Τμήμα ΗΜΜΥ Πολυτεχνική σχολή Πανεπιστημίου Θεσσαλίας Ενισχυτές Εργαστήριο VLSΙ Μεταπτυχιακός φοιτητής Αλεξανδρίδης Αναστάσιος Υπεύθυνος Καθηγητής Πλέσσας Φώτιος
Εισαγωγή Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η περιγραφή βασικών διαφορικών κυκλωμάτων, καθρεφτών ρεύματος (current mirrors) που θεωρούνται τα βασικότερα στοιχεία ενός διαφορικού ενισχυτή. Στο 1 ο μέρος γίνεται μία θεωρητική ανάλυση περί διαφορικών ενισχυτών. Στο 2 μέρος παρουσιάζεται ένα βασικό κύκλωμα με καθρέφτη ρεύματος που έχει εξομοιωθεί σε Multisim και είναι πλήρως λειτουργικό σε φυσικό επίπεδο. Στο 3 ο μέρος παρουσιάζεται ένας τυπικός προενισχυτής με την χρήση ενός τελεστικού ενισχυτή, ο οποίος έχει εξομοιωθεί σε Multisim, και είναι πλήρως λειτουργικό ως φυσικό κύκλωμα (δίνεται και το Layout). Η συγκεκριμένη εργασία αποτελεί την τελική εργασία για το Μεταπτυχιακό μάθημα εργαστήριο VLSI.
1 ο Μέρος Παρουσίαση βασικών εννοιών των διαφορικών ενισχυτών Απλή και διαφορική λειτουργία Στην απλή λειτουργία η μέτρηση του σήματος εισόδου-εξόδου είναι η διαφορά του δυναμικού ή της έντασης ρεύματος ως προς ένα σημείο αναφοράς (π.χ. σημείο 0 γείωση κ.τ.λ.). Σε διαφορικά κυκλώματα η μέτρηση του σήματος εξόδου είναι η διαφορά δύο σημείων (π.χ. τα δύο σημεία εξόδου του διαφορικού ενισχυτή) Πλεονεκτήματα της Απλής διαφορικής λειτουργίας Χαμηλός δείκτης επίδρασης από σήματα προερχόμενα από το περιβάλλον. Χαμηλός επηρεασμός από την χωρητικότητα μεταξύ γραμμών μεταφοράς. Καλή απόκριση σε λειτουργία μεγάλου σήματος. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική είναι ιδανική για την σχεδίαση αναλογικών κυκλωμάτων τύπου VLSI και ULSI, και για αυτό τον λόγο η χρήση της είναι πολύ συνηθισμένη στην βιομηχανία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Παρουσίαση βασικής θεωρίας διαφορικών ενισχυτών Υπάρχουν δύο βασικές λειτουργίες στους διαφορικούς ενισχυτές Differential mode : Είναι η λειτουργία κατά την οποία ισχύει Αν v1, v2 τα σήματα εισόδου και v1= -v2 ή v1=v2 Common mode : Είναι η λειτουργία κατά την οποία v1=v2. Ονομάζεται και λειτουργία σε κατάσταση ισορροπίας. Για τις δύο βασικές λειτουργίες ισχύει Differential mode = 2 1
Common mode = 1 Commone mode rejection ratio 1 Signal to noise ratio Common mode Στην common mode και τα δύο βασικά μέρη του ενισχυτή (1 και 2) ταυτίζονται. Οι είσοδοι (V B1 = V b2 ) και οι έξοδοι (V C1 = V C2 ) είναι ίσοι και συμφασικοί. ic1 = ic2 = (α*ι)/2 vc1=vc2= VCC-[(a*I)/2*Rc] ie1=ie2= I/2 Vcm=-0.7 U B1 = U B2
Ένα τυπικό διαφορικό ζεύγος common mode V3 13 V R1 18.0kΩ Q1 A XSC1 B Ext Trig R2 18kΩ Q2 V1 2mVpk 50 Hz 0 BC547BP V4 13 V BC547BP V2 2mVpk 50 Hz 0 R3 15.0kΩ Οι κυμματομορφές εξόδου του ενισχυτή (Vo1=Vo2)
Differential mode Με μικρό σήμα εισόδου Ένα τυπικό διαφορικό ζεύγος differential mode με μικρό σήμα εισόδου V3 13 V R1 18.0kΩ Q1 A XSC1 B Ext Trig R2 18kΩ Q2 V1 2mVpk 50 Hz 0 BC547BP V4 13 V BC547BP V2 2mVpk 50 Hz 180 R3 15.0kΩ
Οι κυμματομορφές εξόδου του ενισχυτή (Vo1=-Vo2, διαφορά φάσης 180 ο ) Ισοδύναμο κύκλωμα διαφορικού ζεύγους Για common mode Έχουμε v 1 = v 2,! = " #$ %2 %2 " &$ ' Πηγή : http://ellabedu.physics.upatras.gr/
Για differential mode Για Vo1 = -Vo2 έχουμε Το κέρδος τάσης για τις εξόδους Vo1 & Vo2 είναι και Όπου Πηγή : http://ellabedu.physics.upatras.gr/ Μέρος 2 ο Ένας τυπικός διαφορικός ενισχυτής Εισαγωγή Ο παρακάτω ενισχυτής είναι ένα τυπικό εφαρμοσμένο κύκλωμα διαφορικού ενισχυτή. Οι εφαρμογές του είναι πάρα πολλές και συσχετίζονται κυρίως με την διαφώριση και μίξη σημάτων. (π.χ. την μίξη ή τον διαχωρισμό φωνής και ήχου σε ένα κοινό κανάλι). Ο παρακάτω ενισχυτής είναι πλήρως λειτουργικός σε φυσικό επίπεδο.
Το schematic & τα αποτελέσματα του κυκλώματος VDD 12V XSC1 R5 10kΩ Ext T rig R1 1kΩ A B Q1 R2 1kΩ R6 10kΩ Q2 V1 10mVrms 60 Hz 0 V2 BJTNPNVIRTUAL R7 2.2kΩ R3 150Ω BJTPNPVIRTUAL R8 R4 2.2kΩ 150Ω 10mVrms 60 Hz 0 Η έξοδος του ενισχυτή σε εξομοίωση (common mode) Η έξοδος του ενισχυτή σε φυσικό επίπεδο (Volt division =20mV, time division 15ms)
Μέρος 3ο Ένας τυπικός προενισχυτής To schematic του ενισχυτή και του γραμμικού τροφοδοτικού
Το κέρδος τάσης του ενισχυτή Η συχνότητα και η απόκριση της ενισχυτικής διάταξης
Το Layout του ενισχυτή Η τοποθέτηση εξαρτημάτων
Βιβλιογραφία Design of Analog CMOS Integrated circuits Behzad Razavi Mc Graw Hill Σημειώσεις εργαστηρίου Ηλεκτρονικής ΙΙ του ΗΜΜΥ- ΑΠΘ, Άλκης Χατζόπουλος Διαφάνειες μαθήματος Ηλεκτρονικά στοιχεία και Κυκλώματα ΙΙ του Τεχνικού Πανεπιστημίου Κύπρου Ιστοσελίδες Εργαστήριο Ηλεκτρονικής τμήματος φυσικής Πανεπιστήμιο Πατρών http://ellabedu.physics.upatras.gr/ www.ni.com Λογισμικό Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε είναι η σουίτα της National Instruments Multisim & Ultiboard