου ειςάγουμε ρεφμα ςτον τελεςτικό ενιςχυτι. 39

40 χιμα 2.42 υςχζτιςθ των δφο τοπολογιϊν του κακρζπτθ ρεφματοσ 2.5 φνκεςθ των βακμίδων και ςχεδίαςθ τελεςτικοφ ενιςχυτι ε αυτό το ςθμείο κα μάκουμε πωσ ςυνδυάηοντασ όλεσ τισ βακμίδεσ που μελετιςαμε ωσ τϊρα κα καταςκευάςουμε τον τελεςτικό μασ ενιςχυτι. Για να είναι ςωςτι θ ςχεδίαςθ ενόσ κυκλϊματοσ πρζπει να είναι ςωςτι θ επιλογι των βαςικϊν κυκλωματικϊν βακμίδων που κα τθν αποτελουν. Γενικά γνωρίηουμε ότι ζνασ τελεςτικόσ ενιςχυτισ είναι ιδανικόσ αν ζχει άπειρθ ενίςχυςθ. Για να δθμιουργιςουμε ζναν τελεςτικό ενιςχυτι κα πρζπει να ζχουμε ενίςχυςθ διαφορικϊν ςθμάτων,άρα ςίγουρα ζναν διαφορικό ενιςχυτι.για να πετφχουμε το κζρδοσ τάςθσ να αυξθκεί χρθςιμοποιοφμε και άλλθ ενιςχυτικι βακμίδα μαηί με το διαφορικό ενιςχυτι. το υποκεφάλαιο 2.1 ςτα ςχιματα 2.6 και 2.11 παρουςίαηονται οι τοπολογίεσ του ενιςχυτι κοινισ πθγισ που προςκζτουμε για να αυξιςουμε τθν ενίςχυςθ του διαφορικοφ μασ ενιςχυτι. Για να γίνει αυτό θ δεφτερθ βακμίδα είναι ςε ςειρά με τθν πρϊτθ.αφοφ ζχουμε δφο βακμίδεσ ςε ςειρά ζχουμε δθμιουργιςει ζναν διςταδιακό τελεςτικό ενιςχυτι. Εμείσ ςτισ τοπολογίεσ των τελεςτικϊν που κα μελετιςουμε ςτο επόμενο κεφάλαιο κα ζχουμε πάντα ωσ βακμίδεσ ειςόδου ζναν διαφορικό ενιςχυτι ι ζναν level shifter για λόγουσ που κα αναλυκοφν ςε εκείνο το κεφάλαιο. Αυτό που πρζπει να γίνει κατανοθτό είναι ότι δεν γίνεται όλεσ οι βακμίδεσ ειςόδου και εξόδου δεν μποροφν να ςυνδεκοφν μεταξφ τουσ. Αυτό ςυμβαίνει επειδι θ τάςθ ειςόδου ςε κάκε τοπολογία εκ των βακμίδων που μελετάμε είναι διαφορετικι από τισ υπόλοιπεσ με αποτζλεςμα να χρειάηεται ειδικι μελζτθ για το ςυνδυαςμό των επιμζρουσ βακμίδων. Πιο ςυγκεκριμζνα ςτον ενιςχυτι κοινισ πθγισ ανάλογα με το αν είναι n-mos ι p-mos το τρανηίςτορ ειςόδου είναι διαφορετικι θ τάςθ πόλωςθσ ειςόδου. Αυτό είναι πολφ ςθμαντικό αφοφ κζλουμε να λειτουργοφν αποδοτικά όλεσ οι βακμίδεσ για να πετφχουμε το μζγιςτο αποτζλεςμα τόςο ωσ προσ το κζρδοσ όςο και ωσ προσ τα υπόλοιπα χαρακτθριςτικά του ενιςχυτι μασ. 40

41 Όπωσ είχε αναλυκεί νωρίτερα ο ενιςχυτισ κοινισ πθγισ με n-mos τρανηίςτορ ειςόδου,δζχεται τάςθ πόλωςθσ ειςόδου θ οποία πρζπει να ζχει τιμζσ μικρότερεσ από /2. Αυτό ςθμαίνει ότι και ςτθν ζξοδο του διαφορικοφ ενιςχυτι πρζπει να υφίςταται το ςυγκεκριμζνο εφροσ τιμϊν ϊςτε να ζχουμε ςωςτι πόλωςθ και τθσ δεφτερθσ βακμίδασ ενίςχυςθσ. Αντίςτοιχα ο ενιςχυτισ κοινισ πθγισ με p-mos τρανηίςτορ ειςόδου, δζχεται τάςθ πόλωςθσ ειςόδου θ οποία πρζπει να ζχει τιμζσ μεγαλφτερεσ από /2. Αυτό ςθμαίνει ότι ςτθν ζξοδο του διαφορικοφ ενιςχυτι πρζπει να υφίςταται το ςυγκεκριμζνο εφροσ τιμϊν ϊςτε να ζχουμε ςωςτι πόλωςθ και τθσ δεφτερθσ βακμίδασ ενίςχυςθσ. Άρα γενικά ςτθ ςχεδίαςθ τελεςτικϊν ενιςχυτϊν ανάλογα τθν τάςθ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου και εξόδου που κα μελετθκεί ςτο κεφάλαιο 3 προςζξαμε ϊςτε οι βακμίδεσ μασ να μποροφν να πολωκοφν ομοιόμορφα όταν ενωκοφν. Δθλαδι να υφίςταται ςυςχζτιςθ μεταξφ τθσ τάςθσ εξόδου του διαφορικοφ ενιςχυτι και τθσ τάςθσ πόλωςθσ ειςόδου του ενιςχυτι κοινισ πθγισ. Μετά από ποικίλεσ προςωμοιϊςεισ που πραγματοποιιςαμε οδθγθκικαμε ςε ζνα ςθμαντικό ςυμπζραςμα ςχετικά με τισ βακμίδεσ που ταιριάηουν ςε ζναν διςταδιακό τελεςτικό ενιςχυτι. Πιο ςυγκεκριμζνα όταν ζχουμε ωσ βακμίδα ειςόδου ζναν n-mos διαφορικό ενιςχυτι ςτον οποίο ειςάγουμε τάςθ κοινοφ ςιματοσ με μικρότερθ τιμι από το /2 και αυτόσ δίνει τάςθ εξόδου θ οποία ζχει μεγαλφτερθ τιμι από /2 και αυτόσ μπορεί να πολϊςει μια δεφτερθ βακμίδα θ οποία να δζχεται ςτθν είςοδο,τάςθ πόλωςθσ μεγαλφτερθ από /2 αντίςτοιχα. Άρα μποροφμε να τον ςυνδζςουμε με τον ενιςχυτι κοινισ πθγισ με p-mos τρανηίςτορ ειςόδου. Η ςυγκεκριμζνθ ςχεδίαςθ παρατθρείται ςτο ςχιμα Επίςθσ όταν ζχουμε ωσ βακμίδα ειςόδου ζναν p-mos διαφορικό ενιςχυτι ςτον οποίο ειςάγουμε τάςθ κοινοφ ςιματοσ θ οποία ζχει τιμι μικρότερθ από τθν τιμι /2 αυτόσ δίνει τάςθ εξόδου θ οποία ζχει μικρότερθ τιμι από /2 και αυτόσ μπορεί να πολϊςθ μια δεφτερθ βακμίδα θ οποία να δζχεται ςτθν είςοδο, τάςθ πόλωςθσ μικρότερθ από /2 αντίςτοιχα.άρα μποροφμε να τον ςυνδζςουμε με τον ενιςχυτι κοινισ πθγισ με n-mos τρανηίςτορ ειςόδου. Η ςυγκεκριμζνθ ςχεδίαςθ παρατθρείται ςτο ςχιμα Θα μποροφςαμε να προςκζςουμε και άλλεσ βακμίδεσ για να πετφχουμε μεγαλφτερο κζρδοσ ι καλφτερθ ςτακερότθτα του ςυςτιματοσ μασ,αλλά ςε αυτι τθν περίπτωςθ δεν κα γινόταν μελζτθ διςταδιακϊν τελεςτικϊν ενιςχυτϊν. Οι βακμίδεσ των level-shifters δεν είναι ενιςχυτικζσ βακμίδεσ και δεν αποτελοφν δεφτερο ςτάδιο για τθν καταςκευι ενόσ τελεςτικοφ ενιςχυτι. Η χριςθ τουσ κα γίνει πιο κατανοθτι ςτο κεφάλαιο 3 κατά τθ ςχεδίαςθ τελεςτικϊν ενιςχυτϊν ανάλογα τθν τάςθ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου και εξόδου. 41

42 χιμα 2.43 Σοπολογία διςταδιακοφ τελεςτικοφ ενιςχυτι με n-mos διαφορικό ενιςχυτι και p-mos ενιςχυτι κοινισ πθγισ χιμα 2.44 Σοπολογία διςταδιακοφ τελεςτικοφ ενιςχυτι με p-mos διαφορικό ενιςχυτι και n-mos ενιςχυτι κοινισ πθγισ 2.6 Γενικά χαρακτθριςτικά ςχεδίαςθσ τελεςτικοφ ενιςχυτι ε αυτι τθν υποενότθτα κα αναφζρουμε τα γενικά χαρακτθριςτικά για τθν ςχεδίαςθ ενόσ τελεςτικοφ ενιςχυτι. Γενικά κα αναλφςουμε τισ προδιαγραφζσ που είναι αναγκαίεσ για τθν ςχεδίαςθ του εκτόσ από το βαςικότερο κανόνα ςχεδίαςθσ που τον ζχουμε αναλφςει ιδθ ςτθν υποενότθτα 2.5 (ςωςτι επιλογι των ςτοιχειωδϊν κυκλωματικϊν βακμίδων). Επίςθσ ςε επόμενο κεφάλαιο κα γίνει κατανοθτό ότι ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ είναι ζνασ διαφορικόσ ενιςχυτισ με πολφ μεγαλφτερθ ενίςχυςθ. 42

43 Η τάςθ τροφοδοςίασ είναι μια από τισ πιο ςθμαντικζσ προδιαγραφζσ ενόσ τελεςτικοφ ενιςχυτι. Γενικά θ τιμι τθσ εξαρτάται από ςχεδιαςτικοφσ παράγοντεσ όπωσ οι απαιτιςεισ τθσ εκάςτοτε εφαρμογισ(χρθςιμοποιιςαμε χαμθλι τάςθ τροφοδοςίασ ςτο τελικό μασ ςφςτθμα αφοφ ο ενιςχυτισ μασ είναι χαμθλισ ιςχφοσ).γενικά όςο πιο μικρι τιμι τθσ τάςθσ τροφοδοςίασ τόςο πιο δφςκολθ θ ςχεδίαςθ. Σο ρεφμα τροφοδοςίασ ορίηεται ωσ το ρεφμα που ρζει από τον κετικό πόλο τθσ πθγισ τροφοδοςίασ προσ το ςυνολικό κφκλωμα. Η τιμι του επιλζγεται από τον ςχεδιαςτι γιατί κακορίηει ςχεδόν όλα τα χαρακτθριςτικά του τελεςτικοφ ενιςχυτι μασ(π.χ.επιλζγουμε ανάλογα τον αρικμό των τρανηίςτορ που κα βάλουμε παράλλθλα για να ρυκμίςουμε το λόγο W/L του κάκε τμιματοσ του κακρζπτθ ρεφματοσ με το επόμενο). Ζνασ τελεςτικόσ ενιςχυτι ςε ςυνδεςμολογία ανοικτοφ βρόχου, ενιςχφει τισ δφο ειςόδουσ V+ και V- παρζχοντασ τθν τάςθ εξόδου απλοφ τερματιςμοφ Vo. Vo=Αο( = Αο εξ.(2.40) Σο κζρδοσ ανοικτοφ βρόχου ςε ζναν ιδανικό τελεςτικό ενιςχυτι κεωρθτικά τείνει ςτο άπειρο,όμωσ ςε αυτόυσ που κα μελετιςουμε θ μζγιςτθ τιμι κα είναι 60 db.η εμπζδθςθ ειςόδου ενόσ τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι άλλο ζνα χαρακτθριςτικό και κεωρθτικά θ τιμι τθσ είναι άπειρθ. Η εμπζδθςθ τθσ ειςόδου είναι με απλά λόγια θ εμπζδθςθ που παρουςιάηει θ βακμίδα ειςόδου του τελεςτικοφ ενιςχυτι. Γενικι ςχζςθ: εξ.(2.41) όπου και είναι θ τάςθ και το ρεφμα ειςόδου ενόσ κυκλϊματοσ. Σα MOS τρανηίςτορ εμφανίηουν παραςιτικζσ χωρθτικότθτεσ μεταξφ πφλθσ και πθγισ με αποτζλεςμα θ εμπζδθςθ ειςόδου να εξαρτάται από τθν ςυγκεκριμζνθ παραςιτικι χωρθτικότθτα. Εξαιτίασ τισ χωρθτικισ ςυμπεριφοράσ θ εμπζδθςθ ειςόδου παίρνει μεγάλεσ τιμζσ σε χαμθλζσ ςυχνότθτεσ αλλά ελαττϊνεται όςο αυξάνεται θ ςυχνότθτα του ςιματοσ ειςόδου. Η εμπζδθςθ εξόδου ενόσ τελεςτικοφ ενιςχυτι κεωρείται μθδζν.τθν πράξθ όμωσ είναι μερικά Ohm εϊσ 1Κ Οhm.Αυτι θ κεϊρθςθ οδιγθςε ςτο ςυμπζραςμα ότι θ αντίςταςθ εξόδου είναι ανεξάρτθτθ από οποιοδιποτε φορτίο είναι ςυνδεδεμζνο ςτθν ζξοδο. Γενικι ςχζςθ: εξ.(2.42) Γενικά θ εμπζδθςθ εξόδου αν γραφεί με ακρίβεια μπορεί να είναι: Rdown εξ.(2.43) Γενικά ςε ζναν τελεςτικό ενιςχυτι κζλουμε να υφίςταται απόρριψθ κοινοφ ςιματοσ δθλαδι να ενιςχφονται μόνο οι διαφορζσ μεταξφ αναςτρζφουςασ και μθαναςτρζφουςασ ειςόδου(ενίςχυςθ μόνο τθσ διαφορικισ ειςόδου). 43

44 Γενικι ςχζςθ: CMRR=Ao/Acm εξ. (2.44) όπου Αο και Αcm είναι το διαφορικό κζρδοσ και το κζρδοσ κοινοφ ςιματοσ. Σο κοινό ςιμα ενόσ τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι θ κοινι τάςθ μεταξφ αναςτρζφουςασ και μθ-αναςτρζφουςασ ειςόδου. Σο κοινό ςιμα ζχει εφροσ μικρότερο από τισ τροφοδοςίεσ και εξαρτάται κυρίωσ από τθν βακμίδα ειςόδου.αν θ βακμίδα ειςόδου είναι φτιαγμζνθ με nmos διαφορικό ηευγάρι τότε θ μζγιςτθ και θ ελάχιςτθ τιμι του κοινοφ ςιματοσ είναι: εξ.(2.45) Αν θ βακμίδα ειςόδου είναι φτιαγμζνθ με pmos διαφορικό ηευγάρι τότε θ μζγιςτθ και θ ελάχιςτθ τιμι του κοινοφ ςιματοσ είναι: εξ.(2.46) Με άλλα λόγια το κοινό ςιμα ειςόδου πρζπει να είναι προσ τθν κετικι τροφοδοςία αν ζχουμε nmos διαφορικό ηευγάρι και προσ τθν γείωςθ ( ι τθν αρνθτικι τροφοδοςία) όταν ζχουμε pmos διαφορικό ηευγάρι.η τάςθ θρεμίασ εξόδου κακορίηεται εφκολα όταν ζχουμε ςυνδεςμολογίεσ κλειςτοφ βρόχου αρνθτικισ ανάδραςθσ.γενικά δεν κζλουμε να ζχει μεγάλεσ διακθμάνςεισ αλλά να είναι περίπου ίςθ με: = εξ.(2.47) ςε αυτι τθν περίπτωςθ θ τάςθ εξόδου μπορεί κεωρθτικά να κυμαίνεται ιςομερϊσ μεταξφ και τθσ γείωςθσ.ιδανικά θ τάςθ εξόδου μπορεί να κυμαίνεται μεταξφ γείωςθσ και κετικισ τάςθσ τροφοδοςίασ.εκτόσ από τα παραπάνω μασ ενδιαφζρει τθ τιμι τθσ ςυχνότθτασ μοναδιαίου κζρδουσ και το περικϊριο φάςθσ με τα οποία κα αςχολθκοφμε αναλυτικά ςτα επόμενα κεφάλαια τθσ παροφςασ εργαςίασ. 44

45 Κεφάλαιο 3: χεδίαςθ τελεςτικϊν ενιςχυτϊν ανάλογα τθν τάςθ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου και εξόδου 3.1 Ειςαγωγι ε αυτό το κεφάλαιο κα παρουςιάςουμε αναλυτικά τισ προδιαγραφζσ και τισ απαιτιςεισ που υφίςτανται κατά τθ ςχεδίαςθ τελεςτικϊν ενιςχυτϊν όταν ζχουμε ςυγκεκριμζνεσ περιπτϊςεισ ςχετικά με τθν τάςθ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου και εξόδου. Γενικά πρζπει να γνωρίηουμε ότι δεν μποροφμε να εφαρμόςουμε ςτα ςυςτιματα μασ οποιαδιποτε τιμι τάςθσ ειςόδου επικυμοφμε. Η τάςθ ειςόδου εξαρτάται τόςο από τθν βακμίδα ειςόδου όςο και από τθν βακμίδα εξόδου του ςυςτιματοσ μασ, ϊςτε όλο το ςφςτθμα να λειτουργεί ομοιόμορφα και να είναι ςωςτά πολωμζνο. Μπορεί ςε κάποιεσ περιπτϊςεισ θ τάςθ ειςόδου να είναι επικυμθτι για τθν βακμίδα ειςόδου αλλά να μθν πολϊνει ςωςτά τθν βακμίδα εξόδου. Γενικά ανάλογα με το αν τα τρανηίςτορ ςτα οποία κα εφαρμοςτεί θ τάςθ ειςόδου είναι n-mos ι p-mos τρανηίςτορ υφίςταται ζνα όριο ελάχιςτθσ και μζγιςτθσ τάςθσ κοινοφ ςιματοσ θ οποία μπορεί να εφαρμοςτεί για να ζχουμε ςωςτι λειτουργία του ςυςτιματοσ μασ. Αυτό το όριο υφίςταται γιατί ςε διαφορετικι περίπτωςθ δεν κα λειτουργοφςαν οι κακρζπτεσ ρεφματοσ του τελεςτικοφ μασ ενιςχυτι,οπότε και ο ίδιοσ. Πιο ςυγκεκριμζνα όταν θ τάςθ κοινοφ ςιματοσ εφαρμόηεται ςε ζνα n-mos τρανηίςτορ (ςτθν πφλθ), τότε θ τιμι τθσ κα πρζπει να είναι μεγαλφτερθ από /2 γιατί ςτο ςυγκεκριμζνο είδοσ τρανηίςτορ θ τάςθ τθσ πθγισ είναι ίςθ με τθν τάςθ τθσ πφλθσ αφαιρϊντασ το ςε αυτι.δθλαδι: = εξ.(3.1) Αυτι θ λεπτομζρεια είναι πάρα πολφ ςθμαντικι αφοφ θ τιμι τθσ τάςθσ τθσ πφλθσ μπορεί να μειωκεί αρκετά με αποτζλεςμα να μθν ζχει τθν απαραίτθτθ τιμι που χρειάηεται ϊςτε να επιτρζψει τθν ςωςτι λειτουργία των τρανηίςτορ του κακρζπτθ ρεφματοσ. Άρα να μθν επιτρζπει ςωςτό κακρεπτιςμό. Για καλφτερθ κατανόθςθ απομονϊςαμε το τμιμα του διαφορικοφ ηευγαριοφ μαηί με το ζνα τρανηίςτορ του κακρζπτθ το οποίο παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 3.1. Η τιμι του είναι περίπου τθσ τάξθσ του 400mV-500mV,άρα για να υφίςταται ςωςτι λειτουργία ςτο κακρζπτθ θ απαιτοφμενθ τιμι τθσ τάςθσ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου κα πρζπει να είναι μεγαλφτερθ από 800mV. 45

46 χιμα 3.1 Εφαρμογι υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου ςε n-mos διαφορικό ηευγάρι. Η άλλθ περίπτωςθ είναι να εφαρμόηεται θ τάςθ κοινοφ ςιματοσ ςε ζνα p-mos τρανηίςτορ (ςτθν πφλθ),τότε θ τιμι τθσ κα πρζπει να είναι μικρότερθ από /2 γιατί ςτο ςυγκεκριμζνο είδοσ τρανηίςτορ θ τάςθ τθσ πθγισ είναι ίςθ με τθν τάςθ τθσ πφλθσ προςκζτοντασ το ςε αυτι.δθλαδι: = εξ.(3.1) Αυτι θ λεπτομζρεια είναι πάρα πολφ ςθμαντικι αφοφ θ τιμι τθσ τάςθσ τθσ πφλθσ μπορεί να αυξθκεί αρκετά με αποτζλεςμα να μθν ζχει τθν απαραίτθτθ τιμι που χρειάηεται ϊςτε να επιτρζψει τθν ςωςτι λειτουργία των τρανηίςτορ του κακρζπτθ ρεφματοσ. Αν θ τιμι τθσ φτάςει τθν τιμι τθσ τάςθσ τροφοδοςίασ, τότε το τρανηίςτορ κα ζχει ίδια τιμι τάςθσ ςτον απαγωγό και ςτθν πιγι με αποτζλεςμα να μθν υφίςταται διαφορά και να μθν άγει. Άρα να μθν επιτρζπει ςωςτό κακρεπτιςμό. Για καλφτερθ κατανόθςθ απομονϊςαμε το τμιμα του διαφορικοφ ηευγαριοφ μαηί με το ζνα τρανηίςτορ του κακρζπτθ το οποίο παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 3.2. Η τιμι του είναι περίπου τθσ τάξθσ του 400mV-500mV, άρα για να υφίςταται ςωςτι λειτουργία ςτο κακρζπτθ θ απαιτοφμενθ τιμι τθσ τάςθσ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου κα πρζπει να είναι μικρότερθ από 500mV. χιμα 3.2 Εφαρμογι χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου ςε p-mos διαφορικό ηευγάρι. Επίςθσ ςε επόμενθ ενότθτα κα δείξουμε τθν λειτουργία των level shifters ωσ βακμίδα για να «κατεβάηει» ι να «ανεβάηει» τθν τάςθ ςτθν πφλθ κατά ζνα 46

47 ςτακερό επίπεδο τάςθσ. Αυτι θ βακμίδα κα μασ φανεί αρκετά χριςιμθ αφοφ κα μποροφμε να ειςάγουμε επικυμθτι τιμι τάςθσ ςτα διαφορικά ηευγάρια των διαφορικϊν ενιςχυτϊν. Για να ρυκμίςουμε τθν τάςθ εξόδου ςτισ τοπολογίεσ των τελεςτικϊν ενιςχυτϊν είναι δφςκολο αφοφ θ βακμίδα εξόδου είναι ο ενιςχυτισ κοινισ πθγισ ςτον οποίο ενϊνονται οι απαγωγοί των δφο τρανηίςτορ που τον αποτελοφν με αποτζλεςμα να μθν ζχουμε τθν δυνατότθτα να ρυκμίςουμε τθν τάςθ εξόδου αφοφ θ τιμι τθσ τάςθσ του απαγωγοφ δεν εξαρτάται από τθν τιμι τθσ τάςθσ οφτε τθσ πφλθσ οφτε τθσ πθγισ. Η ςυγκεκριμζνθ δυςκολία αντιμετωπίηετε με ζναν απλό τρόπο ο οποίοσ χρθςιμοποιείται ςυχνά.σο ςφςτθμα μασ το μετατρζπουμε ςε ςφςτθμα κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου. Αυτό ςθμαίνει ότι ενϊνουμε τθν είςοδο με τθν ζξοδο του τελεςτικοφ ενιςχυτι και <<απαιτοφμε>> να ζχουμε ίδια τιμι τάςθσ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου και εξόδου. Άρα με τον παραπάνω τρόπο ζχουμε τθν δυνατότθτα ςτθν μια περίπτωςθ να μεταφζρουμε χαμθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου όταν ζχουμε χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου και ςτθν άλλθ περίπτωςθ να μεταφζρουμε υψθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου όταν ζχουμε υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου. Αυτό γίνεται χωρίσ να προςκζςουμε εξωτερικι βακμίδα ςτον τελεςτικό μασ ενιςχυτι. τθν περίπτωςθ όμωσ που κζλουμε όταν ζχουμε χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου να μεταφζρουμε υψθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου ι όταν ζχουμε υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου να μεταφζρουμε χαμθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου δεν γίνεται να επιτευχκεί με τον παραπάνω τρόπο αφοφ δεν κζλουμε να πετφχουμε ότι τιμι ζχουμε ςτθν είςοδο να μεταφερκεί και ςτθν ζξοδο του ενιςχυτι μασ. Γι αυτό το λόγο προςκζτουμε μια εξωτερικι βακμίδα με μζκοδο που κα αναλυκεί ςε επόμενθ ενότθτα. Γενικά ςε αυτό το κεφάλαιο κα μελετιςουμε τισ εξισ περιπτϊςεισ ςχεδίαςθσ τελεςτικϊν ενιςχυτϊν ανάλογα τθν τάςθ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου και εξόδου: Μελζτθ περίπτωςθσ χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου. Μελζτθ περίπτωςθσ υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου. Μελζτθ περίπτωςθσ χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου. Μελζτθ περίπτωςθσ υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου. ε κάκε μια από τισ παραπάνω περιπτϊςεισ κα παρουςιάςουμε δφο τοπολογίεσ οι οποίεσ κα περιζχουν διαφορετικι τοπολογία βακμίδασ ειςόδου και διαφορετικι τοπολογία βακμίδασ εξόδου. Όταν αναφερόμαςτε γενικά ςε κοινό ςιμα ειςόδου κεωροφμε τθν τάςθ που πρζπει να εφαρμόςουμε ςτο κετικό άκρο του τελεςτικοφ ενιςχυτι μασ για να πολϊςουμε ςωςτά τθν τοπολογία που μελετάμε.αυτι μπορεί να ζχει χαμθλι τιμι,με αποτζλεςμα να ζχουμε τθν περίπτωςθ χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου ι υψθλι και να ζχουμε υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου. Η τιμι του κοινοφ ςιματοσ ειςόδου εξαρτάται αν κα είναι υψθλι ι χαμθλι,από τθν τιμι τθσ τάςθσ τθν οποία εφαρμόηουμε ςτον ενιςχυτι μασ. Ζνα κοινό ςιμα ειςόδου κεωρείται χαμθλό 47

48 όταν ζχει τιμι μικρότερθ από ενϊ υψθλό όταν ζχει τιμι μεγαλφτερθ από. Γενικά εμείσ ωσ τάςθ τροφοδοςίασ κα χρθςιμοποιοφμε τθν τιμι 1.2V τθν οποία χρθςιμοποιοφςαμε ςε όλεσ τισ βακμίδεσ ςτο προθγοφμενο κεφάλαιο. Επίςθσ εμείσ ωσ χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου κεωροφμε τθν τιμι 400mV και ωσ υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου τθν τιμι 900mV. Με αυτζσ τισ τιμζσ ζχουμε πραγματοποιιςεισ τισ αντίςτοιχεσ προςωμοιϊςεισ μασ. 3.2 Μελζτθ περίπτωςθσ χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου Αρχικά όπωσ αναφζραμε ςτθν προθγοφμενθ υποενότθτα το χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου μπορεί να εφαρμοςτεί ςε διαφορικό ηευγάρι p-mos γιατί αν εφαρμοςτεί ςε n-mos θ τιμι τθσ τάςθσ ςτθ πφλθ του κάκε τρανηίςτορ κα φτάςει ςτο μθδζν οπότε ο κακρζπτθσ κα ζχει μθδενικι διαφορά μεταξφ απαγωγοφ και πφλθσ και δεν κα κακρεπτίηει ςωςτά αφοφ κα είναι κλειςτόσ (θ τάςθ του απαγωγοφ των τρανηίςτορ του κακρζπτθ εξαρτάται από τθν τάςθ τθσ πφλθσ των τρανηίςτορ του διαφορικοφ ηευγαριοφ). Άρα ςίγουρα θ μια τοπολογία εκ των δφο που κα μελετιςουμε κα αποτελείται από διαφορικό ενιςχυτι με διαφορικό ηευγάρι p-mos τρανηίςτορ. Επίςθσ αφοφ αναφερόμαςτε ςε διςταδιακό τελεςτικό ενιςχυτι θ δεφτερθ βακμίδα κα είναι ενιςχυτισ κοινισ πθγισ. Για λόγουσ που αναφζραμε ςε προθγοφμενο υποκεφάλαιο το τρανηίςτορ ειςόδου τθσ ςυγκεκριμζνθσ βακμίδασ κα είναι n-mos. Η τοπολογία του τελεςτικοφ ενιςχυτι με χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου για τθν επίτευξθ χαμθλισ πόλωςθσ εξόδου φαίνεται ςτο ςχιμα 3.3. Όπωσ παρατθρείται θ τάςθ ςτουσ δφο ακροδζκτεσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι ίδια, το οποίο είναι και το επικυμθτό και αποτελεί ςτοιχείο ταυτότθτασ του ςυγκεκριμζνου ενιςχυτι (Άπειρθ ενίςχυςθ με αποτζλεςμα να υφίςταται ίδια τάςθ ςτισ δφο ειςόδουσ). Η επίτευξθ των ςυγκεκριμζνων τιμϊν ζγινε μζςο μελζτθσ κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου, ςτο οποίο επιβάλουμε θ τάςθ πόλωςθσ εξόδου να είναι ίδια με το κοινό ςιμα ειςόδου. Για καλφτερθ κατανόθςθ παρουςίαηετε ςτο ςχιμα 3.4 ο τρόποσ που ςυςχετίηουμε τθν είςοδο με τθν ζξοδο. ε αυτό το ςχιμα παρουςίαηετε ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ με μορφι ςυμβόλου,ςτον οποίο ειςάγουμε ςτον αρνθτικό ακροδζκτθ μια τάςθ =400mV που αποτελεί το κοινό ςιμα ειςόδου,ζνα ρεφμα πόλωςθσ =20μΑ και ςτον κετικό ακροδζκτθ μια πθγι θμιτονικϊν ςθμάτων πλάτουσ 500μV. Ο πυκνωτισ ζχει εμπζδθςθ 1F και θ αντίςταςθ ζχει τιμι 1ΜΩ. Αφοφ ενϊνουμε τθν αρνθτικι είςοδο του τελεςτικοφ ενιςχυτι με τθν ζξοδο πραγματοποιοφμε διαδικαςία αρνθτικισ ανάδραςθσ. 48

49 χιμα 3.3 Σοπολογία τελεςτικοφ ενιςχυτι με χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου για τθν επίτευξθ χαμθλισ πόλωςθσ εξόδου χιμα 3.4 Παρουςίαςθ μεκόδου κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου ςε τελεςτικό ενιςχυτι Γενικά ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ για να λειτουργεί ςωςτά κα πρζπει ο βρόχοσ να είναι αρνθτικισ ανάδραςθσ. ε αυτι τθ περίπτωςθ ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ λειτουργεί ςαν ςχεδόν ιδανικι πθγι τάςθσ. Αυτι θ κεϊρθςθ μασ οδθγεί ςτο ςυμπζραςμα ότι θ τιμι τθσ τάςθσ εξόδου είναι ανεξάρτθτθ του φορτίου του ενιςχυτι. τθν πραγματικότθτα όςο το φορτίο μικραίνει τόςο το ρεφμα του φορτίου αυξάνει για μια ςυγκεκριμζνθ τάςθ εξόδου.αυτό ςθμαίνει ότι το ρεφμα που παρζχει ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ ςτο φορτίο αυξάνει και αυτό με τθ ςειρά του. Άρα ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ κα πρζπει να είναι ικανόσ να δίνει το ρεφμα που ηθτάει το 49

50 φορτίο.αν δεν ιςχφει αυτό τότε ο ενιςχυτισ δεν κα μπορεί να ςυντθριςει τθν αρνθτικι ανάδραςθ με αποτζλεςμα το κφκλωμα να μθν λειτουργεί ςωςτά. Γενικά γνωρίηουμε ότι το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ι γενικά οποιαδιποτε διςδιάςτατθσ βακμίδασ είναι το γινόμενο των κερδϊν των επιμζρουσ βακμίδων. Αυτό ςθμαίνει ότι εάν ζχουμε ενιςχυτικζσ βακμίδεσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι κα είναι αρκετά μεγαλφτερο ςε ςχζςθ με το κζρδοσ των επιμζρουσ βακμίδων. Σο κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ παρουςιάηετε ςτα ςχιματα 3.5 και 3.6 ςτθν μια περίπτωςθ ωσ κακαρόσ αρικμόσ και ςτθν άλλθ ςε db. Για υπενκφμιςθ το κζρδοσ το μετατρζπουμε ςε db μζςο τθσ ςχζςθσ: = εξ. (3.1) Για καλφτερθ κατανόθςθ όςων αναφζραμε παραπάνω κα παρουςιάςουμε και τισ επιμζρουσ γραφικζσ του κζρδουσ για το διαφορικό ενιςχυτι (βλζπε ςχιμα 3.7) και για τον ενιςχυτι κοινισ πθγισ (βλζπε ςχιμα 3.8). χιμα 3.5 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.6 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) 50

51 χιμα 3.7 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.8 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) Όπωσ φαίνεται ξεκάκαρα από τισ προθγοφμενεσ γραφικζσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι αποτελεί το γινόμενο των επιμζρουσ κερδϊν. Η τιμι τθσ ενίςχυςθσ =42,62 από το ςχιμα 3.7 και θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ =24.47 από το ςχιμα 3.8. Επίςθσ θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι Α =700 ςφμφωνα με το ςχιμα 3.5. Αν ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ιταν ιδανικόσ κα ζπρεπε να προζκυπτε θ ενίςχυςθ του ίςθ με το γινόμενο των επιμζρουσ ενιςχφςεων των βακμίδων ενίςχυςθσ. Αρα κα ζπρεπε να προκφψει θ ενίςχυςθ περίπου ίςθ με Α,και ςε db κα ζπρεπε να προζκυπτε μια τιμι ίςθ με περίπου 60dB. Ο δικόσ μασ ενιςχυτισ ςφμφωνα με το ςχιμα 3.6 ζχει ενίςχυςθ ςε db ίςθ με. Προφανϊσ υφίςταται μια απόκλιςθ θ οποία είναι ςθμαντικι αλλά οφείλεται ςτο γεγονόσ ότι το τελικό ςφςτθμα του ενιςχυτι μασ δεν είναι ιδανικό. 51

52 Εκτόσ από το κζρδοσ μασ ενδιαφζρει και θ φάςθ του ενιςχυτι μασ.αρχικά ςε κάκε κφκλωμα με MOS τρανηίςτορ πάντοτε υπάρχουν τρανηίςτορ που κα ςυνδζουν κάκε κόμβο με τθ τροφοδοςία και τθ γείωςθ.εξαιτίασ αυτοφ κάκε κόμβοσ Χ κα εμφανίηει αντίςταςθ και χωρθτικότθτα ωσ προσ τθ γείωςθ για τα αςκενι ςιματα.ζτςι μποροφμε να ποφμε ότι ο ςυχνοτικόσ πόλοσ που ειςάγει ζνασ κόμβοσ Χ δίνεται από τθν επόμενθ ςχζςθ: εξ.(3.2) Για να βροφμε τθν ςυχνοτικι απόκριςθ ενόσ κόμβου κα πρζπει να βροφμε τθν αντίςταςθ και τθ χωρθτικότθτα του κόμβου. ε κυκλϊματα ενιςχυτϊν ο πόλοσ που βρίςκεται χαμθλότερα ςτισ ςυχνότθτεσ ονομάηεται κφριοσ ι κυρίαρχοσ πόλοσ του ςυςτιματοσ. Ο κυρίαρχοσ κακορίηεται αποκλειςτικά από τθν αντίςταςθ και τθ χωρθτικότθτα που εμφανίηει ο κόμβοσ τθσ εξόδου. Ο κόμβοσ τθσ εξόδου είναι ο κόμβοσ τθσ υψθλισ αντίςταςθσ, άρα μποροφμε να κεωριςουμε ότι ςε κυκλϊματα ενιςχυτϊν ο κόμβοσ υψθλισ αντίςταςθσ κακορίηει το κυρίαρχο πόλο του ςυςτιματοσ. Όταν θ ςυχνότθτα του ςιματοσ ειςόδου γίνει ίςθ με τότε το μζτρο τθσ ενίςχυςθσ κα ζχει μειωκεί κατά 3dB. Άρα: εξ.(3.3) Ο πόλοσ που βρίςκεται ςε πολφ υψθλότερεσ ςυχνότθτεσ ςε ςχζςθ με τον κφριο πόλο ονομάηεται δευτερεφων πόλοσ ι μθ-κυρίαρχοσ πόλοσ. Ο δευτερεφων πόλοσ κακορίηεται από τον κόμβο χαμθλισ αντίςταςθσ και χαμθλοφ κζρδουσ. Άρα: εξ.(3.4) ε οποιοδιποτε διάγραμμα Bode όταν θ ςυχνότθτα f του διαφορικοφ ςιματοσ ειςόδου γίνει ίςθ με τθν τότε το κζρδοσ κα ζχει μειωκεί κατα 3dB. Για f> τότε το κζρδοσ κα μειϊνεται με ρυκμό 20dB/dec. Όταν θ ςυχνότθτα f ξεπεράςει τθ ςυχνότθτα του δευτερεφοντοσ πόλου το κζρδοσ κα μειϊνεται με ρυκμό 40dB/dec. Για να παρατθριςουμε τόςο τουσ πόλουσ όςο και τθ φάςθ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ κα πραγματοποιιςουμε τθν γραφικι τθσ φάςθσ ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ. Αυτι θ γραφικι φαίνεται ςτο ςχιμα 3.9. Γενικά όςο θ ςυχνότθτα αυξάνει τόςο το κζρδοσ κα μειϊνεται. Τπάρχει όμωσ μια τιμι ςτθν οποία το μζτρο τθσ ενίςχυςθσ γίνεται ίςο με τθ μονάδα.επίςθσ περικϊριο φάςθσ είναι θ διαφορά 52

53 φάςθσ από τισ ςτθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ. Από το ςχιμα 3.6 βρίκαμε τθν τιμι τθσ ςυχνότθτασ μοναδιαίου κζρδουσ θ οποία είναι ίςθ με: = MHz Άρα κα πρζπει να βροφμε τθν φάςθ για τθν παραπάνω ςυχνότθτα και κα επικυμοφςαμε να είναι περίπου ςτισ. χιμα 3.9 Φάςθ ενιςχυτι(deg)-ςυχνότθτα(hz) Η τιμι τθσ φάςθσ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ είναι ίςθ με φ=68.80deg όπωσ παρατθρείται ςτο ςχιμα 3.9. Σο περικϊριο φάςθσ είναι ίςο με: phase= 68.80deg-180deg) =111.2deg Άρα ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ζχει καλι ςυχνοτικι ςυμπεριφορά τόςο ωσ προσ το κζρδοσ όςο και ωσ προσ τθ φάςθ. Ζκτοσ από τθν παραπάνω τοπολογία για τθν περίπτωςθ χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου υφίςταται και θ τοπολογία με n-mos διαφορικό ηευγάρι. Προφανϊσ θ υλοποίθςθ αυτισ τθσ τοπολογίασ είναι πιο περίπλοκθ ςε ςχζςθ με το p-mos διαφορικό ηευγάρι.δφο είναι τα προβλιματα τα οποία ζπρεπε να αντιμετωπιςτοφν. Σο πρϊτο ιταν το πωσ κα καταφζρουμε να ειςάγουμε το επικυμθτό κοινό ςιμα ϊςτε να πολωκεί ςωςτά ολόκλθροσ ο ενιςχυτισ και να λειτουργοφν όλεσ οι βακμίδεσ του. Όπωσ ζχει αναφερκεί ςτθν είςοδο το κοινό ςιμα κα πρζπει να είναι υψθλό ςτθν περίπτωςθ n-mos διαφορικοφ ηευγαριοφ. Αυτι θ μετατροπι του χαμθλόυ κοινοφ ςιματοσ ςε υψθλό κοινό ςιμα αντιμετωπίηετε με χριςθ level shifters. Σο δεφτερο πρόβλθμα ιταν κζμα ςυμμετρίασ. Δθλαδι κζλαμε το κφκλωμα μασ να μθν χάςει τθ ςυμμετρία του γιατί κα υπιρχαν δυςκολίεσ ςτθ λειτουργία. Γι αυτό το λόγο προςκζςαμε ςυμμετρικοφσ level shifters και ςτισ δφο ειςόδουσ του ενιςχυτι μασ. Άρα για να μθν ζχουμε κζμα με τθ ςυμμετρία του κυκλϊματοσ και κατά 53

54 ςυνζπεια με τθ λειτουργία του ειςάγουμε δφο level shifters. Επίςθσ οι level shifters που χρθςιμοποιιςαμε ιταν p-mos ϊςτε να μετατρζπουμε,ανεβάηοντασ κατά τθν τάςθ, τθν χαμθλι τάςθ ςε υψθλι τάςθ κοινοφ ςιματοσ. Όποτε πλζον θ είςοδοσ του ςυςτιματοσ είναι οι level shifters και οι ζξοδοι των level shifters είναι οι είςοδο του διαφορικοφ ηευγαριοφ των n-mos τρανηίςτορ. Η τοπολογία του ςυγκεκριμζνου τελεςτικοφ ενιςχυτι παρουςιάηετε ςτο ςχιμα Προφανϊσ για τθν καταςκευι του χρειάηονται περιςςότερα τρανηίςτορ ςε ςχζςθ με τθν προθγοφμενθ τοπολογία αλλά αν διακζτουμε μόνο n-mos διαφορικό ενιςχυτι και κζλουμε με χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου να πετφχουμε χαμθλι πόλωςθσ εξόδου λειτουργεί επικυμθτά. Όπωσ παρατθρείται θ τάςθ ςτουσ δφο ακροδζκτεσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι ίδια, το οποίο είναι και το επικυμθτό και αποτελεί ςτοιχείο ταυτότθτασ του ςυγκεκριμζνου ενιςχυτι (Άπειρθ ενίςχυςθ με αποτζλεςμα να υφίςταται ίδια τάςθ ςτισ δφο ειςόδουσ). Η επίτευξθ των ςυγκεκριμζνων τιμϊν ζγινε μζςο μελζτθσ κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου, ςτο οποίο επιβάλουμε θ τάςθ πόλωςθσ εξόδου να είναι ίδια με το κοινό ςιμα ειςόδου. Για καλφτερθ κατανόθςθ παρουςίαηετε ςτο ςχιμα 3.11 ο τρόποσ που ςυςχετίηουμε τθν είςοδο με τθν ζξοδο.ε αυτό το ςχιμα παρουςίαηετε ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ με μορφι ςυμβόλου, ςτον οποίο ειςάγουμε ςτον αρνθτικό ακροδζκτθ μια τάςθ =500mV που αποτελεί το κοινό ςιμα ειςόδου,ζνα ρεφμα πόλωςθσ =20μΑ και ςτον κετικό ακροδζκτθ μια πθγι θμιτονικϊν ςθμάτων πλάτουσ 500μV. Ο πυκνωτισ ζχει εμπζδθςθ 1F και θ αντίςταςθ ζχει τιμι 1ΜΩ. Αφοφ ενϊνουμε τθν αρνθτικι είςοδο του τελεςτικοφ ενιςχυτι με τθν ζξοδο πραγματοποιοφμε διαδικαςία αρνθτικισ ανάδραςθσ. χιμα 3.10 Σοπολογία τελεςτικοφ ενιςχυτι με χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου για τθν επίτευξθ χαμθλισ πόλωςθσ εξόδου 54

55 χιμα 3.11 Παρουςίαςθ μεκόδου κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου ςε τελεςτικό ενιςχυτι Γενικά ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ για να λειτουργεί ςωςτά κα πρζπει ο βρόχοσ να είναι αρνθτικισ ανάδραςθσ όπωσ αναφζραμε και ςτθν προθγοφμενθ τοπολογία. Γενικά γνωρίηουμε ότι το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ι γενικά οποιαδιποτε διςδιάςτατθσ βακμίδασ είναι το γινόμενο των κερδϊν των επιμζρουσ βακμίδων. Αυτό ςθμαίνει ότι εάν ζχουμε ενιςχυτικζσ βακμίδεσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι κα είναι αρκετά μεγαλφτερο ςε ςχζςθ με το κζρδοσ των επιμζρουσ βακμίδων. Σο κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ παρουςιάηετε ςτα ςχιματα 3.12 και 3.13 ςτθν μια περίπτωςθ ωσ κακαρόσ αρικμόσ και ςτθν άλλθ ςε db. Για υπενκφμιςθ το κζρδοσ το μετατρζπουμε ςε db μζςο τθσ ςχζςθσ: = εξ. (3.1) Για καλφτερθ κατανόθςθ όςων αναφζραμε παραπάνω κα παρουςιάςουμε και τισ επιμζρουσ γραφικζσ του κζρδουσ για το διαφορικό ενιςχυτι (βλζπε ςχιμα 3.14) και για τον ενιςχυτι κοινισ πθγισ(βλζπε ςχιμα 3.15) και ακόλουκο πθγισ(βλζπε ςχιμα 3.16) 55

56 χιμα 3.12 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.13 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.14 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) 56

57 χιμα 3.15 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.16 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) Όπωσ φαίνεται ξεκάκαρα από τισ προθγοφμενεσ γραφικζσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι αποτελεί το γινόμενο των επιμζρουσ κερδϊν. Η τιμι τθσ ενίςχυςθσ =71.14 από το ςχιμα 3.14 και θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ =24.47 από το ςχιμα Επίςθσ θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι Α =474 ςφμφωνα με το ςχιμα Αν ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ιταν ιδανικόσ κα ζπρεπε να προζκυπτε θ ενίςχυςθ του ίςθ με το γινόμενο των επιμζρουσ ενιςχφςεων των βακμίδων ενίςχυςθσ. Αρα κα ζπρεπε να προκφψει θ ενίςχυςθ περίπου ίςθ με Α (τάξθσ μεγζκουσ),και ςε db κα ζπρεπε να προζκυπτε μια τιμι ίςθ με περίπου 60dB. Ο δικόσ μασ ενιςχυτισ ςφμφωνα με το ςχιμα 3.13 ζχει ενίςχυςθ ςε db ίςθ με. Προφανϊσ υφίςταται μια απόκλιςθ θ οποία είναι ςθμαντικι αλλά οφείλεται ςτο γεγονόσ ότι το τελικό ςφςτθμα του ενιςχυτι μασ δεν είναι ιδανικό. ε αυτι τθν τοπολογία θ ενίςχυςθ είναι μικρότερθ ςε ςχζςθ με τθν προθγοφμενθ αφοφ οι level shifters δεν είναι ιδανικοί και ζχουν 57

58 ενίςχυςθ λίγο μικρότερθ τθσ μονάδασ και ίςθ με Α=0.89. Άρα αν πολλαπλαςιάςουμε και αυτι τθν ενίςχυςθ με τισ αντίςτοιχεσ από τισ άλλεσ δφο ενιςχυτικζσ βακμίδεσ κα προκφψει λίγο μικρότερθ ςε ςχζςθ με εκείνθ που περιμζναμε,αν δεν τθν λαμβάναμε υπόψιν μασ. Για να παρατθριςουμε τόςο τουσ πόλουσ όςο και τθ φάςθ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ κα πραγματοποιιςουμε τθν γραφικι τθσ φάςθσ ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ. Αυτι θ γραφικι φαίνεται ςτο ςχιμα Γενικά όςο θ ςυχνότθτα αυξάνει τόςο το κζρδοσ κα μειϊνεται.τπάρχει όμωσ μια τιμι ςτθν οποία το μζτρο τθσ ενίςχυςθσ γίνεται ίςο με τθ μονάδα. Επίςθσ περικϊριο φάςθσ είναι θ διαφορά φάςθσ από τισ ςτθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ. Από το ςχιμα 3.13 βρίκαμε τθν τιμι τθσ ςυχνότθτασ μοναδιαίου κζρδουσ θ οποία είναι ίςθ με: = ΜΗz χιμα 3.17 Φάςθ ενιςχυτι (deg)-υχνότθτα(hz) Η τιμι τθσ φάςθσ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ είναι ίςθ με φ=64.97deg όπωσ παρατθρείται ςτο ςχιμα Γενικά κα πρζπει να βρίςκετε θ φάςθ για τθν παραπάνω ςυχνότθτα περίπου ςτισ ϊςτε να είναι ςωςτά ρυκμιςμζνο το περικϊριο φάςθσ του ενιςχυτι μασ. Σο περικϊριο φάςθσ είναι ίςο με: phase= 64.97deg-180deg) =115.03deg Άρα ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ζχει καλι ςυχνοτικι ςυμπεριφορά τόςο ωσ προσ το κζρδοσ όςο και ωσ προσ τθ φάςθ. 58

59 3.3 Μελζτθ περίπτωςθσ υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου Αρχικά όπωσ αναφζραμε ςτθν ειςαγωγικι υποενότθτα το υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου μπορεί να εφαρμοςτεί ςε διαφορικό ηευγάρι n-mos γιατί αν εφαρμοςτεί ςε p-mos θ τιμι τθσ τάςθσ ςτθ πφλθ του κάκε τρανηίςτορ κα φτάςει ςτο οπότε ο κακρζπτθσ κα ζχει μθδενικι διαφορά μεταξφ απαγωγοφ και πφλθσ και δεν κα κακρεπτίηει ςωςτά αφοφ κα είναι κλειςτόσ.(θ τάςθ του απαγωγοφ των τρανηίςτορ του κακρζπτθ εξαρτάται από τθν τάςθ τθσ πφλθσ των τρανηίςτορ του διαφορικοφ ηευγαριοφ.) Άρα ςίγουρα θ μια τοπολογία εκ των δφο που κα μελετιςουμε κα αποτελείται από διαφορικό ενιςχυτι με διαφορικό ηευγάρι n-mos τρανηίςτορ.επίςθσ αφοφ αναφερόμαςτε ςε διςταδιακό τελεςτικό ενιςχυτι θ δεφτερθ βακμίδα κα είναι ενιςχυτισ κοινισ πθγισ. Για λόγουσ που αναφζραμε ςε προθγοφμενο υποκεφάλαιο το τρανηίςτορ ειςόδου τθσ ςυγκεκριμζνθσ βακμίδασ κα είναι p-mos. Η τοπολογία του τελεςτικοφ ενιςχυτι με χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου για τθν επίτευξθ χαμθλισ πόλωςθσ εξόδου φαίνεται ςτο ςχιμα Όπωσ παρατθρείται θ τάςθ ςτουσ δφο ακροδζκτεσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι ίδια,το οποίο είναι και το επικυμθτό και αποτελεί ςτοιχείο ταυτότθτασ του ςυγκεκριμζνου ενιςχυτι. (Άπειρθ ενίςχυςθ με αποτζλεςμα να υφίςταται ίδια τάςθ ςτισ δφο ειςόδουσ). Η επίτευξθ των ςυγκεκριμζνων τιμϊν ζγινε μζςο μελζτθσ κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου,ςτο οποίο επιβάλουμε θ τάςθ πόλωςθσ εξόδου να είναι ίδια με το κοινό ςιμα ειςόδου. Για καλφτερθ κατανόθςθ παρουςίαηετε ςτο ςχιμα 3.19 ο τρόποσ που ςυςχετίηουμε τθν είςοδο με τθν ζξοδο. ε αυτό το ςχιμα παρουςίαηετε ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ με μορφι ςυμβόλου, ςτον οποίο ειςάγουμε ςτον αρνθτικό ακροδζκτθ μια τάςθ =900mV που αποτελεί το κοινό ςιμα ειςόδου,ζνα ρεφμα πόλωςθσ =100μΑ και ςτον κετικό ακροδζκτθ μια πθγι θμιτονικϊν ςθμάτων πλάτουσ 500μV. Ο πυκνωτισ ζχει εμπζδθςθ 1F και θ αντίςταςθ ζχει τιμι 1ΜΩ. Αφοφ ενϊνουμε τθν αρνθτικι είςοδο του τελεςτικοφ ενιςχυτι με τθν ζξοδο πραγματοποιοφμε διαδικαςία αρνθτικισ ανάδραςθσ. 59

60 χιμα 3.18.Σοπολογία τελεςτικοφ ενιςχυτι με υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου για τθν επίτευξθ υψθλι πόλωςθσ εξόδου. χιμα Παρουςίαςθ μεκόδου κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου ςε τελεςτικό ενιςχυτι Γενικά ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ για να λειτουργεί ςωςτά κα πρζπει ο βρόχοσ να είναι αρνθτικισ ανάδραςθσ όπωσ αναφζραμε και ςτθν προθγοφμενθ τοπολογία. Γενικά γνωρίηουμε ότι το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ι γενικά οποιαδιποτε διςδιάςτατθσ βακμίδασ είναι το γινόμενο των κερδϊν των επιμζρουσ βακμίδων. Αυτό ςθμαίνει ότι εάν ζχουμε ενιςχυτικζσ βακμίδεσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι κα είναι αρκετά μεγαλφτερο ςε ςχζςθ με το κζρδοσ των επιμζρουσ βακμίδων. Σο κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ παρουςιάηετε ςτα ςχιματα 3.20 και 3.21 ςτθν μια περίπτωςθ ωσ κακαρόσ αρικμόσ και ςτθν άλλθ ςε db. Για υπενκφμιςθ το κζρδοσ το μετατρζπουμε ςε db μζςο τθσ ςχζςθσ: = εξ.(3.1) 60

61 Για καλφτερθ κατανόθςθ όςων αναφζραμε παραπάνω κα παρουςιάςουμε και τισ επιμζρουσ γραφικζσ του κζρδουσ για το διαφορικό ενιςχυτι (βλζπε ςχιμα 3.21) και για τον ενιςχυτι κοινισ πθγισ(βλζπε ςχιμα 3.22). χιμα 3.20 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.21 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.22 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) 61

62 χιμα 3.23 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) Όπωσ φαίνεται ξεκάκαρα από τισ προθγοφμενεσ γραφικζσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι αποτελεί το γινόμενο των επιμζρουσ κερδϊν. Η τιμι τθσ ενίςχυςθσ =71.14 από το ςχιμα 3.21 και θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ =24.47 από το ςχιμα Επίςθσ θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι Α =349 ςφμφωνα με το ςχιμα Αν ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ιταν ιδανικόσ κα ζπρεπε να προζκυπτε θ ενίςχυςθ του ίςθ με το γινόμενο των επιμζρουσ ενιςχφςεων των βακμίδων ενίςχυςθσ. Αρα κα ζπρεπε να προκφψει θ ενίςχυςθ περίπου ίςθ με Α (τάξθσ μεγζκουσ), και ςε db κα ζπρεπε να προζκυπτε μια τιμι ίςθ με περίπου 60dB. Ο δικόσ μασ ενιςχυτισ ςφμφωνα με το ςχιμα 3.21 ζχει ενίςχυςθ ςε db ίςθ με. Προφανϊσ υφίςταται μια απόκλιςθ θ οποία είναι ςθμαντικι αλλά οφείλεται ςτο γεγονόσ ότι το τελικό ςφςτθμα του ενιςχυτι μασ δεν είναι ιδανικό. Για να παρατθριςουμε τόςο τουσ πόλουσ όςο και τθ φάςθ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ κα πραγματοποιιςουμε τθν γραφικι τθσ φάςθσ ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ. Αυτι θ γραφικι φαίνεται ςτο ςχιμα Γενικά όςο θ ςυχνότθτα αυξάνει τόςο το κζρδοσ κα μειϊνεται. Τπάρχει όμωσ μια τιμι ςτθν οποία το μζτρο τθσ ενίςχυςθσ γίνεται ίςο με τθ μονάδα. Επίςθσ περικϊριο φάςθσ είναι θ διαφορά φάςθσ από τισ ςτθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ. Από το ςχιμα 3.21 βρίκαμε τθν τιμι τθσ ςυχνότθτασ μοναδιαίου κζρδουσ θ οποία είναι ίςθ με: = MHz 62

63 χιμα 3.24 Φάςθ ενιςχυτι (deg)-υχνότθτα(hz) Η τιμι τθσ φάςθσ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ είναι ίςθ με φ=56,79deg όπωσ παρατθρείται ςτο ςχιμα Γενικά κα πρζπει να βρίςκετε θ φάςθ για τθν παραπάνω ςυχνότθτα περίπου ςτισ ϊςτε να είναι ςωςτά ρυκμιςμζνο το περικϊριο φάςθσ του ενιςχυτι μασ. Σο περικϊριο φάςθσ είναι ίςο με: phase= 56,79deg -180deg) =123.21deg Άρα ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ζχει καλι ςυχνοτικι ςυμπεριφορά τόςο ωσ προσ το κζρδοσ όςο και ωσ προσ τθ φάςθ. Ζκτοσ από τθν παραπάνω τοπολογία για τθν περίπτωςθ υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου υφίςταται και θ τοπολογία με p-mos διαφορικό ηευγάρι. Προφανϊσ θ υλοποίθςθ αυτισ τθσ τοπολογίασ είναι πιο περίπλοκθ ςε ςχζςθ με το n-mos διαφορικό ηευγάρι. Δφο είναι τα προβλιματα τα οποία ζπρεπε να αντιμετωπιςτοφν. Σο πρϊτο ιταν το πωσ κα καταφζρουμε να ειςάγουμε το επικυμθτό κοινό ςιμα ϊςτε να πολωκεί ςωςτά ολόκλθροσ ο ενιςχυτισ και να λειτουργοφν όλεσ οι βακμίδεσ του. Όπωσ ζχει αναφερκεί ςτθν είςοδο το κοινό ςιμα κα πρζπει να είναι χαμθλό ςτθν περίπτωςθ p-mos διαφορικοφ ηευγαριοφ. Αυτι θ μετατροπι του υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ςε χαμθλό κοινό ςιμα αντιμετωπίηετε με χριςθ level shifters. Σο δεφτερο πρόβλθμα ιταν κζμα ςυμμετρίασ. Δθλαδι κζλαμε το κφκλωμα μασ να μθν χάςει τθ ςυμμετρία του γιατί κα υπιρχαν δυςκολίεσ ςτθ λειτουργία. Γι αυτό το λόγο προςκζςαμε ςυμμετρικοφσ level shifters και ςτισ δφο ειςόδουσ του ενιςχυτι μασ.άρα για να μθν ζχουμε κζμα με τθ ςυμμετρία του κυκλϊματοσ και κατά ςυνζπεια με τθ λειτουργία του ειςάγουμε δφο level shifters. Επίςθσ οι level shifters που χρθςιμοποιιςαμε ιταν n-mos ϊςτε να μετατρζπουμε,κατεβάηοντασ κατά τθν τάςθ,τθν υψθλι τάςθ ςε χαμθλι τάςθ κοινοφ ςιματοσ. Όποτε πλζον 63

64 θ είςοδοσ του ςυςτιματοσ είναι οι level shifters και οι ζξοδοι των level shifters είναι οι είςοδο του διαφορικοφ ηευγαριοφ των p-mos τρανηίςτορ. Η τοπολογία του ςυγκεκριμζνου τελεςτικοφ ενιςχυτι παρουςιάηετε ςτο ςχιμα 3.25.Προφανϊσ για τθν καταςκευι του χρειάηονται περιςςότερα τρανηίςτορ ςε ςχζςθ με τθν προθγοφμενθ τοπολογία αλλά αν διακζτουμε μόνο p-mos διαφορικό ενιςχυτι και κζλουμε με υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου να πετφχουμε υψθλι πόλωςθ εξόδου λειτουργεί επικυμθτά. Όπωσ παρατθρείται θ τάςθ ςτουσ δφο ακροδζκτεσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι ίδια,το οποίο είναι και το επικυμθτό και αποτελεί ςτοιχείο ταυτότθτασ του ςυγκεκριμζνου ενιςχυτι (Άπειρθ ενίςχυςθ με αποτζλεςμα να υφίςταται ίδια τάςθ ςτισ δφο ειςόδουσ). Η επίτευξθ των ςυγκεκριμζνων τιμϊν ζγινε μζςο μελζτθσ κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου, ςτο οποίο επιβάλουμε θ τάςθ πόλωςθσ εξόδου να είναι ίδια με το κοινό ςιμα ειςόδου. Για καλφτερθ κατανόθςθ παρουςίαηετε ςτο ςχιμα 3.26 ο τρόποσ που ςυςχετίηουμε τθν είςοδο με τθν ζξοδο. ε αυτό το ςχιμα παρουςίαηετε ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ με μορφι ςυμβόλου,ςτον οποίο ειςάγουμε ςτον αρνθτικό ακροδζκτθ μια τάςθ =500mV που αποτελεί το κοινό ςιμα ειςόδου,ζνα ρεφμα πόλωςθσ =100μΑ και ςτον κετικό ακροδζκτθ μια πθγι θμιτονικϊν ςθμάτων πλάτουσ 500μV. Ο πυκνωτισ ζχει εμπζδθςθ 1F και θ αντίςταςθ ζχει τιμι 1ΜΩ. Αφοφ ενϊνουμε τθν αρνθτικι είςοδο του τελεςτικοφ ενιςχυτι με τθν ζξοδο πραγματοποιοφμε διαδικαςία αρνθτικισ ανάδραςθσ. χιμα 3.25 Σοπολογία τελεςτικοφ ενιςχυτι με υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου για τθν επίτευξθ υψθλι πόλωςθσ εξόδου. 64

65 χιμα Παρουςίαςθ μεκόδου κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου ςε τελεςτικό ενιςχυτι Γενικά ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ για να λειτουργεί ςωςτά κα πρζπει ο βρόχοσ να είναι αρνθτικισ ανάδραςθσ όπωσ αναφζραμε και ςτθν προθγοφμενθ τοπολογία. Γενικά γνωρίηουμε ότι το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ι γενικά οποιαδιποτε διςδιάςτατθσ βακμίδασ είναι το γινόμενο των κερδϊν των επιμζρουσ βακμίδων. Αυτό ςθμαίνει ότι εάν ζχουμε ενιςχυτικζσ βακμίδεσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι κα είναι αρκετά μεγαλφτερο ςε ςχζςθ με το κζρδοσ των επιμζρουσ βακμίδων. Σο κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ παρουςιάηετε ςτα ςχιματα 3.27 και 3.28 ςτθν μια περίπτωςθ ωσ κακαρόσ αρικμόσ και ςτθν άλλθ ςε db. Για υπενκφμιςθ το κζρδοσ το μετατρζπουμε ςε db μζςο τθσ ςχζςθσ: = εξ. (3.1) Για καλφτερθ κατανόθςθ όςων αναφζραμε παραπάνω κα παρουςιάςουμε και τισ επιμζρουσ γραφικζσ του κζρδουσ για το διαφορικό ενιςχυτι (βλζπε ςχιμα 3.29) και για τον ενιςχυτι κοινισ πθγισ(βλζπε ςχιμα 3.30) και ακόλουκο πθγισ(βλζπε ςχιμα 3.31) χιμα 3.27 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) 65

66 χιμα 3.28 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.29 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.30 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) 66

67 χιμα 3.31 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) Όπωσ φαίνεται ξεκάκαρα από τισ προθγοφμενεσ γραφικζσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι αποτελεί το γινόμενο των επιμζρουσ κερδϊν. Η τιμι τθσ ενίςχυςθσ =42.31 από το ςχιμα 3.29 και θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ =24.47 από το ςχιμα 3.30.Επίςθσ θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι Α = ςφμφωνα με το ςχιμα Αν ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ιταν ιδανικόσ κα ζπρεπε να προζκυπτε θ ενίςχυςθ του ίςθ με το γινόμενο των επιμζρουσ ενιςχφςεων των βακμίδων ενίςχυςθσ. Αρα κα ζπρεπε να προκφψει θ ενίςχυςθ περίπου ίςθ με Α (τάξθσ μεγζκουσ),και ςε db κα ζπρεπε να προζκυπτε μια τιμι ίςθ με περίπου 60dB. Ο δικόσ μασ ενιςχυτισ ςφμφωνα με το ςχιμα 3.28 ζχει ενίςχυςθ ςε db ίςθ με. Προφανϊσ υφίςταται μια απόκλιςθ θ οποία είναι ςθμαντικι αλλά οφείλεται ςτο γεγονόσ ότι το τελικό ςφςτθμα του ενιςχυτι μασ δεν είναι ιδανικό. ε αυτι τθν τοπολογία θ ενίςχυςθ είναι μικρότερθ ςε ςχζςθ με τθν προθγοφμενθ αφοφ οι level shifters δεν είναι ιδανικοί και ζχουν ενίςχυςθ λίγο μικρότερθ τθσ μονάδασ και ίςθ με Α=0.89. Άρα αν πολλαπλαςιάςουμε και αυτι τθν ενίςχυςθ με τισ αντίςτοιχεσ από τισ άλλεσ δφο ενιςχυτικζσ βακμίδεσ κα προκφψει λίγο μικρότερθ ςε ςχζςθ με εκείνθ που περιμζναμε, αν δεν τθν λαμβάναμε υπόψιν μασ. Για να παρατθριςουμε τόςο τουσ πόλουσ όςο και τθ φάςθ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ κα πραγματοποιιςουμε τθν γραφικι τθσ φάςθσ ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ. Αυτι θ γραφικι φαίνεται ςτο ςχιμα Γενικά όςο θ ςυχνότθτα αυξάνει τόςο το κζρδοσ κα μειϊνεται. Τπάρχει όμωσ μια τιμι ςτθν οποία το μζτρο τθσ ενίςχυςθσ γίνεται ίςο με τθ μονάδα. Επίςθσ περικϊριο φάςθσ είναι θ διαφορά φάςθσ από τισ ςτθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ. Από το ςχιμα 3.28 βρίκαμε τθν τιμι τθσ ςυχνότθτασ μοναδιαίου κζρδουσ θ οποία είναι ίςθ με: = MHz 67

68 χιμα 3.32 Φάςθ ενιςχυτι (deg)-υχνότθτα(hz) Η τιμι τθσ φάςθσ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ είναι ίςθ με φ=58.51deg όπωσ παρατθρείται ςτο ςχιμα Γενικά κα πρζπει να βρίςκετε θ φάςθ για τθν παραπάνω ςυχνότθτα περίπου ςτισ ϊςτε να είναι ςωςτά ρυκμιςμζνο το περικϊριο φάςθσ του ενιςχυτι μασ. Σο περικϊριο φάςθσ είναι ίςο με: phase= 58.51deg -180deg) =121.49deg Άρα ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ζχει καλι ςυχνοτικι ςυμπεριφορά τόςο ωσ προσ το κζρδοσ όςο και ωσ προσ τθ φάςθ. 3.4 Μελζτθ περίπτωςθσ χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου Για τουσ ίδιουσ λόγουσ που αναφζραμε ςτθν υποενότθτα 3.3 όταν ζχουμε υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου ζχουμε δφο τοπολογίεσ. Η πρϊτθ είναι με n-mos διαφορικό ηευγάρι. Επίςθσ αφοφ αναφερόμαςτε ςε διςταδιακό τελεςτικό ενιςχυτι θ δεφτερθ βακμίδα κα είναι ενιςχυτισ κοινισ πθγισ. Για λόγουσ που αναφζραμε ςε προθγοφμενο υποκεφάλαιο το τρανηίςτορ ειςόδου τθσ ςυγκεκριμζνθσ βακμίδασ κα είναι p-mos. Άρα μζςω των παραπάνω πετυχαίνουμε τθν τοπολογία του τελεςτικοφ ενιςχυτι με υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου και υψθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου, βλζπε ςχιμα Όμωσ εμείσ επικυμοφμε να εφαρμόηουμε υψθλό κοινό ςιμα ςτθν είςοδο και να πετυχαίνουμε χαμθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου. Αυτό για να επιτευχκεί χρειάηεται μια επιπλζον βακμίδα εξωτερικά του τελεςτικοφ ενιςχυτι θ οποία δεν κα είναι ενιςχυτικι αλλά ζνασ απλόσ level shifter. το ςχιμα 3.34 παρουςιάηεται θ πλιρθσ τοπολογία για τθν εφαρμογι υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ςτθν είςοδο και να πετυχαίνουμε χαμθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου. Όπωσ φαίνεται ζχουμε προςκζςει ζνα 68

69 n-mos level shifter, ϊςτε να μετατρζπουμε,κατεβάηοντασ τθν τάςθ κατά, τθν υψθλι τάςθ ςε χαμθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου. Ζτςι ζχουμε καταςκευάςει τθν πλιρθ τοπολογία για τθν περίπτωςθ χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου. χιμα 3.33 Σοπολογία τελεςτικοφ ενιςχυτι με υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου για τθν επίτευξθ υψθλι πόλωςθσ εξόδου χιμα 3.34 Παρουςίαςθ μεκόδου κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου ςε τελεςτικό ενιςχυτι για τθν επίτευξθ χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου όταν εφαρμόηεται υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου. Γενικά ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ για να λειτουργεί ςωςτά κα πρζπει ο βρόχοσ να είναι αρνθτικισ ανάδραςθσ όπωσ αναφζραμε και ςτθν προθγοφμενθ τοπολογία. Γενικά γνωρίηουμε ότι το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ι γενικά οποιαδιποτε διςδιάςτατθσ βακμίδασ είναι το γινόμενο των κερδϊν των επιμζρουσ βακμίδων. Αυτό ςθμαίνει ότι εάν ζχουμε ενιςχυτικζσ βακμίδεσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ 69

70 ενιςχυτι κα είναι αρκετά μεγαλφτερο ςε ςχζςθ με το κζρδοσ των επιμζρουσ βακμίδων. Σο κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ παρουςιάηετε ςτα ςχιματα 3.35 και 3.36 ςτθν μια περίπτωςθ ωσ κακαρόσ αρικμόσ και ςτθν άλλθ ςε db. Για υπενκφμιςθ το κζρδοσ το μετατρζπουμε ςε db μζςο τθσ ςχζςθσ: = εξ. 3.1 Για καλφτερθ κατανόθςθ όςων αναφζραμε παραπάνω κα παρουςιάςουμε και τισ επιμζρουσ γραφικζσ του κζρδουσ για το διαφορικό ενιςχυτι (βλζπε ςχιμα 3.37) και για τον ενιςχυτι κοινισ πθγισ(βλζπε ςχιμα 3.38). χιμα 3.35 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.36 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) 70

71 χιμα 3.37 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.38 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) Όπωσ φαίνεται ξεκάκαρα από τισ προθγοφμενεσ γραφικζσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι αποτελεί το γινόμενο των επιμζρουσ κερδϊν. Η τιμι τθσ ενίςχυςθσ =71.14 από το ςχιμα 3.37 και θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ =24.47 από το ςχιμα Επίςθσ θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι Α =474 ςφμφωνα με το ςχιμα Αν ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ιταν ιδανικόσ κα ζπρεπε να προζκυπτε θ ενίςχυςθ του ίςθ με το γινόμενο των επιμζρουσ ενιςχφςεων των βακμίδων ενίςχυςθσ. Αρα κα ζπρεπε να προκφψει θ ενίςχυςθ περίπου ίςθ με Α (τάξθσ μεγζκουσ),και ςε db κα ζπρεπε να προζκυπτε μια τιμι ίςθ με περίπου 60dB. Ο δικόσ μασ ενιςχυτισ ςφμφωνα με το ςχιμα 3.36 ζχει ενίςχυςθ ςε db ίςθ με. Προφανϊσ υφίςταται μια απόκλιςθ θ οποία είναι ςθμαντικι αλλά οφείλεται ςτο γεγονόσ ότι το τελικό ςφςτθμα του ενιςχυτι μασ δεν είναι ιδανικό. Για να παρατθριςουμε τόςο τουσ πόλουσ όςο και τθ φάςθ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ κα πραγματοποιιςουμε τθν γραφικι τθσ φάςθσ ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ.αυτι θ γραφικι φαίνεται ςτο ςχιμα Γενικά όςο θ ςυχνότθτα 71

72 αυξάνει τόςο το κζρδοσ κα μειϊνεται. Τπάρχει όμωσ μια τιμι ςτθν οποία το μζτρο τθσ ενίςχυςθσ γίνεται ίςο με τθ μονάδα. Επίςθσ περικϊριο φάςθσ είναι θ διαφορά φάςθσ από τισ ςτθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ. Από το ςχιμα 3.36 βρίκαμε τθν τιμι τθσ ςυχνότθτασ μοναδιαίου κζρδουσ θ οποία είναι ίςθ με: = MHz χιμα 3.39 Φάςθ ενιςχυτι (deg)-υχνότθτα(hz) Η τιμι τθσ φάςθσ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ είναι ίςθ με φ=66,19deg όπωσ παρατθρείται ςτο ςχιμα Γενικά κα πρζπει να βρίςκετε θ φάςθ για τθν παραπάνω ςυχνότθτα περίπου ςτισ ϊςτε να είναι ςωςτά ρυκμιςμζνο το περικϊριο φάςθσ του ενιςχυτι μασ. Σο περικϊριο φάςθσ είναι ίςο με: phase= 66,19deg -180deg) =113.81deg Άρα ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ζχει καλι ςυχνοτικι ςυμπεριφορά τόςο ωσ προσ το κζρδοσ όςο και ωσ προσ τθ φάςθ. Ζκτοσ από τθν παραπάνω τοπολογία για τθν περίπτωςθ χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου υφίςταται και θ τοπολογία με p-mos διαφορικό ηευγάρι. Προφανϊσ θ υλοποίθςθ αυτισ τθσ τοπολογίασ είναι πιο περίπλοκθ ςε ςχζςθ με το n-mos διαφορικό ηευγάρι όπωσ αναλφκθκε ςτθν προθγοφμενθ υποενότθτα με τθν τοπολογία υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου υφίςταται και θ τοπολογία με p-mos διαφορικό ηευγάρι, βλζπε ςχιμα Όμωσ εμείσ επικυμοφμε να εφαρμόηουμε υψθλό κοινό ςιμα ςτθν είςοδο και να πετυχαίνουμε χαμθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου. Αυτό για να επιτευχκεί χρειάηεται μια επιπλζον βακμίδα εξωτερικά του τελεςτικοφ ενιςχυτι θ οποία δεν κα είναι ενιςχυτικι αλλά ζνασ απλόσ level shifter. το ςχιμα 3.41 παρουςιάηεται θ πλιρθσ τοπολογία για τθν εφαρμογι υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ςτθν είςοδο και να πετυχαίνουμε χαμθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου. Όπωσ φαίνεται ζχουμε προςκζςει ζνα n-mos level shifter, ϊςτε να μετατρζπουμε,κατεβάηοντασ τθν τάςθ κατά, τθν υψθλι τάςθ ςε χαμθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου. Ζτςι ζχουμε 72

73 καταςκευάςει τθν πλιρθ τοπολογία για τθν περίπτωςθ χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και υψθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου. χιμα 3.40 Σοπολογία τελεςτικοφ ενιςχυτι με υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου για τθν επίτευξθ υψθλι πόλωςθσ εξόδου. χιμα 3.41 Παρουςίαςθ μεκόδου κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου ςε τελεςτικό ενιςχυτι για τθν επίτευξθ χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου όταν εφαρμόηεται υψθλό κοινό ςιμα ειςόδου. Γενικά ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ για να λειτουργεί ςωςτά κα πρζπει ο βρόχοσ να είναι αρνθτικισ ανάδραςθσ όπωσ αναφζραμε και ςτθν προθγοφμενθ τοπολογία. Γενικά γνωρίηουμε ότι το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ι γενικά οποιαδιποτε διςδιάςτατθσ βακμίδασ είναι το γινόμενο των κερδϊν των επιμζρουσ βακμίδων. Αυτό ςθμαίνει ότι εάν ζχουμε ενιςχυτικζσ βακμίδεσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι κα είναι αρκετά μεγαλφτερο ςε ςχζςθ με το κζρδοσ των επιμζρουσ βακμίδων. Σο κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ παρουςιάηετε ςτα ςχιματα 3.42 και 3.43 ςτθν μια περίπτωςθ ωσ κακαρόσ αρικμόσ 73

74 και ςτθν άλλθ ςε db.για υπενκφμιςθ το κζρδοσ το μετατρζπουμε ςε db μζςο τθσ ςχζςθσ: = εξ. 3.1 Για καλφτερθ κατανόθςθ όςων αναφζραμε παραπάνω κα παρουςιάςουμε και τισ επιμζρουσ γραφικζσ του κζρδουσ για το διαφορικό ενιςχυτι (βλζπε ςχιμα 3.44) και για τον ενιςχυτι κοινισ πθγισ(βλζπε ςχιμα 3.45) και ακόλουκο πθγισ(βλζπε ςχιμα 3.46) χιμα 3.42 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.43 Γραφικι κζρδουσ(db)-ςυχνότθτασ(hz) 74

75 χιμα 3.44 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.45 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.46 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) 75

76 Όπωσ φαίνεται ξεκάκαρα από τισ προθγοφμενεσ γραφικζσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι αποτελεί το γινόμενο των επιμζρουσ κερδϊν. Η τιμι τθσ ενίςχυςθσ =42.31 από το ςχιμα 3.44 και θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ =24.47 από το ςχιμα Επίςθσ θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι Α =370 ςφμφωνα με το ςχιμα Αν ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ιταν ιδανικόσ κα ζπρεπε να προζκυπτε θ ενίςχυςθ του ίςθ με το γινόμενο των επιμζρουσ ενιςχφςεων των βακμίδων ενίςχυςθσ. Αρα κα ζπρεπε να προκφψει θ ενίςχυςθ περίπου ίςθ με Α (τάξθσ μεγζκουσ), και ςε db κα ζπρεπε να προζκυπτε μια τιμι ίςθ με περίπου 60dB. Ο δικόσ μασ ενιςχυτισ ςφμφωνα με το ςχιμα 3.43 ζχει ενίςχυςθ ςε db ίςθ με. Προφανϊσ υφίςταται μια απόκλιςθ θ οποία είναι ςθμαντικι αλλά οφείλεται ςτο γεγονόσ ότι το τελικό ςφςτθμα του ενιςχυτι μασ δεν είναι ιδανικό.ε αυτι τθν τοπολογία θ ενίςχυςθ είναι μικρότερθ ςε ςχζςθ με τθν προθγοφμενθ αφοφ οι level shifters δεν είναι ιδανικοί και ζχουν ενίςχυςθ λίγο μικρότερθ τθσ μονάδασ και ίςθ με Α=0.89. Άρα αν πολλαπλαςιάςουμε και αυτι τθν ενίςχυςθ με τισ αντίςτοιχεσ από τισ άλλεσ δφο ενιςχυτικζσ βακμίδεσ κα προκφψει λίγο μικρότερθ ςε ςχζςθ με εκείνθ που περιμζναμε,αν δεν τθν λαμβάναμε υπόψιν μασ. Για να παρατθριςουμε τόςο τουσ πόλουσ όςο και τθ φάςθ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ κα πραγματοποιιςουμε τθν γραφικι τθσ φάςθσ ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ. Αυτι θ γραφικι φαίνεται ςτο ςχιμα Γενικά όςο θ ςυχνότθτα αυξάνει τόςο το κζρδοσ κα μειϊνεται.τπάρχει όμωσ μια τιμι ςτθν οποία το μζτρο τθσ ενίςχυςθσ γίνεται ίςο με τθ μονάδα. Επίςθσ περικϊριο φάςθσ είναι θ διαφορά φάςθσ από τισ ςτθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ. Από το ςχιμα 3.43 βρίκαμε τθν τιμι τθσ ςυχνότθτασ μοναδιαίου κζρδουσ θ οποία είναι ίςθ με: = MHz χιμα 3.47 Φάςθ ενιςχυτι (deg)-υχνότθτα(hz) Η τιμι τθσ φάςθσ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ είναι ίςθ με φ=51,01deg όπωσ παρατθρείται ςτο ςχιμα

77 Γενικά κα πρζπει να βρίςκετε θ φάςθ για τθν παραπάνω ςυχνότθτα περίπου ςτισ ϊςτε να είναι ςωςτά ρυκμιςμζνο το περικϊριο φάςθσ του ενιςχυτι μασ. Σο περικϊριο φάςθσ είναι ίςο με: phase= 51,01deg -180deg) =128.99deg Άρα ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ζχει καλι ςυχνοτικι ςυμπεριφορά τόςο ωσ προσ το κζρδοσ όςο και ωσ προσ τθ φάςθ. 3.5 Μελζτθ περίπτωςθσ υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου Για τουσ ίδιουσ λόγουσ που αναφζραμε ςτθν υποενότθτα 3.2 όταν ζχουμε χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου ζχουμε δφο τοπολογίεσ. Η πρϊτθ είναι με p-mos διαφορικό ηευγάρι. Επίςθσ αφοφ αναφερόμαςτε ςε διςταδιακό τελεςτικό ενιςχυτι θ δεφτερθ βακμίδα κα είναι ενιςχυτισ κοινισ πθγισ. Για λόγουσ που αναφζραμε ςε προθγοφμενο υποκεφάλαιο το τρανηίςτορ ειςόδου τθσ ςυγκεκριμζνθσ βακμίδασ κα είναι n-mos. Άρα μζςω των παραπάνω πετυχαίνουμε τθν τοπολογία του τελεςτικοφ ενιςχυτι με χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου και χαμθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου,βλζπε ςχιμα Όμωσ εμείσ επικυμοφμε να εφαρμόηουμε χαμθλό κοινό ςιμα ςτθν είςοδο και να πετυχαίνουμε υψθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου. Αυτό για να επιτευχκεί χρειάηεται μια επιπλζον βακμίδα εξωτερικά του τελεςτικοφ ενιςχυτι θ οποία δεν κα είναι ενιςχυτικι αλλά ζνασ απλόσ level shifter. το ςχιμα 3.49 παρουςιάηεται θ πλιρθσ τοπολογία για τθν εφαρμογι χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ςτθν είςοδο και να πετυχαίνουμε υψθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου. Όπωσ φαίνεται ζχουμε προςκζςει ζνα p-mos level shifter, ϊςτε να μετατρζπουμε,ανεβάηοντασ τθν τάςθ κατά,τθν χαμθλι τάςθ ςε υψθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου. Ζτςι ζχουμε καταςκευάςει τθν πλιρθ τοπολογία για τθν περίπτωςθ υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου. 77

78 χιμα 3.48 Σοπολογία τελεςτικοφ ενιςχυτι με χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου για τθν επίτευξθ χαμθλισ πόλωςθσ εξόδου(εςωτερικό ςυμβόλου τελεςτικοφ ενιςχυτι) χιμα 3.49 Παρουςίαςθ μεκόδου κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου ςε τελεςτικό ενιςχυτι για τθν επίτευξθ τθσ περίπτωςθσ υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου. Γενικά ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ για να λειτουργεί ςωςτά κα πρζπει ο βρόχοσ να είναι αρνθτικισ ανάδραςθσ όπωσ αναφζραμε και ςτθν προθγοφμενθ τοπολογία. Γενικά γνωρίηουμε ότι το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ι γενικά οποιαδιποτε διςδιάςτατθσ βακμίδασ είναι το γινόμενο των κερδϊν των επιμζρουσ βακμίδων. Αυτό ςθμαίνει ότι εάν ζχουμε ενιςχυτικζσ βακμίδεσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι κα είναι αρκετά μεγαλφτερο ςε ςχζςθ με το κζρδοσ των επιμζρουσ βακμίδων. Σο κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ παρουςιάηετε ςτα ςχιματα 3.50 και 3.51 ςτθν μια περίπτωςθ ωσ κακαρόσ αρικμόσ και ςτθν άλλθ ςε db. Για υπενκφμιςθ το κζρδοσ το μετατρζπουμε ςε db μζςο τθσ ςχζςθσ: = εξ.(3.1) 78

79 Για καλφτερθ κατανόθςθ όςων αναφζραμε παραπάνω κα παρουςιάςουμε και τισ επιμζρουσ γραφικζσ του κζρδουσ για το διαφορικό ενιςχυτι (βλζπε ςχιμα 3.52) και για τον ενιςχυτι κοινισ πθγισ(βλζπε ςχιμα 3.53). χιμα 3.50 Γραφικι κζρδουσ ενιςχυτι-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.51 Γραφικι κζρδουσ ενιςχυτι(db)-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.52 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) 79

80 χιμα 3.53 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) Όπωσ φαίνεται ξεκάκαρα από τισ προθγοφμενεσ γραφικζσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι αποτελεί το γινόμενο των επιμζρουσ κερδϊν. Η τιμι τθσ ενίςχυςθσ =42,62 από το ςχιμα 3.52 και θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ =24.47 από το ςχιμα Επίςθσ θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι Α =619 ςφμφωνα με το ςχιμα Αν ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ιταν ιδανικόσ κα ζπρεπε να προζκυπτε θ ενίςχυςθ του ίςθ με το γινόμενο των επιμζρουσ ενιςχφςεων των βακμίδων ενίςχυςθσ. Αρα κα ζπρεπε να προκφψει θ ενίςχυςθ περίπου ίςθ με Α,και ςε db κα ζπρεπε να προζκυπτε μια τιμι ίςθ με περίπου 60dB. Ο δικόσ μασ ενιςχυτισ ςφμφωνα με το ςχιμα 3.51 ζχει ενίςχυςθ ςε db ίςθ με. Προφανϊσ υφίςταται μια απόκλιςθ θ οποία είναι ςθμαντικι αλλά οφείλεται ςτο γεγονόσ ότι το τελικό ςφςτθμα του ενιςχυτι μασ δεν είναι ιδανικό. Για να παρατθριςουμε τόςο τουσ πόλουσ όςο και τθ φάςθ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ κα πραγματοποιιςουμε τθν γραφικι τθσ φάςθσ ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ. Αυτι θ γραφικι φαίνεται ςτο ςχιμα Γενικά όςο θ ςυχνότθτα αυξάνει τόςο το κζρδοσ κα μειϊνεται. Τπάρχει όμωσ μια τιμι ςτθν οποία το μζτρο τθσ ενίςχυςθσ γίνεται ίςο με τθ μονάδα.επίςθσ περικϊριο φάςθσ είναι θ διαφορά φάςθσ από τισ ςτθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ. Από το ςχιμα 3.51 βρίκαμε τθν τιμι τθσ ςυχνότθτασ μοναδιαίου κζρδουσ θ οποία είναι ίςθ με: = MHz 80

81 χιμα 3.54 Φάςθ ενιςχυτι (deg)-υχνότθτα(hz) Η τιμι τθσ φάςθσ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ είναι ίςθ με φ=71,90deg όπωσ παρατθρείται ςτο ςχιμα Γενικά κα πρζπει να βρίςκετε θ φάςθ για τθν παραπάνω ςυχνότθτα περίπου ςτισ ϊςτε να είναι ςωςτά ρυκμιςμζνο το περικϊριο φάςθσ του ενιςχυτι μασ. Σο περικϊριο φάςθσ είναι ίςο με: phase= 71,90deg -180deg) =108.1deg Άρα ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ζχει καλι ςυχνοτικι ςυμπεριφορά τόςο ωσ προσ το κζρδοσ όςο και ωσ προσ τθ φάςθ. Ζκτοσ από τθν παραπάνω τοπολογία για τθν περίπτωςθ υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου υφίςταται και θ τοπολογία με n-mos διαφορικό ηευγάρι. Προφανϊσ θ υλοποίθςθ αυτισ τθσ τοπολογίασ είναι πιο περίπλοκθ ςε ςχζςθ με το p-mos διαφορικό ηευγάρι όπωσ αναλφκθκε ςτθν προθγοφμενθ υποενότθτα με τθν τοπολογία χαμθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου υφίςταται και θ τοπολογία με n-mos διαφορικό ηευγάρι, βλζπε ςχιμα Όμωσ εμείσ επικυμοφμε να εφαρμόηουμε χαμθλό κοινό ςιμα ςτθν είςοδο και να πετυχαίνουμε υψθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου.αυτό για να επιτευχκεί χρειάηεται μια επιπλζον βακμίδα εξωτερικά του τελεςτικοφ ενιςχυτι θ οποία δεν κα είναι ενιςχυτικι αλλά ζνασ απλόσ level shifter. το ςχιμα 3.56 παρουςιάηεται θ πλιρθσ τοπολογία για τθν εφαρμογι χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ςτθν είςοδο και να πετυχαίνουμε υψθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου. Όπωσ φαίνεται ζχουμε προςκζςει ζνα p-mos level shifter, ϊςτε να μετατρζπουμε,ανεβάηοντασ τθν τάςθ κατά, τθν χαμθλι τάςθ ςε υψθλι τάςθ πόλωςθσ εξόδου. Ζτςι ζχουμε καταςκευάςει τθν πλιρθ τοπολογία για τθν περίπτωςθ υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου. 81

82 χιμα 3.55 Σοπολογία τελεςτικοφ ενιςχυτι με χαμθλό κοινό ςιμα ειςόδου για τθν επίτευξθ χαμθλισ πόλωςθσ εξόδου(εςωτερικό ςυμβόλου τελεςτικοφ ενιςχυτι) χιμα 3.56 Παρουςίαςθ μεκόδου κζρδουσ κλειςτοφ βρόχου ςε τελεςτικό ενιςχυτι για τθν επίτευξθ τθσ περίπτωςθσ υψθλισ τάςθσ πόλωςθσ εξόδου και χαμθλοφ κοινοφ ςιματοσ ειςόδου. Γενικά ο τελεςτικόσ ενιςχυτισ για να λειτουργεί ςωςτά κα πρζπει ο βρόχοσ να είναι αρνθτικισ ανάδραςθσ όπωσ αναφζραμε και ςτθν προθγοφμενθ τοπολογία. Γενικά γνωρίηουμε ότι το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ι γενικά οποιαδιποτε διςδιάςτατθσ βακμίδασ είναι το γινόμενο των κερδϊν των επιμζρουσ βακμίδων.αυτό ςθμαίνει ότι εάν ζχουμε ενιςχυτικζσ βακμίδεσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι κα είναι αρκετά μεγαλφτερο ςε ςχζςθ με το κζρδοσ των επιμζρουσ βακμίδων. Σο κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ παρουςιάηετε ςτα ςχιματα 3.57 και 3.58 ςτθν μια περίπτωςθ ωσ κακαρόσ αρικμόσ και ςτθν άλλθ ςε db.για υπενκφμιςθ το κζρδοσ το μετατρζπουμε ςε db μζςο τθσ ςχζςθσ: = εξ.(3.1) 82

83 Για καλφτερθ κατανόθςθ όςων αναφζραμε παραπάνω κα παρουςιάςουμε και τισ επιμζρουσ γραφικζσ του κζρδουσ για το διαφορικό ενιςχυτι (βλζπε ςχιμα 3.59) και για τον ενιςχυτι κοινισ πθγισ(βλζπε ςχιμα 3.60) και ακόλουκο πθγισ(βλζπε ςχιμα 3.61) χιμα 3.57 Γραφικι κζρδουσ ενιςχυτι-ςυχνότθτασ(hz) A=463,25 χιμα 3.58 Γραφικι κζρδουσ ενιςχυτι(db)-ςυχνότθτασ(hz) A=53,30 83

84 χιμα 3.59 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.60 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) χιμα 3.61 Γραφικι κζρδουσ-ςυχνότθτασ(hz) 84

85 Όπωσ φαίνεται ξεκάκαρα από τισ προθγοφμενεσ γραφικζσ το κζρδοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι αποτελεί το γινόμενο των επιμζρουσ κερδϊν. Η τιμι τθσ ενίςχυςθσ =71.14 από το ςχιμα 3.59 και θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ =24.47 από το ςχιμα 3.60.Επίςθσ θ τιμι τθσ ενίςχυςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι είναι Α = ςφμφωνα με το ςχιμα Αν ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ιταν ιδανικόσ κα ζπρεπε να προζκυπτε θ ενίςχυςθ του ίςθ με το γινόμενο των επιμζρουσ ενιςχφςεων των βακμίδων ενίςχυςθσ. Αρα κα ζπρεπε να προκφψει θ ενίςχυςθ περίπου ίςθ με Α (τάξθσ μεγζκουσ),και ςε db κα ζπρεπε να προζκυπτε μια τιμι ίςθ με περίπου 60dB. Ο δικόσ μασ ενιςχυτισ ςφμφωνα με το ςχιμα 3.58 ζχει ενίςχυςθ ςε db ίςθ με. Προφανϊσ υφίςταται μια απόκλιςθ θ οποία είναι ςθμαντικι αλλά οφείλεται ςτο γεγονόσ ότι το τελικό ςφςτθμα του ενιςχυτι μασ δεν είναι ιδανικό.ε αυτι τθν τοπολογία θ ενίςχυςθ είναι μικρότερθ ςε ςχζςθ με τθν προθγοφμενθ αφοφ οι level shifters δεν είναι ιδανικοί και ζχουν ενίςχυςθ λίγο μικρότερθ τθσ μονάδασ και ίςθ με Α=0.89. Άρα αν πολλαπλαςιάςουμε και αυτι τθν ενίςχυςθ με τισ αντίςτοιχεσ από τισ άλλεσ δφο ενιςχυτικζσ βακμίδεσ κα προκφψει λίγο μικρότερθ ςε ςχζςθ με εκείνθ που περιμζναμε,αν δεν τθν λαμβάναμε υπόψιν μασ. Για να παρατθριςουμε τόςο τουσ πόλουσ όςο και τθ φάςθ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ κα πραγματοποιιςουμε τθν γραφικι τθσ φάςθσ ωσ ςυνάρτθςθ τθσ ςυχνότθτασ.αυτι θ γραφικι φαίνεται ςτο ςχιμα Γενικά όςο θ ςυχνότθτα αυξάνει τόςο το κζρδοσ κα μειϊνεται. Τπάρχει όμωσ μια τιμι ςτθν οποία το μζτρο τθσ ενίςχυςθσ γίνεται ίςο με τθ μονάδα. Επίςθσ περικϊριο φάςθσ είναι θ διαφορά φάςθσ από τισ ςτθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ. Από το ςχιμα 3.58 βρίκαμε τθν τιμι τθσ ςυχνότθτασ μοναδιαίου κζρδουσ θ οποία είναι ίςθ με: = ΜΗz χιμα 3.62 Φάςθ ενιςχυτι (deg)-υχνότθτα(hz) Η τιμι τθσ φάςθσ για τθ ςυχνότθτα μοναδιαίου κζρδουσ είναι ίςθ με φ=66,93deg όπωσ παρατθρείται ςτο ςχιμα

86 Γενικά κα πρζπει να βρίςκετε θ φάςθ για τθν παραπάνω ςυχνότθτα περίπου ςτισ ϊςτε να είναι ςωςτά ρυκμιςμζνο το περικϊριο φάςθσ του ενιςχυτι μασ. Σο περικϊριο φάςθσ είναι ίςο με: phase= 66,93deg -180deg) =113.07deg Άρα ο τελεςτικόσ μασ ενιςχυτισ ζχει καλι ςυχνοτικι ςυμπεριφορά τόςο ωσ προσ το κζρδοσ όςο και ωσ προσ τθ φάςθ. 86

87 Κεφάλαιο 4: Ανάλυςθ και ςχεδίαςθ τοπολογίασ προγραμματιηόμενου ρυκμιςτι ρεφματοσ 4.1 Λόγοι χριςθσ τθσ τοπολογίασ και αρχι λειτουργίασ Αρχικά επειδι κζλαμε να καταςκευάςουμε ζναν ενιςχυτι προγραμματιηόμενθσ λογικισ, αυτόσ προφανϊσ αποτελείται τόςο από αναλογικό όςο και από ψθφιακό τμιμα. Σο αναλογικό τμιμα τθσ τοπολογίασ μασ αποτελείται από τον κακρζπτθ ρεφματοσ πολλαπλϊν εξόδων όπου οι λόγοι των διαςτάςεων W/L είναι ίδιοι για όλα τα τρανηίςτορ μασ. Αντίςτοιχα το ψθφιακό τμιμα τθσ τοπολογίασ μασ αποτελείται από λογικζσ πφλεσ που ελζγχονται μζςω τθσ τιμισ ενόσ 3-bit αρικμοφ κάκε φορά. Οι λογικζσ πφλεσ εφαρμόηονται ςτθν πφλθ των τρανηίςτορ τα οποία αποτελοφν και τουσ διακόπτεσ του ςυςτιματοσ και ανάλογα τθν τάςθ που τουσ εφαρμόηεται είναι κλειςτοί ι ανοιχτοί. Οι λόγοι για τουσ οποίουσ χρθςιμοποιιςαμε τθν ςυγκεκριμζνθ τοπολογία,που κα παρουςιαςτεί ςε επόμενο κεφάλαιο,είναι αρκετοί. Η ςυγκεκριμζνθ τοπολογία είναι δυνατόν να επιτευχκεί αφοφ για τθν καταςκευι τθσ χρειάηονται βαςικζσ γνϊςεισ θλεκτρονικϊν. Θα πρζπει κάποιοσ να γνωρίηει τον τρόπο που λειτουργοφν οι κακρζπτεσ ρεφματοσ ϊςτε ανάλογα με τθν τιμι του ρεφματοσ που εφαρμόηει ςτθν είςοδο να επιτυγχάνει τθν επικυμθτι τιμι του και ςτθν ζξοδο. Άρα πρζπει να είναι ςωςτζσ οι διαςτάςεισ των αντίςτοιχων τρανηίςτορ. Επίςθσ κα πρζπει να γνωρίηει τισ περιοχζσ λειτουργίασ των τρανηίςτορ ϊςτε να επιτευχκεί θ ςωςτι πόλωςθ των αντίςτοιχων τρανηίςτορ για ςωςτά κακρεπτιςμό από τθν μια πλευρά. Από τθν άλλθ κα πρζπει να γνωρίηει και τθ λειτουργία του τρανηίςτορ ωσ διακόπτθσ. Αυτό είναι αρκετά ςθμαντικό αφοφ κζλουμε μζςω του 3-bit αρικμοφ να ρυκμίηουμε τθν τθν λειτουργία του κακρζπτθ ρεφματοσ,οπότε και το ρεφμα εξόδου του κακρζπτθ. Εκτόσ από τα παραπάνω θ γνϊςθ ψθφιακισ λογικισ είναι απαραίτθτθ ϊςτε ςτθν είςοδο του κάκε διακόπτθ να υφίςταται θ επικυμθτι τιμι τθσ τάςθσ κάκε φορά. Άλλοσ λόγοσ είναι θ δυνατότθτα που προςφζρει ο προγραμματιηόμενθσ ρυκμιςτισ ρεφματοσ ωσ προσ τθν αλλαγι τθσ τιμισ του ρεφματοσ χωρίσ να τροποποιοφμε το εςωτερικό του ενιςχυτι μασ. Πιο ςυγκεκριμζνα δεν χρειάηεται να αλλάηουμε τθν τιμι του εφαρμοηόμενου ρεφματοσ τθσ ίδιασ τθσ πθγισ ρεφματοσ για να επιτευχκεί αλλαγι τθσ τιμισ του ρεφματοσ πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι μασ. Εκτόσ από αυτό ζχουμε και ςτακερζσ τισ τιμζσ των διαςτάςεων των τρανηίςτορ,άρα δεν χρειάηεται κάκε φορά να πολϊνουμε ςωςτά τον κακρζπτθ μασ, αλλά μόνο όταν τον καταςκευάςαμε. Η χριςθ τθσ τοπολογίασ είναι εφκολθ αφοφ απλά αλλάηοντασ τον 3-bit αρικμό,αλλάηει θ τιμι του ρεφματοσ πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι. Γενικά θ αρχι λειτουργίασ τθσ τοπολογίασ ςτθρίηεται ςτθν ςχζςθ που υφίςταται μεταξφ του 3-bit αρικμοφ και τθσ τιμισ ρεφματοσ εξόδου του προγραμματιηόμενου ρυκμιςτι ρεφματοσ. Ο πίνακασ 4.1 μασ παρουςιάηει τθ ςχζςθ του παραπάνω δυαδικοφ αρικμοφ με τθν τιμι του ρεφματοσ πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι.γενικά αφοφ 87

88 ζχουμε 3-bit μποροφμε να αναπαραςτιςουμε δθλαδι 8 τιμζσ του ρεφματοσ. Οι ςυγκεκριμζνεσ τιμζσ επιλζχκθκαν βάςθ του ανιχνευτι ιςχφοσ. Πίνακασ 4.1 χζςθ 3-bit αρικμοφ με τθν τιμι ρεφματοσ πόλωςθσ του ενιςχυτι Ο παραπάνω 3-bit αρικμόσ αποτελείται απο 3 ψθφία και κάκε ψθφίο ζχει δικι του τιμι(0/1) ξεχωριςτι ςε κάκε μια από τισ παραπάνω τιμζσ ρεφματοσ. Αυτό είναι πολφ ςθμαντικό για τθν καταςκευι του ψθφιακοφ ρυκμιςτι μασ. τθν ουςία κα αναηθτιςουμε παρακάτω τθν ςχζςθ κάκε τιμισ ρεφματοσ με ζνα ςυνδυαςμό ψθφιακϊν λογικϊν πυλϊν. 4.2 Διαδικαςία καταςκευισ του ψθφιακοφ ρυκμιςτι Η καταςκευι του ψθφιακοφ ρυκμιςτι είναι μια διαδικαςία θ οποία χρειάηεται υπομονι και χρόνο. Για να τον καταςκευάςουμε ςκεφτικαμε ότι χρειαηόμαςτε μια τοπολογία θ οποία κάκε φορά που επικυμοφμε να αλλάξουμε τθν τιμι του ρεφματοσ να γίνεται εφκολα και όπωσ αναφζραμε και νωρίτερα χωρίσ τροποποίθςθ του εςωτερικοφ του ενιςχυτι μασ. Άρα είναι αναγκαίο να βρίςκεται εκτόσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι.επειδι όπωσ παρατθριςαμε και ςτον πίνακα 4.1 θ κάκε τιμι από τθν επόμενθ αλλάηει κατά 100 pa αυτό μασ διευκόλυνε αφοφ κα ζχουμε κακρζπτθ ρεφματοσ πολλαπλϊν εξόδων με όλα τα τρανηίςτορ να ζχουν ίδιο λόγο διαςτάςεων W/L. Ο ψθφιακόσ ρυκμιςτισ κα πρζπει να ρυκμίηει κάκε φορά τθ λειτουργία των αντίςτοιχων τμθμάτων του κακρζπτθ ρεφματοσ ϊςτε να ζχουμε ςωςτι πόλωςθ μόνο εκείνων των τρανηίςτορ τα οποία κα δθμιουργιςουν επικυμθτό ρεφμα. Άρα αφοφ αναφερόμαςτε ςε ξεχωριςτι λειτουργία κάκε ενόσ από τα οκτϊ τμιματα του κακρζπτθ πολλαπλϊν εξόδων, χρειαηόμαςτε διακόπτεσ που κα κλείνουν και κα ανοίγουν ανάλογα με τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ. Οι διακόπτεσ είναι και αυτοί τρανηίςτορ τα οποία λειτουργοφν μόνο ςτισ δφο περιοχζσ λειτουργίασ δθλαδι τθν περιοχι κόρου και τθν περιοχι αποκοπισ. Για να πετφχουμε το επικυμθτό αποτζλεςμα κα πρζπει να χρθςιμοποίθςουμε δφο τρανηίςτορ διακόπτεσ για κάκε ζνα κομμάτι εκ των οκτϊ. Πιο ςυγκεκριμζνα το 88

89 ζνα τρανηίςτορ-διακόπτθσ ςυνδζει τθν πθγι με τθν πφλθ ενόσ από τα δφο τρανηίςτορ και τον απαγωγό του με τθν πφλθ του άλλου τρανηίςτορ. Σο άλλο τρανηίςτορ-διακόπτθσ ςυνδζει τον απαγωγό του ςτθν πθγι του άλλου διακόπτθ και τθν πθγι του ςτθν τάςθ τροφοδοςίασ. τθν πθγι των δφο τρανηίςτορ διακοπτϊν εφαρμόηεται θ τάςθ που προκφπτει από τισ ψθφιακζσ λογικζσ πφλεσ του ρυκμιςτι. Οι δφο τάςεισ ςτισ πθγζσ των διακοπτϊν είναι ςυμπλθρωματικζσ(όταν θ μια είναι θ άλλθ είναι ). Οι μιςοί διακόπτεσ κα ςυνδζονται με μια είςοδο όπου i=0,1,...,7 όςεσ και οι τιμζσ των αντίςτοιχων διακοπτϊν και με τθν ςυμπλθρωματικι τθσ κάκε φορά οι άλλοι μιςοί διακόπτεσ. Αυτό ςυμβαίνει ϊςτε όταν το ζνα τρανηίςτορ-διακόπτθσ είναι ςτθν περιοχι κόρου το άλλο τρανηίςτορ-διακόπτθσ να είναι ςτθν περιοχι αποκοπισ. 4.3 Ανάλυςθ τθσ μεκόδου καταςκευισ και χριςθ πινάκων Karnaugh Για να ρυκμίςουμε τθν τάςθ ςτθν πθγι του κάκε τρανηίςτορ,ϊςτε να προκφπτει κάκε φορά θ επικυμθτι τιμι του ρεφματοσ πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι, χρθςιμοποιιςαμε ψθφιακζσ λογικζσ πφλεσ οι οποίεσ εξαρτϊνται από τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ. Ανάλογα με τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ προκφπτει κάκε φορά άλλθ τιμι ςτθν είςοδο των ψθφιακϊν λογικϊν πυλϊν οπότε και ςτθν ζξοδο τουσ. Κάκε τιμι του 3-bit αρικμοφ ςχετίηεται με τθ λειτουργία κάποιου τμιματοσ του κακρζπτθ ρεφματοσ πολλαπλϊν εξόδων. Για να το απλοποίθςουμε καταςκευάςαμε τον πίνακα 4.2 ςτον οποίο ζχουμε ειςάγει τθν λειτουργία κάκε τμιματοσ του κακρζπτθ ανάλογα με τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ. Για παράδειγμα για τθν τιμι =000 επικυμοφμε να λειτουργεί μόνο το πρϊτο τμιμα του κακρζπτθ ρεφματοσ με αποτζλεςμα να ζχουμε άςςο ςε αυτό το τμιμα και μθδζν ςτα υπόλοιπα. Ο άςςοσ και το μθδζν ςε αυτι τθν περίπτωςθ ςχετίηονται με τθν λειτουργία θ όχι του ςυγκεκριμζνου τμιματοσ του κακρζπτθ πολλαπλϊν εξόδων. Αν λειτουργεί εμφανίηεται άςςοσ ςτον πίνακα αν όχι μθδζν. Σο ςφμβολο ςχετίηεται με το αντίςτοιχο κομμάτι του κακρζπτθ πολλαπλϊν εξόδων(όπου i=0,1,7). 89

90 Πίνακασ 4.2 χζςθ 3-bit αρικμοφ με τθν λειτουργία του αντίςτοιχου τμιματοσ του κακρζπτθ ρεφματοσ πολλαπλϊν εξόδων Κάκε ζνα τμιμα του κακρζπτθ ρεφματοσ μπορεί να αναπαραςτακεί με μια ζκφραςθ τθσ άλγεβρασ Boole. Για να βροφμε τθν απλοποιθμζνθ ζκφραςθ για κάκε ζνα εκ των κα χρθςιμοποίθςουμε χάρτεσ Karnaugh. Ο χάρτθσ Karnaugh είναι ζνα ςθμαντικό εργαλείο με το οποίο γνωρίηοντασ τθν τιμι κάκε ελαχιςτόρου(0/1) μποροφμε να βροφμε τθν απλοφςτερθ ζκφραςθ για το ςφςτθμα μασ. τουσ πίνακεσ παρουςιάηονται οι χάρτεσ Karnaugh για κάκε και ςτα ςχιματα θ αντίςτοιχθ υλοποίθςθ με ψθφιακζσ λογικζσ πφλεσ. θμείωςθ: Σο πρόγραμμα που χρθςιμοποιιςαμε δεν μασ επζτρεπε να αλλάξουμε τα Α Β C με τα αντίςτοιχα που είναι τα δικά μασ.γι αυτό όπου παρατθρείται Α=,Β= και C=. Πίνακασ 4.3 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το: εξ.(4.1) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα

91 χιμα 4.1 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Πίνακασ 4.4 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το: εξ.(4.2) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 4.2. χιμα 4.2 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα 91

92 Πίνακασ 4.5 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το εξ.(4.3) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 4.3. χιμα 4.3 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Πίνακασ 4.6 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα 92

93 Η ζκφραςθ για το εξ.(4.4) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 4.4. χιμα 4.4 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Πίνακασ 4.7 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το εξ.(4.5) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 4.5. χιμα 4.5 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα 93

94 Πίνακασ 4.8 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το εξ.(4.6) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 4.6. χιμα 4.6 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Πίνακασ 4.9 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα 94

95 Η ζκφραςθ για το εξ.(4.7) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 4.7. χιμα 4.7 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Πίνακασ 4.10 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το εξ.(4.8) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 4.8. χιμα 4.8 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Αφοφ πραγματοποιιςαμε τισ απαραίτθτεσ απλοποιιςεισ ςτισ εκφράςεισ μασ μζςω του Χάρτθ Karnaugh και αναπαραςτιςαμε τισ εκφράςεισ αυτζσ με ψθφιακζσ 95

96 λογικζσ πφλεσ ζχουμε πλζον τθν δυνατότθτα να τα ςυνδζςουμε αυτά μεταξφ τουσ και να ςχεδιάςουμε τον προγραμματιηόμενο κακρζπτθ ρεφματοσ. Για να είναι πιο όμορφθ οπτικά θ ςχεδίαςθ μασ μποροφμε να ειςάγουμε όλεσ τισ ψθφιακζσ λογικζσ πφλεσ ςε ζνα block και να χρθςιμοποιοφμε ςτο ςυνολικό μασ ςφςτθμα το block και όχι να ςυνδζουμε τισ πφλεσ με το κακρζπτθ εξωτερικά όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα 4.9. χιμα 4.9 Οι ψθφιακζσ λογικζσ πφλεσ ενταγμζνεσ ςε block Οι τάςεισ που ειςάγουμε είναι οι τάςεισ που οφείλονται ςτο 3-bit αρικμό.πιο ςυγκεκριμζνα: V = * V = * V = * Οι τάςεισ είναι εκείνεσ που κα ειςάγουμε μαηί με τισ ςυμπλθρωματικζσ τουσ ςτισ πφλεσ των αντίςτοιχων διακοπτϊν. 4.4 χεδίαςθ προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ τα προθγοφμενα υποκεφάλαια αναλφςαμε τθ διαδικαςία ςχεδίαςθσ για κάκε κομμάτι του προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ ξεχωριςτά. ε αυτό το υποκεφάλαιο κα ςυνκζςουμε όλα τα τμιματα μαηί ϊςτε να τον ςχεδιάςουμε. Για να λειτουργεί κάκε τμιμα του κακρζπτθ ρεφματοσ κα πρζπει να είναι ο ζνασ διακόπτθσ κλειςτόσ και ο άλλοσ ανοιχτόσ. Για να επιτευχκεί αυτόσ όπωσ αναφζραμε κα ειςάγουμε ςυμπλθρωματικζσ τάςεισ(θ μια κα είναι θ άλλθ είναι ). Οι τάςεισ αυτζσ κα αντοιςτοιχοφν ςτθν τάςθ πφλθσ του κάκε διακόπτθ. 96

97 Οι παραπάνω τάςεισ κα είναι οι και οι ςυμπλθρωματικζσ τουσ. Οι ςυγκεκριμζνεσ τάςεισ ζχουν προζλκει από τισ εκφράςεισ τθσ άλγεβρασ Boole των αντίςτοιχων τμθμάτων του κακρζπτθ ρεφματοσ. Για να γίνει κατανοθτι θ διαδικαςία ςχεδίαςθσ παρουςιάηουμε ςτο ςχιμα 4.10 το πρϊτο τμιμα από τα οκτϊ του προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ ςτο οποίο ζχουμε ειςάγει τθν τάςθ ςτο πάνω τρανηίςτορ-διακόπτθ και τθν ςυμπλθρωματικι τθσ ςτο κάτω τρανηίςτορ-διακόπτθ. χιμα 4.10 Αναπαράςταςθ του πρϊτου τμιματοσ του προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ Ο ςυνολικόσ προγραμματιηόμενοσ κακρζπτθσ ρεφματοσ αποτελείται από οκτϊ τζτοια τμιματα με τθν διαφορά ότι δεν χρειάηεται το πρϊτο τρανηίςτορ(το τρανηίςτορ που ειςάγουμε το ρεφμα αναφοράσ) να υπάρχει και άλλθ φορά αλλά ςυνδζουμε τα υπόλοιπα τμιματα με αυτό όπωσ γίνεται και ςτον κλαςςικό κακρζπτθ ρεφματοσ πολλαπλϊν εξόδων όπωσ μπορείτε να παρατθριςετε ςτο ςχιμα Οι ζξοδοι όλων των τρανηίςτορ είναι ενωμζνεσ μεταξφ τουσ και οδθγοφνται ςε ζνα κλαςςικό κακρζπτθ δφο n-mos τρανηίςτορ με ςκοπό να ειςζλκει ςτον ενιςχυτι μασ. Αν δεν υπιρχε ο κακρζπτθσ των n-mos τρανηίςτορ το ςφςτθμα δεν κα λειτουργοφςε αφοφ κζλουμε να ειςζρχεται ρεφμα ςτον τελεςτικό μασ ενιςχυτι και όχι να εξζρχεται. Για να είναι πιο όμορφθ οπτικά θ ςχεδίαςθ μασ μποροφμε να ειςάγουμε τθν τοπολογία του κακρζπτθ ρεφματοσ μζςα ςε ζνα block και να το ςυνδζςουμε με το αντίςτοιχο block που ζχουμε καταςκευάςει για τισ ψθφιακζσ πφλεσ όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα Σο ρεφμα που εξζρχεται είναι το ρεφμα πόλωςθσ που κα ειςζλκει ςτον τελεςτικό μασ ενιςχυτι. το block WCM υπάρχει θ τοπολογία του ςχιματοσ

98 χιμα 4.11 Σοπολογία προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ χιμα 4.12 υνολικι τοπολογία προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ με μορφι blocks. 4.5 Προςομοιϊςεισ και μελζτθ λειτουργίασ Γενικά θ ςυγκεκριμζνθ τοπολογία που καταςκευάςαμε προςεγγίηει τισ κεωρθτικζσ υποκζςεισ τισ οποίεσ είχαμε πραγματοποιιςει με μικρό ςχετικά ςφάλμα ωσ προσ το ρεφμα πόλωςθσ που κα ειςζλκει ςτον τελεςτικό μασ ενιςχυτι. Ωσ ρεφμα αναφοράσ ςτουσ κακρζπτεσ ρεφματοσ χρθςιμοποιιςαμε τθν τιμι =84pA. Χρθςιμοποίςαμε τθν ςυγκεκριμζνθ τιμι γιατί αν χρθςιμοποιοφςαμε ρεφμα 100pA κα είχαμε μεγάλο ςφάλμα κατά τον κακρεπτιςμό μασ κυρίωσ όταν ο 3-bit αρικμόσ είναι μεγαλφτεροσ από το 101. Αυτό ςυμβαίνει τόςο επειδι δεν ζχουμε ιδανικοφσ διακόπτεσ όςο και επειδι γενικά το ςυςτθμά μασ δεν είναι ιδανικό και υφίςτανται κάποιο ρεφμα διαρροισ ςτα καλϊδια κατά τον κακρεπτιςμό. Επίςθσ όλα τα τρανηίςτορ μασ τόςο του κακρζπτθ όςο και οι διακόπτεσ ζχουν τισ ίδιεσ διαςτάςεισ 98

99 W=10μm, L=500nm και αρικμό τρανηίςτορ που είναι παράλλθλα μεταξφ τουσ 2.Άρα το ςυνολικό W=20 μm. Για να γίνει πιο κατανοθτι θ λειτουργία κα παρακζςουμε τισ προςομοιϊςεισ για κάκε ζναν από τουσ 8 ςυνδυαςμοφσ του 3-bit αρικμοφ. Για να κατανοιςουμε ότι το ςφςτθμα λειτουργεί και μασ δίνει τθ ςωςτι τιμι ρεφματοσ χρθςιμοποιιςαμε μια πθγι μθδενικισ τάςθσ θ οποία ςτο πρόγραμμα που πραγματοποιοφμε τισ προςομοιϊςεισ δρα ωσ αμπερόμετρο. Η μζτρθςθ τθσ τιμισ του ρεφματοσ πόλωςθσ πραγματοποιείται ςτο εςωτερικό του τελεςτικοφ μασ ενιςχυτι. Όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα 4.13 ςτον τελεςτικό μασ ενιςχυτι ειςζρχεται για τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ ρεφμα πόλωςθσ ίςο περίπου με 100pA(θ ακριβισ τιμι είναι 129.8pA που είναι επιτρεπτι λόγω των ρευμάτων διαρροισ που υφίςτανται ςτο ςφςτθμα μασ)αντίςτοιχα και ςτα ςχιματα 4.14 εϊσ 4.20 παρουςιάηεται το εςωτερικό ενόσ τμιματοσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ςτο οποίο ειςζρχεται το ρεφμα πόλωςθσ του. Για τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ το ρεφμα πόλωςθσ είναι ίςο περίπου με 200pA (θ ακριβισ τιμι είναι 229.3pA). Για τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ το ρεφμα πόλωςθσ είναι ίςο περίπου με 300pA (θ ακριβισ τιμι είναι 326.8pA). Για τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ το ρεφμα πόλωςθσ είναι ίςο περίπου με 400pA (θ ακριβισ τιμι είναι 422.4pA). Για τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ το ρεφμα πόλωςθσ είναι ίςο περίπου με 500pA (θ ακριβισ τιμι είναι 516.3pA). Για τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ το ρεφμα πόλωςθσ είναι ίςο περίπου με 600pA (θ ακριβισ τιμι είναι 608.6pA). Για τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ το ρεφμα πόλωςθσ είναι ίςο περίπου με 700pA (θ ακριβισ τιμι είναι 699.4pA). Για τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ το ρεφμα πόλωςθσ είναι ίςο περίπου με 800pA (θ ακριβισ τιμι είναι 788.7pA). Γενικά το ρεφμα πόλωςθσ του ενιςχυτι μασ δεν είχε μεγάλθ απόκλιςθ μεταξφ τθσ κεωρθτικισ τιμισ που περιμζναμε και τθσ τιμισ που προζκυψε από τισ προςομοιϊςεισ. Η απόκλιςθ που υφίςταται είναι λόγω ρευμάτων διαρροισ τα οποία δεν γίνεται να μθδενιςτοφν αφοφ οι διακόπτεσ που καταςκευάςαμε δεν είναι ιδανικοί αλλά είναι τρανηίςτορ τα οποία ανάλογα με τθν τιμι τθσ τάςθσ ςτθν πφλθ του βρίςκονται ςε λειτουργία αποκοπισ ι ςε λειτουργία κόρου. 99

100 χιμα 4.13 Ρεφμα πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι για χιμα 4.14 Ρεφμα πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι για χιμα 4.15 Ρεφμα πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι για 100

101 χιμα 4.16 Ρεφμα πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι για χιμα 4.17 Ρεφμα πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι για χιμα 4.18 Ρεφμα πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι για 101

102 χιμα 4.19 Ρεφμα πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι για χιμα 4.20 Ρεφμα πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι για 4.6 Αλλεσ τοπολογίεσ κακρεπτϊν Γενικά θ τοπολογία του κακρζπτθ ρεφματοσ τθν οποία χρθςιμοποιιςαμε δεν είναι θ μοναδικι που υπάρχει αλλά είναι θ πιο ςθμαντικι για τθν κατανόθςθ τθσ λειτουργίασ των κακρεπτϊν ρεφματοσ. Εκτόσ από κομμάτι του προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ για να λειτουργεί το ςυςτθμά μασ ειςάγουμε και ζνα ακόμα κακρζπτθ ρεφματοσ από ςυμπλθρωματικά τρανηίςτορ ςε ςχζςθ με τον αρχικό δθλαδι από n-mos τρανηίςτορ όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα 4.11 τθσ υποενότθτασ 4.4. Αυτά τα n-mos τρανηίςτορ χρειάηονται ϊςτε να μποροφμε να ειςάγουμε το ρεφμα πόλωςθσ ςτον τελεςτικό μασ ενιςχυτι. Αν δεν υπιρχαν δεν κα λειτουργοφςε ςωςτά αφοφ αντί να ειςζρχεται το ρεφμα κα εξζρχεται από τον ενιςχυτι. τθν ουςία κα υπιρχε διαφορετικι διαφορά δυναμικοφ ςτθν είςοδο του πρϊτου τρανηίςτορ του κακρζπτθ ρεφματοσ θ οποία δεν κα το πόλωνε ςωςτά. Άρα δεν κα είχαμε ςωςτό κακρεπτιςμό,οπότε και λειτουργία του τελεςτικοφ ενιςχυτι. 102

103 Αν καταςκευάηαμε με n-mos τρανηίςτορ το προγραμματιηόμενο κακρζπτθ ρεφματοσ δεν κα χρειαηόταν επιπλζον τρανηίςτορ(για κακρεπτιςμό)εκτόσ από εκείνα του κφριου κακρζπτθ. ε αυτι τθ περίπτωςθ ο προγραμματιηόμενοσ κακρζπτθσ ρεφματοσ καταςκευάηεται από ςυμπλθρωματικά τρανηιςτορ ςε ςχζςθ με τθν βαςικι τοπολογία όπωσ φαίνεται ςτα ςχιματα 4.21 και το ςχιμα 4.21 φαίνεται το πρϊτο τμιμα του προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ ςτο οποίο ζχουμε όπωσ και ςτο προθγοφμενο ςφςτθμα τρανηίςτορ-διακόπτεσ με ςυμπλθρωματικζσ τάςεισ που ειςζρχονται ςτθ πφλθ των τρανηίςτορ. το ςχιμα 4.22 φαίνεται θ αναπαράςταςθ του προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ τθν οποία αν τθν ειςάγουμε ςτον τελεςτικό μασ ενιςχυτι λειτουργεί χωρίσ να χρειάηεται επιπλζον κφκλωμα. Αυτό ςυμβαίνει επειδι ο n-mos κακρζπτθσ πολλαπλϊν εξόδων ειςάγει το ρεφμα πόλωςθσ ςτον τελεςτικό ενιςχυτι αφοφ προςφζρει τθν επικυμθτι διαφορά δυναμικοφ για να πολϊςει ςωςτά το πρϊτο τρανηίςτορ του κακρζπτθ ρεφματοσ του ενιςχυτι. Ο τρόποσ καταςκευισ είναι ο ίδιοσ με τθν βαςικι τοπολογία μασ και αποτελείται και από τον ίδιο αρικμό τρανηίςτορ. το ςχιμα 4.23 παρουςιάηεται μια άλλθ τοπολογία ςχεδίαςθσ του προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ θ οποία βαςίηεται ςτθν ςχζςθ μεταξφ του λόγου W/L(διαςτάςεισ τρανηίςτορ) των τρανηίςτορ του κακρζπτθ ρεφματοσ. Σο δεφτερο τρανηίςτορ του κακρζπτθ ζχει διπλάςιο λόγο διαςτάςεων ςε ςχζςθ με το πρϊτο τρανηίςτορ. Σο τρίτο τρανηίςτορ ζχει τετραπλάςιο λόγο διαςτάςεων ςε ςχζςθ με το πρϊτο τρανηίςτορ. Σο τελευταίο τρανηίςτορ ζχει ίδιο λόγο διαςτάςεων ςε ςχζςθ με το πρϊτο τρανηίςτορ. Για να το απλοποίθςουμε καταςκευάςαμε τον πίνακα 4.11 ςτον οποίο ζχουμε ειςάγει τθν λειτουργία κάκε τμιματοσ του κακρζπτθ ανάλογα με τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ. Για παράδειγμα για τθν τιμι =000 επικυμοφμε να λειτουργεί μόνο το πρϊτο τμιμα του κακρζπτθ ρεφματοσ με αποτζλεςμα να ζχουμε άςςο ςε αυτό το τμιμα και μθδζν ςτα υπόλοιπα. Ο άςςοσ και το μθδζν ςε αυτι τθν περίπτωςθ ςχετίηονται με τθν λειτουργία θ όχι του ςυγκεκριμζνου τμιματοσ του κακρζπτθ πολλαπλϊν εξόδων. Αν λειτουργεί εμφανίηεται άςςοσ ςτον πίνακα αν όχι μθδζν. Σο ςφμβολο ςχετίηεται με το αντίςτοιχο κομμάτι του κακρζπτθ πολλαπλϊν εξόδων(όπου i=0,1,3). Πίνακασ 4.11 χζςθ του 3-bit αρικμοφ με τθν λειτουργία κάκε τμιματοσ του κακρζπτθ. 103

104 χιμα 4.21 Αναπαράςταςθ του πρϊτου τμιματοσ του προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ χιμα 4.22 Αναπαράςταςθ του προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ με n-mos τρανηίςτορ χιμα 4.23 Αναπαράςταςθ του προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ(μοντζλο 3-plet με n-mos τρανηίςτορ) Κάκε ζνα τμιμα του κακρζπτθ ρεφματοσ μπορεί να αναπαραςτακεί με μια ζκφραςθ τθσ άλγεβρασ Boole. Για να βροφμε τθν απλοποιθμζνθ ζκφραςθ για κάκε ζνα εκ των κα 104

105 χρθςιμοποίθςουμε χάρτεσ Karnaugh. Ο χάρτθσ Karnaugh είναι ζνα ςθμαντικό εργαλείο με το οποίο γνωρίηοντασ τθν τιμι κάκε ελαχιςτόρου(0/1) μποροφμε να βροφμε τθν απλοφςτερθ ζκφραςθ για το ςφςτθμα μασ. τουσ πίνακεσ παρουςιάηονται οι χάρτεσ Karnaugh για κάκε και ςτα ςχιματα θ αντίςτοιχθ υλοποίθςθ με ψθφιακζσ λογικζσ πφλεσ. θμείωςθ: Σο πρόγραμμα που χρθςιμοποιιςαμε δεν μασ επζτρεπε να αλλάξουμε τα Α Β C με τα αντίςτοιχα που είναι τα δικά μασ.γι αυτό όπου παρατθρείται Α=,Β= και C=. Πίνακασ 4.12 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το: + εξ.(4.9) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ.αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα χιμα 4.24 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα 105

106 Πίνακασ 4.13 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το: εξ.(4.10) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ.αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα χιμα 4.25 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Πίνακασ 4.14 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα 106

107 Η ζκφραςθ για το: εξ.(4.11) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ.αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα χιμα 4.26 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Πίνακασ 4.15 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το: εξ.(4.12) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ.αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα χιμα 4.27 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα 107

108 Για να είναι πιο όμορφθ οπτικά θ ςχεδίαςθ μασ μποροφμε να ειςάγουμε όλεσ τισ ψθφιακζσ λογικζσ πφλεσ ςε ζνα block και να χρθςιμοποιοφμε ςτο ςυνολικό μασ ςφςτθμα το block και όχι να ςυνδζουμε τισ πφλεσ με το κακρζπτθ εξωτερικά όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα χιμα 4.28 Οι ψθφιακζσ λογικζσ πφλεσ ενταγμζνεσ ςε block Για να είναι πιο όμορφθ οπτικά θ ςχεδίαςθ μασ μποροφμε να ειςάγουμε τθν τοπολογία του κακρζπτθ ρεφματοσ μζςα ςε ζνα block και να το ςυνδζςουμε με το αντίςτοιχο block που ζχουμε καταςκευάςει για τισ ψθφιακζσ πφλεσ όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα Σο ρεφμα που εξζρχεται είναι το ρεφμα πόλωςθσ που κα ειςζλκει ςτον τελεςτικό μασ ενιςχυτι. το block WCM υπάρχει θ τοπολογία του ςχιματοσ χιμα 4.29 υνολικι τοπολογία προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ με μορφι blocks(3-plet). 108

109 θμείωςθ:επεξιγθςθ λειτουργίασ διακοπτϊν: Ο ιδανικόσ διακόπτθσ εμφανίηει μθδενικι αντίςταςθ όταν είναι κλειςτόσ και άπειρθ αντίςταςθ όταν είναι ανοικτόσ. Ζνασ πραγματικόσ διακόπτθσ δεν είναι ιδανικόσ, κακϊσ, όταν ο διακόπτθσ είναι κλειςτόσ, εμφανίηει μθ μθδενικι αντίςταςθ (Rsc ), όταν ο διακόπτθσ είναι ανοικτόσ, εμφανίηει μθ άπειρθ αντίςταςθ (Rso ). Ο διακόπτθσ εμφανίηει αδράνεια κατά τθν αλλαγι κατάςταςθσ. Η λειτουργία του MOS τρανηίςτορ ελζγχεται από τθν τάςθ τθσ πφλθσ. To MOS τρανηίςτορ λειτουργεί ωσ ελεγχόμενθ από τάςθ αντίςταςθ. Όταν είναι ςε αποκοπι θ αντίςταςθ είναι άπειρθ. Όταν είναι ςε αγωγι θ αντίςταςθ είναι τθσ τάξθσ εκατοντάδων Ohm. Οι περιοχζσ λειτουργίασ παρουςιάηονται ςτο ςχιμα χιμα 4.30 Περιοχζσ λειτουργίασ MOS τρανηίςτορ ** Γι αυτό το λόγο μποροφμε να το χρθςιμοποιιςουμε ωσ διακόπτθ και να καταφζρουμε να απομονϊςουμε τα τμιματα που επικυμοφμε ϊςτε να ζχουμε τα επικυμθτά αποτελζςματα. Δθλαδι όταν είναι ςε αποκοπι δρα ωσ ανοιχτόσ διακόπτθσ και δεν επιτρζπει ςτο ςφςτθμα να διαρζεται από ρεφμα. Αντίκετα όταν είναι ςτθν κόρου ζχε τθν δυνατότθτα να λειτουργεί ωσ κλειςτόσ διακόπτθσ αφοφ πλζον μετατρζπεται ςε πθγι ρεφματοσ ελεγχόμενθ από τθν τάςθ τθσ πφλθσ. **Πθγι: Δ.Μπακάλθσ <<Δίοδοι, BJT και MOSFET ωσ Διακόπτεσ,Ψθφιακά Ηλεκτρονικά,Διαφάνειεσ Μακιματοσ>>,Πανεπιςτιμιο Πατρϊν,

110 Κεφάλαιο 5: Ρφκμιςθ περικωρίου φάςθσ ενιςχυτι με χριςθ προγραμματιηόμενου ρυκμιςτι αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ 5.1 Λόγοι χριςθσ τθσ ςυγκεκριμζνθσ τοπολογίασ και αρχι λειτουργίασ Αρχικά επειδι κζλαμε να καταςκευάςουμε ζναν ενιςχυτι προγραμματιηόμενθσ λογικισ, αυτόσ προφανϊσ αποτελείται τόςο από αναλογικό όςο και από ψθφιακό τμιμα. Σο αναλογικό τμιμα τθσ τοπολογίασ μασ αποτελείται από τισ αντιςτάςεισ οι οποίεσ ζχουν ςυγκεκριμζνεσ τιμζσ.οι αντιςτάςεισ είναι ςυνδεδεμζνεσ ςε ςειρά. Όλεσ μαηί αποτελοφν το κιβϊτιο αντιςτάςεων και ανάλογα με τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ επιλζγονται οι αντίςτοιχεσ που κα αποτελοφν τθν αντίςταςθ αντιςτάκμιςθσ. Αντίςτοιχα το ψθφιακό τμιμα τθσ τοπολογίασ μασ αποτελείται από λογικζσ πφλεσ που ελζγχονται μζςω τθσ τιμισ ενόσ 3-bit αρικμοφ κάκε φορά. Οι λογικζσ πφλεσ εφαρμόηονται ςτθν πφλθ των τρανηίςτορ τα οποία αποτελοφν και τουσ διακόπτεσ του ςυςτιματοσ και ανάλογα τθν τάςθ που τουσ εφαρμόηεται είναι κλειςτοί ι ανοιχτοί. Οι λόγοι για τουσ οποίουσ χρθςιμοποιιςαμε τθν ςυγκεκριμζνθ τοπολογία, που κα παρουςιαςτεί ςε επόμενο κεφάλαιο, είναι αρκετοί. Η ςυγκεκριμζνθ τοπολογία είναι δυνατόν να επιτευχκεί αφοφ για τθν καταςκευι τθσ χρειάηονται βαςικζσ γνϊςεισ θλεκτρονικϊν. Επίςθσ με τθ ςυγκεκριμζνθ μζκοδο που κα εφαρμόςουμε ζχουμε εργαςτεί ξανά για τθν καταςκευι του προγραμματιηόμενου κακρζπτθ ρεφματοσ. Άρα υφίςταται εξοικείωςθ με τθ ςυγκεκριμζνθ διαδικαςία. Δθλαδι θ λειτουργία του τρανηίςτορ ωσ διακόπτθσ πραγματοποιικθκε και ςτο κεφάλαιο 4 α που ςχεδιάηαμε το προγραμματιηόμενο κακρζπτθ ρεφματοσ. Άλλοσ λόγοσ είναι θ δυνατότθτα που προςφζρει ο προγραμματιηόμενθσ ρυκμιςτισ ρεφματοσ ωσ προσ τθν αλλαγι τθσ τιμισ του ρεφματοσ χωρίσ να τροποποιοφμε το εςωτερικό του ενιςχυτι μασ. Πιο ςυγκεκριμζνα δεν χρειάηεται να αλλάηουμε τθν τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ για να πετφχουμε ρφκμιςθ του περικωρίου φάςθσ αφοφ αλλάηοντασ το 3-bit αρικμό αλλάηει μζςω του κυβϊτιου αντιςτάςεων και θ αντίςταςθ αντιςτάκμιςθσ. Η χριςθ τθσ τοπολογίασ είναι εφκολθ αφοφ απλά αλλάηοντασ τον 3-bit αρικμό,αλλάηει θ τιμι του ρεφματοσ πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι. Γενικά θ αρχι λειτουργίασ τθσ τοπολογίασ ςτθρίηεται ςτθν ςχζςθ που υφίςταται μεταξφ του 3-bit αρικμοφ και τθσ τιμισ ρεφματοσ εξόδου του προγραμματιηόμενου ρυκμιςτι ρεφματοσ. Αφοφ αλλάηει θ τιμι του ρεφματοσ ζχουμε αλλαγι ςτο του τρανηίςτορ που πζρνουμε τθν ζξοδο. Αυτό ςθμαίνει ότι αφοφ αλλάηει το λόγο τθσ ςχζςθσ μεταξφ τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ και του ςτθν ςυγκεκριμζνθ αντίςταςθ. Άρα κα πρζπει να αλλάηουμε κάκε φορά όταν αλλάηει το ρεφμα και τθν αντίςταςθ αντιςτάκμιςθσ., ζχουμε αλλαγζσ και Ο πίνακασ 5.1 μασ παρουςιάηει τθ ςχζςθ του παραπάνω δυαδικοφ αρικμοφ με τθν τιμι του του τρανηίςτορ του τελεςτικοφ ενιςχυτι. Γενικά αφοφ ζχουμε 110

111 3-bit μποροφμε να αναπαραςτιςουμε δθλαδι 8 τιμζσ του. Οι ςυγκεκριμζνεσ τιμζσ επιλζχκθκαν βάςθ του τρανηίςτορ εξόδου του τελεςτικοφ ενιςχυτι. Πίνακασ 5.1 χζςθ 3-bit αρικμοφ με το ςυντελεςτι διαγωγιμότθτασ Ο παραπάνω 3-bit αρικμόσ αποτελείται απο 3 ψθφία και κάκε ψθφίο ζχει δικι του τιμι(0/1) ξεχωριςτι ςε κάκε μια από τισ παραπάνω τιμζσ ρεφματοσ. Αυτό είναι πολφ ςθμαντικό για τθν καταςκευι του ψθφιακοφ ρυκμιςτι μασ. τθν ουςία κα αναηθτιςουμε παρακάτω τθν ςχζςθ κάκε τιμισ του (άρα και τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ) με ζνα ςυνδυαςμό ψθφιακϊν λογικϊν πυλϊν. 5.2 Διαδικαςία καταςκευισ τθσ ςυγκεκριμζνθσ τοπολογίασ Η καταςκευι του ψθφιακοφ ρυκμιςτι είναι μια διαδικαςία θ οποία χρειάηεται υπομονι και χρόνο. Για να τον καταςκευάςουμε ςκεφτικαμε ότι χρειαηόμαςτε μια τοπολογία θ οποία κάκε φορά που επικυμοφμε να αλλάξουμε τθν τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ να γίνεται εφκολα και όπωσ αναφζραμε και νωρίτερα χωρίσ τροποποίθςθ του εςωτερικοφ του ενιςχυτι μασ. Άρα είναι αναγκαίο να δθμιουργιςουμε ζνα κιβϊτιο αντιςτάςεων ςτο εςωτερικό του τελεςτικοφ ενιςχυτι μασ το οποίο όταν δζχεται ςτθν είςοδο το 3-bit αρικμό να επιλζγει τθν επικυμθτι αντίςταςθ από το κιβϊτιο. Όταν αλλάηει ο 3-bit αρικμόσ ζχουμε αλλαγι ςτο ρεφμα πόλωςθσ που ειςζρχεται ςτον τελεςτικό ενιςχυτι. Η ςυγκεκριμζνθ αλλαγι ζχει ωσ ςυνζπεια τθν τροποποίθςθ ςτο ςυντελεςτι διαγωγιμότθτασ του τρανηίςτορ εξόδου. Κάκε φορά με τθν αφξθςθ του ρεφματοσ πόλωςθσ ζχουμε αφξθςθ και ςτον ςυντελεςτι διαγωγιμότθτασ όπωσ παρατθρείται και από τον πίνακα 5.1 τθσ υποενότθτασ 5.1. Η ςχζςθ που ςυνδζει τθν αντίςταςθ αντιςτάκμιςθσ με το ςυντελεςτι διαγωγιμότθτασ του τρανηίςτορ είναι θ εξισ: εξ.(5.1) 111

112 Η εξίςωςθ 5.1 μασ γνωςτοποιεί ότι όςο αυξάνεται ο ςυντελεςτισ διαγωγιμότθτασ τόςο μειϊνεται θ αντίςταςθ αντιςτάκμιςθσ. Όμωσ αφοφ με τθν αφξθςθ του ρεφματοσ πόλωςθσ αυξάνεται ο ςυντελεςτισ διαγωγιμότθτασ λόγο του παραπάνω κα μειϊνεται θ αντίςταςθ αντιςτάκμιςθσ. Άρα ςυνολικά αφξθςθ του ρεφματοσ πόλωςθσ του τελεςτικοφ ενιςχυτι ιςοδυναμεί με μείωςθ τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ. τον πίνακα 5.2 παρουςιάηονται οι τιμζσ τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ για τισ επικυμθτζσ τιμζσ του ρεφματοσ πόλωςθσ που χρθςιμοποιιςαμε ςτο κεφάλαιο 4 α. Οι ςυγκεκριμζνεσ τιμζσ υπολογίςτθκαν μζςω τθσ εξίςωςθσ 5.1. Για να μετριςουμε το για κάκε περίπτωςθ αλλάηαμε το ρεφμα πόλωςθσ και ελζγχαμε τα χαρακτθριςτικά του ςυγκεκριμζνου τρανηίςτορ. Η καταγραφι ζγινε ςτον πίνακα 5.1. Επίςθσ όπωσ φαίνεται ςτον πίνακα 5.3 πραγματοποιιςαμε μια προςζγγιςθ ςτθν τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ ςε κάκε περίπτωςθ για να μπορζςουμε να φτιάξουμε πιο εφκολα το κιβϊτιο αντιςτάςεων. Πίνακασ 5.2 χζςθ 3-bit αρικμοφ με το ςυντελεςτι διαγωγιμότθτασ και τθν αντίςταςθ αντιςτάκμιςθσ Πίνακασ 5.3 χζςθ 3-bit αρικμοφ με τθν αντίςταςθ αντιςτάκμιςθσ(ςτρογγυλοποιθμζνθ τιμι) Η προςζγγιςθ ι ςτρογγυλοποίθςθ ςτισ τιμζσ ζγινε με ςκοπό να χρθςιμοποίθςουμε ςυγκεκριμζνεσ αντιςτάςεισ ςε ςειρά ϊςτε να καταςκεφαςουμε τισ αντιςτάςεισ που προζκυψαν. Δεν κα ιταν εφκολο να είχαμε κιβϊτιο 112

113 αντιςτάςεων που να προςζφερε απευκείασ τθν τιμι γιατί οι ςυγκεκριμζνεσ αντιςτάςεισ είναι αρκετά μεγάλεσ και θ χριςθ τουσ κα ιταν δφςκολθ. Άρα βρίςκουμε μια ςχζςθ που να τισ ςυνδζει και να μποροφμε ακροίηοντασ ςε ςειρά κάκε μια με τθν επόμενθ να τισ καταςκευάηουμε. Πιο συγκεκριμένα: Για τθν τιμι =111 ζχουμε τθν μικρότερθ τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ άρα κα τθν ειςάγουμε απευκείασ χωρίσ να ζχουμε ςε ςειρά κάποιεσ αντιςτάςεισ. =111 : Για τθν τιμι =110 ζχουμε τθν μικρι τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ άρα κα τθν ειςάγουμε μζςω τθσ R7 και μιασ αντίςταςθσ R=1MΩ. =110: Για τθν τιμι =101 ζχουμε τθν μικρι τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ άρα κα τθν ειςάγουμε μζςω τθσ R7 και μιασ αντίςταςθσ R=1MΩ. =101: Οι παραπάνω αντιςτάςεισ δθμιουργοφν τθν R5 ι R6 όπωσ μποροφμε να παρατιρθςουμε ςτα επόμενα ςχιματα που χρθςιμοποιείται. Για τθν τιμι =100 ζχουμε τθν μικρι τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ άρα κα τθν ειςάγουμε μζςω τθσ R6 και μιασ αντίςταςθσ R=1MΩ. 113

114 =100: Η ςυγκεκριμζνθ αντίςταςθ κα αναπαραςτακεί ωσ R4. Για τθν τιμι =011 ζχουμε τθν μικρι τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ άρα κα τθν ειςάγουμε μζςω τθσ R7 και μιασ αντίςταςθσ Rο=4MΩ. =011: Η ςυγκεκριμζνθ αντίςταςθ κα αναπαραςτακεί ωσ R3. Για τθν τιμι =010 ζχουμε τθν μικρι τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ άρα κα τθν ειςάγουμε μζςω τθσ R6 και μιασ αντίςταςθσ Ri=5MΩ. =010: Η ςυγκεκριμζνθ αντίςταςθ κα αναπαραςτακεί ωσ R2. Για τθν τιμι =001 ζχουμε τθν μικρι τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ άρα κα τθν ειςάγουμε μζςω τθσ R2 και μιασ αντίςταςθσ Ri=5MΩ. 114

115 =001: Η ςυγκεκριμζνθ αντίςταςθ κα αναπαραςτακεί ωσ R1. Για τθν τιμι =000 ζχουμε τθν μικρι τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ άρα κα τθν ειςάγουμε μζςω τθσ R1 και μιασ αντίςταςθσ Rk=10MΩ =000: Η ςυγκεκριμζνθ αντίςταςθ κα αναπαραςτακεί ωσ R0. Αφοφ ζχουμε εξάρτθςθ τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ από τον 3-bit αρικμό μποροφμε να χρθςιμοποιιςουμε τθν μζκοδο με τα τρανηίςτορ ωσ διακόπτεσ. Δθλαδι ανάλογα με τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ να είναι ςε λειτουργία κόρου θ αποκοπισ το αντίςτοιχο τρανηίςτορ και να ςυμμετζχει ι να μθν ςυμμετζχει το αντίςτοιχο τμιμα του κιβϊτιου αντιςτάςεων ςτθν τιμι τθσ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ. 5.3 Ανάλυςθ τθσ μεκόδου καταςκευισ και χριςθ χαρτϊν Karnaugh Για να καταςκευάςουμε το ψθφιακό ρυκμιςτι που ρυκμίηει το κιβϊτιο αντιςτάςεων χρθςιμοποιιςαμε χάρτεσ Karnaugh αφοφ πρϊτα ςυςχετίςαμε τθν λειτουργία του κάκε τμιματοσ με τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ. Πιο ςυγκεκριμζνα ςτθν υποενότθτα 5.2 αναλφςαμε τθν μζκοδο καταςκευισ του κιβωτίου αντιςτάςεων κατά τθν οποία δθμιουργοφςαμε τισ επικυμθτζσ αντιςτάςεισ μζςω τθσ ςφνδεςθσ ςε ςειρά ςυγκεκριμζνων αντιςτάςεων που πικανόν χρθςιμοποιιςαμε ςε προθγοφμενο τμιμα του. Για να το απλοποίθςουμε καταςκευάςαμε τον πίνακα 5.4 ςτον οποίο ζχουμε ειςάγει τθν λειτουργία κάκε τμιματοσ του κιβωτίου ανάλογα με 115

116 τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ. Για παράδειγμα για τθν τιμι =111 επικυμοφμε να λειτουργεί μόνο το πρϊτο τμιμα του με αποτζλεςμα να ζχουμε άςςο ςε αυτό το τμιμα και μθδζν ςτα υπόλοιπα(λειτουργία μόνο τθσ αντίςταςθσ R7). Ο άςςοσ και το μθδζν ςε αυτι τθν περίπτωςθ ςχετίηονται με τθν λειτουργία θ όχι του ςυγκεκριμζνου τμιματοσ του. Αν λειτουργεί εμφανίηεται άςςοσ ςτον πίνακα αν όχι μθδζν. Πίνακασ 5.4 χζςθ 3-bit αρικμοφ με τθν λειτουργία του αντίςτοιχου τμιματοσ του κιβϊτιου αντιςτάςεων. Κάκε ζνα τμιμα του κιβϊτιου αντιςτάςεων μπορεί να αναπαραςτακεί με μια ζκφραςθ τθσ άλγεβρασ Boole. Για να βροφμε τθν απλοποιθμζνθ ζκφραςθ για κάκε ζνα εκ των κα χρθςιμοποίθςουμε χάρτεσ Karnaugh. Ο χάρτθσ Karnaugh είναι ζνα ςθμαντικό εργαλείο με το οποίο γνωρίηοντασ τθν τιμι κάκε ελαχιςτόρου(0/1) μποροφμε να βροφμε τθν απλοφςτερθ ζκφραςθ για το ςφςτθμα μασ. τουσ πίνακεσ παρουςιάηονται οι χάρτεσ Karnaugh για κάκε και ςτα ςχιματα θ αντίςτοιχθ υλοποίθςθ με ψθφιακζσ λογικζσ πφλεσ. θμείωςθ: Σο πρόγραμμα που χρθςιμοποιιςαμε δεν μασ επζτρεπε να αλλάξουμε τα Α Β C με τα αντίςτοιχα που είναι τα δικά μασ. Γι αυτό όπου παρατθρείται Α=,Β= και C=. 116

117 Πίνακασ 5.5 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το : εξ (5.2) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 5.1 χιμα 5.1 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Πίνακασ 5.6 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το = εξ(5.3) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα

118 χιμα 5.2 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Πίνακασ 5.7 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το εξ(5.4) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 5.3 χιμα 5.3 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Η ζκφραςθ για τθν είναι απλι αφοφ αποτελείται μόνο από ζναν ελαχιςτόρο εξ(5.5) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα

119 χιμα 5.4 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Πίνακασ 5.8 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το = εξ(5.6) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 5.5 χιμα 5.5 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα 119

120 Πίνακασ 5.9 Χάρτθσ Karnaugh για το τμιμα Η ζκφραςθ για το = εξ.(5.7) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 5.6 χιμα 5.6 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Η ζκφραςθ για τθν είναι απλι αφοφ αποτελείται μόνο από ζναν ελαχιςτόρο εξ(5.8) Η παραπάνω ζκφραςθ μπορεί να αναπαραςτακεί ςε λογικζσ πφλεσ. Αυτι θ υλοποίθςθ παρουςιάηεται ςτο ςχιμα

121 χιμα 5.7 Τλοποίθςθ ζκφραςθσ για το τμιμα Για να είναι πιο όμορφθ οπτικά θ ςχεδίαςθ μασ μποροφμε να ειςάγουμε όλεσ τισ ψθφιακζσ λογικζσ πφλεσ ςε ζνα block και να χρθςιμοποιοφμε ςτο ςυνολικό μασ ςφςτθμα το block και όχι να ςυνδζουμε τισ πφλεσ με το κιβϊτιο αντιςτάςεων όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα 5.8 χιμα 5.8 Οι ψθφιακζσ λογικζσ πφλεσ ενταγμζνεσ ςε block Όπωσ και ςτο προγραμματιηόμενο ρυκμιςτι ρεφματοσ ζτςι και ςτον προγραμματιηόμενο ρυκμιςτι αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ κα χρθςιμοποιιςουμε το τρανηίςτορ ωσ διακόπτθ(περιοχζσ λειτουργίασ:κόροσ και αποκοπι). Για να πετφχουμε το επικυμθτό αποτζλεςμα ςυνδζουμε παράλλθλα το τρανηίςτορδιακόπτθ με τθν αντίςταςθ του κάκε τμιματοσ του κιβϊτιου αντιςτάςεων. Η παράλλθλθ ςφνδεςθ ζχει ωσ ςκοπό να διαρρζεται με ρεφμα μόνο ζνα από τα δφο ςτοιχεία κάκε τμιματοσ ανάλογα με τθν τιμι τθσ τάςθσ ςτθν πφλθ του τρανηίςτορ. Αυτό ςθμαίνει πωσ αν ςτθν πφλθ θ τιμι τθσ τάςθσ είναι μθδζν τότε κα είναι ςε αποκοπι το τρανηίςτορ και δεν κα διαρρζεται από ρεφμα εκείνο αλλά θ αντίςταςθ που είναι παράλλθλα του. Αν αντίκετα θ τιμι τθσ τάςθσ ςτθν πφλθ είναι ίςθ με τότε θ αντίςταςθ δεν κα διαρρζεται από ρεφμα αφοφ όλο το ρεφμα κα περνάει από το τρανηίςτορ. Γενικά όταν το τρανηίςτορ είναι ςε αποκοπι αποκτά πολφ μεγάλθ αντίςταςθ με αποτζλεςμα να μθν επιτρζπει ςτο ρεφμα να περάςει από το εςωτερικό του ενϊ ςε αντίκετθ περίπτωςθ ζχει μικρότερθ τιμι ςε ςχζςθ με τθν αντίςταςθ που ζχουμε ςυνδζςει παράλλθλα(πιο εφκολοσ <<δρόμοσ>> για το ρεφμα). Ανάλογα με τθν τιμι του 3-bit αρικμοφ ζχουμε τθν λειτουργία του αντίςτοιχου τμιματοσ του κιβϊτιου αντιςτάςεων. Αυτό ςχετίηεται με τισ πφλεσ που ζχουμε ειςάγει ςε κάκε τμιμα του προγραμματιηόμενου ρυκμιςτι. Όταν κζλουμε να 121

122 ςυμμετζχει ζνα ςυγκεκριμζνο τμιμα ςτθν τελικι αντίςταςθ αντιςτάκμιςθσ ι όχι ζχουμε αναλφςει ςτον πίνακα 5.4 ότι ο άςςοσ και το μθδζν ςε αυτι τθν περίπτωςθ ςχετίηονται με τθν λειτουργία θ όχι του ςυγκεκριμζνου τμιματοσ τθσ. Άρα ςτο τρανηίςτορ αφοφ λειτουργεί αντίςτροφα από τθν αντίςταςθ κα πρζπει να ειςάγουμε ςτθν ζξοδο κάκε τμιματοσ του ψθφιακοφ ρυκμιςτι μια πφλθ NOT θ οποία κα μετατρζψει το μθδζν ςε άςςο και το αντίςτροφο. Δθλαδι τθν τάςθ ςε και το αντίςτροφο. Όπωσ αναφζραμε νωρίτερα οι αντιςτάςεισ του κάκε τμιματοσ είναι ςε ςειρά μεταξφ τουσ ϊςτε να προςτίκεται κάκε τμιμα με τα υπόλοιπα για τθν δθμιουργία τθσ ςυνολικισ αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ. Σο ςφςτθμα του κιβϊτιου αντιςτάςεων μαηί με τα τρανηίςτορ-διακόπτεσ ζχουν αναπαραςτακεί ςτο ςχιμα 5.9 και με μεγαλφτερθ λεπτομζρεια μόνο τμιμα του ςτο ςχιμα Η μορφι ςε block φαίνεται ςτο ςχιμα 5.11 και θ πραγματοποίθςθ ζγινε με ςκοπό να το ειςάγουμε ςτον τελεςτικό ενιςχυτι μασ. χιμα 5.9 Σοπολογία κιβωτίου αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ χιμα 5.10 Αναπαράςταςθ τμιματοσ του κιβωτίου αντίςταςθσ αντιςτάκμιςθσ 122