Ηλεκτρικά Κυκλώματα & Δίκτυα ΙΙ Εισαγωγή στα Ολο. Κυκλ. Βασική Φυσική MOS Ενισχυτές ενός σταδίου Διαφορικοί Ενισχυτές Καθρέφτες Ρεύματος Απόκριση Συχνότητας Ηλεκτρικός Θόρυβος Ανατροφοδότηση Σχεδιασμός Τελεστικών Ενισχυτών (ΤΕ) Ευστάθεια και Αντιστάθμιση Κυκλώματα Αναφοράς Required Text: Design of Analog CMOS ntegrated Circuits Behzad Razavi Copyrighted mages reproduced with kind permission of The McGraw-Hill Companies, nc. Ανασκόπηση Κεφαλαίου Απλοί Καθρέφτες Ρεύματος Κασκωδικοί Καθρέφτες Ρεύματος Ενεργοί Καθρέφτες Ρεύματος
Γιατί Χρειαζόμαστε Καθρέφτες Ρεύματος; Ενεργά Φορτία (Πηγές Ρεύματος) Ψηφιοαναλογικό Μετατροπέα Αναλογική Επεξεργασία Σήματος Για να προσαρμόζονται κυκλώματα σε μεταβαλλόμενες παραμέτρους π.χ. Θερμοκρασία 3 Είναι Καλή Λύση Για Πόλωση; εξαρτάται από: Τάση τροφοδοσίας V TH μ n (T), V TH (T) W D μ nc ox. V DD VTH L R + R R Τότε πως θα πολώσουμε το Μ ; 4
Αντιγράφουμε από Πηγή Αναφοράς! Η πηγή αναφοράς: Κρατά σταθερό ρεύμα ακόμα και εάν αλλάξει η τάση τροφοδοσίας Δεν επηρεάζεται από αλλαγές θερμοκρασίας Δεν είναι ευαίσθητη σε κατασκευαστικές ατέλειες Όμως χρειαζόμαστε τρόπο για να αντιγράφουμε από τη πηγή αναφοράς 5 Απλός Καθρέφτης Ρεύματος () Από ρεύμα θέλουμε να δημιουργήσουμε μία τάση που θα δίδει το ίδιο ρεύμα σε ένα άλλο τρανζίστορ D V GS + V W μ nc ox L TH D μ nc ox W L ( V V ) GS TH 6 3
Απλός Καθρέφτης Ρεύματος () ref μ nc μ nc ox ox W L W L ( V V ) GS ( V V ) GS TH TH ( W / L ) ref ( W / L ) Δεν περιέχει εξάρτηση σε: V DD, V TH, μ n (T), V TH (T)!!!! 7 Εφαρμογή του Απλού Καθρέφτη Σε Διαφορικό Ενισχυτή REF.5 REF REF 0.5 REF 5 REF 8 4
Απλός Καθρέφτης Ρεύματος με Πεπερασμένη Αντίσταση Εξόδου Με πεπερασμένη αντίσταση εξόδου: μnc W L ox D GS TH DS μnc W L ( V ( V V ) ( + λv ox D GS TH DS V ) ( + λv ) ) ( VGS VTH) ( VGS VTH) ( W ( W / L) / L) + λv. + λv DS DS ref 9 Κασκωδικός Καθρέφτης Ρεύματος() Η αντίσταση εξόδου αυξάνεται σε: R + [( g m3 g mb3) ro 3] ro Με απλό καθρέφτη το σφάλμα είναι: Δ ΔV / r o Με τον Κασκωδικό καθρέφτη Δ ΔV + /[( g m3 g mb3) ro 3] ro 0 5
Κασκωδικός Καθρέφτης Ρεύματος() V TH V GS V GS Εάν V X V Y τότε REF Για να παραμένουν κορεσμένα τα στοιχεία Μ3 και Μ V P V GS -V TH Παράδειγμα Σκίτσαρε το X σε σχέση με το V B όταν το V X μειώνεται από μια μεγάλη θετική τάση. W D μncox ( VGS VTH) L V DS 6
Κασκωδικό Καθρέφτη Για Χαμηλές Τάσεις () Πώς διαλέγουμε τη τάση V b για να είναι κορεσμένα τα τρανζίστορ M & M ; V + GS + ( VGS VTH) Vb VGS VTH Για να υπάρχει λύση: V V + V GS + ( VGS VTH) V GS V TH V TH GS TH Έτσι βρίσκουμε ότι το (W/L) πρέπει να είναι τέτοια ώστε η υπερκατώφλιακη τάση να είναι λιγότερη από το κατώφλι 3 Πόλωση Καθρέφτη Για Χαμηλές Τάσεις () V R V Rb b TH Η ελάχιστη τάση κορεσμού του Μ εξασφαλίζεται όταν: V A V V GS TH V GS Οπ όταν V GS GS + ( V VGS 5 + ( V Ανακρίβεια λόγω: της επίδρασης σώματος Το R b σε ολοκληρωμένα κυκλώματα έχει σφάλμα ±0% V b V GS GS 6 V TH ) R ) b 4 7
Πόλωση Καθρέφτη Για Χαμηλές Τάσεις Για Μ 7 V DS V GS και έτσι καθορίζουμε το W/L ώστε V V GS 7 TH V GS V b V + V V GS 5 GS 6 TH V GS Ανακρίβεια λόγω: της επίδρασης σώματος Λύση: Βάζουμε κάποιο επιπρόσθετο περιθώριο στη τάση V b π.χ να μειώσουμε το (W/L) 5,6 5 Ενεργοί Καθρέφτες Οι καθρέφτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά κάποιου σήματος. Π.χ. σε συνδυασμό με διαφορικός ζεύγος Εάν λ0 τότε in Μια αλλαγή στο ρεύμα εισόδου: +Δ in θα δώσει μια αλλαγή +Δ 6 8
Διαφορικό Ζεύγος + Καθρέφτη Στη Μία Έξοδο Θα θέλαμε να βρούμε το κέρδος τάσης του διαφορικού ζεύγους όταν προσθέτουμε καθρέφτη στην μια έξοδο Πρώτα βρίσκουμε το G m και μετά το R 7 Διαφορικό Ζεύγος + Καθρέφτη Στη Μία Έξοδο (Gm) gm ( Vin / ) G m g V V in in m / 8 9
Διαφορικό Ζεύγος + Καθρέφτη Στη Μία Έξοδο (R ) R (Chapter 3 slide 6) [( + g r )(/ g ) + r ] [ r + / g ] r 0 0 m r o4 0 m r m, o4 o r o4 A v gm 0 ( r r ) o4 Με το κυκλωμα αυτό δέν εκμεταλλευόμαστε το μισό το σήμα, δηλαδή αυτό της υποδοχής του Μ 9 Διαφορικό Ζεύγος Με Ενεργό Καθρέφτη Το κέρδους της τάσης είναι πιο μεγάλο από πριν!! Μετατρέπει διαφορικό σήμα σε μονό σήμα! (Ο πιο πάνω είναι ο πρώτος σας τελεστικός ενισχυτής) 0 0
Περιορισμοί σε Συνδεσμολογία Ανοικτού Βρόχου V GS 3 V > V + V in, CM DS 5min GS, Συνήθως χρησιμοποιείται σε συνδεσμολογία ανατροφοδότησης Χαρακτηριστικά Σε Μικρό Σήμα έξοδος A G v Y m R
Διαγωγιμότητα G m D D3 D 4 g m, V in / D g m, V in / g V G g D D4 m, in, m m, Η διαγωγιμότητα είναι x αυτή στη διαφάνεια 8 3 Αντίσταση Εξόδου R Αντικατοπτρίζει το ρεύμα VX VX r, + ([/ g 3] r 3) ro4 X + o m o R ro ro 4, (ro, >> [/ gm3] ro 3) 4
Χαρακτηριστικά Σε Μικρό Σήμα A g r r ) m A ( r r ) v m, ( o o4 Είναι πιο μεγάλο! v g 0 o4 5 Χαρακτηριστικά Κοινού Σήματος () γ 0 Το κέρδος του κοινού σήματος ορίζεται ως: A CM ΔV ΔV in,cm 6 3
Χαρακτηριστικά Κοινού Σήματος () Αμελητέο A CM g g m 3,4 m, r + R o 3,4 SS g m, ( + g m, R SS ) g m 3, 4 7 Χαρακτηριστικά Κοινού Σήματος (3) CMRR A DM A CM g m, (r o, r o3,4 ) g m 3,4 ( + g m, R SS ) g m, g m 3,4 (r o, r o3,4 )( + g m, R SS ) 8 4