ΕΝΙΣΧΥΤΕΣΜΙΑΣΒΑΘΜΙΔΑΣ ΔΙΑΛΕΞΗ 1

ΕΝΙΣΧΥΤΕΣΜΙΑΣΒΑΘΜΙΔΑΣ ΔΙΑΛΕΞΗ 1

Ενισχυτές ενός τρανζίστορ Ο στόχος αυτής της παρουσίασης είναι 1. Μελέτη των χαρακτηριστικών ενός ενισχυτή 2. Ανάλυση του ενισχυτή χρησιμοποιώντας ωμικά φορτία 2

Χαρακτηριστικά Ενισχυτών Μεταφορά τάσης μεγάλου σήματος (.DC) Περιορισμοί ταλάντωσης της τάσης μεγάλου σήματος (.DC &.TAN) Μικρό σήμα, λειτουργία-απόδοση μη-εξαρτημένης από συχνότητα Κέρδος Αντίσταση εισόδου/εξόδου Μικρό σήμα, απόκριση συχνότητας (.AC) Θόρυβος (.NOISE) Κατανάλωση ενέργειας (.OP) Slew ate (.TAN) 3

Τύποι τρανζίστορ Κοινού εκπομπού Κοινής βάσης Κοινού συλλέκτη Degeneation εκπομπού Κοινής πύλης Κοινού πύλης Κοινού επαγωγού degeneation πηγής 4

Ροή ρεύματος στις αντιστάσεις Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι τα ac σήματα μπορούν να «ρέουν» σε και από ορισμένες αντιστάσεις Κανόνες Ο συλλέκτης ή ο dain δεν είναι είσοδοι Ηβάσηήηπύληδενείναιέξοδοι Επιπλέον μερικοί «δρόμοι» σημάτων αντιστρέφουν την πολικότητα. Ο «δρόμος» βάση-συλλέκτη ή gate-dain αντιστρέφει την πολικότητα. Οι υπόλοιποι συνδυασμοί δεν αντιστρέφουν την πολικότητα. (Υποθέτουμε ότι δεν υπάρχουν eactive στοιχεία τα οποία προκαλούν μετατόπιση φάσης) 5

6 BJT ενισχυτές ενός τρανζίστορ Μεγάλο σήμα Μικρό σήμα C in out C C m in out C C out m in C A t C m i i g v v g I V V I g + + + 0 0 0 0 0 0 0 0 0,,, β β π (Σε αρκετές περιπτώσεις πρέπει να θεωρήσουμε μια αντίσταση πηγής s σε σειρά με την είσοδο)

Βασικά κυκλώματα ενός τρανζίστορ Ακόλουθος πηγής ή ακόλουθος εκπομπού Απομονώνει την είσοδο από την έξοδο Για ιδανική πηγή ρεύματος έχω: I bias I eo e (Vin -Vout )/U T V dd V out -U T ln(i bias /I eo ) + V in I bias I bias e (ΔVin -ΔVout )/U T V in V out 100μA GND Δ V out Δ V in 7

Βασικά κυκλώματα ενός τρανζίστορ (2) Για ιδανική πηγή ρεύματος έχω: V dd I bias I o e κvin/ut e -Vout/U T V in V out V out U T ln(i bias /I o ) + κ V in 10nA I bias I bias e κδvin/ut e -ΔVout/U T GND Δ V out κδv in Τρανζίστορ ως πηγή ρεύματος I d I bias e Vout/VA I o e κvin/ut e -Vout/U T V out U T ln(i bias /I o ) + (κ // (V A /U T ))V in 8

Παράδειγμα BJT κοινού εκπομπού με αντίσταση πηγής Βρείτε την αντίσταση εισόδου μικρού σήματος, in, αντίσταση εξόδου, out, κέρδος τάσης, vout/vin, κέρδος ρεύματος, iout/iin του σχήματος. Δίνονται β0100, VA100V, Is10fA. 9

Ενισχυτής κοινής πηγής Μικρό σήμα Μεγάλο σήμα (Σε αρκετές περιπτώσεις πρέπει να θεωρήσουμε μια αντίσταση πηγής s σε σειρά με την είσοδο) 10

CE (ακόλουθος εκπομπού) Μικρό σήμα Μεγάλο σήμα (Σε αρκετές περιπτώσεις πρέπει να θεωρήσουμε μια αντίσταση πηγής s σε σειρά με την είσοδο) 11

MOS ενισχυτές ενός τρανζίστορ CS (common souce) Ενισχυτής Μικρό σήμα Μεγάλο σήμα 12

MOS ενισχυτές ενός τρανζίστορ CG (common gate) Ενισχυτής Μικρό σήμα Μεγάλο σήμα Παραλείποντας την ds 13

Παράδειγμα Βρείτε τα in, out και v out /v in του CG ενισχυτή λαμβάνοντας υπόψη την ds. Δίνονται K N 110μA/V 2, V T 0.7V, λ N 0.04V -1, W/L10μm/1μm, I D 200μA και D. Βρίσκω τις παραμέτρους του μοντέλου Από το μοντέλο μικρού σήματος του σχήματος έχω 14

MOS ενισχυτές ενός τρανζίστορ CD (common dain-ακόλουθος πηγής) Ενισχυτής Μικρό σήμα Μεγάλο σήμα Παραλείποντας την ds 15

Ενισχυτές με degeneation εκπομπού/πηγής Degeneation εκπομπού 16

Ενισχυτές με degeneation εκπομπού/πηγής Degeneation πηγής 17

Degeneation Πηγής (1/2) + - Μεγαλύτερη γραμμικότητα Πιθανή ευστάθεια g m Μικρότερο εύρος ζώνης Περισσότερος θόρυβος V in V in V out GND V out κυκλωματικό στοιχείο GND 18

Degeneation Πηγής (2/2) Παραλείποντας την V A του τρανζίστορ Q 1 έχω: I I eo e V 1 /U T I eo e (Vin - V1 + V out/a v )/U T 2 V 1 V in + V out / A v I I eo e (Vin + V out/a v )/(2 U T ) V in V out GND V out V 1 Q 1 GND I (Το αποτέλεσμα είναι παρόμοιο και για τα MOSFET) 19

Τρανζίστορ κοινού εκπομπού -CE Κοινού εκπομπού/κοινής πηγής Ενισχύει το σήμα εισόδου στην έξοδο Για ιδανική πηγή ρεύματος έχω: V dd I bias I co e Vin/UT e Vout /V A I bias V out -V A ln(i bias /I co ) + (κ V A / U T ) V in V in GND 20

Τρανζίστορ κοινού απαγωγού CD (1/2) Ενισχύει το σήμα εισόδου στην έξοδο Διαγωγιμότητα εισόδου 0 V dd 100pA I bias I bias e κδvin/ut e ΔVout/V A I bias V out ΔV out (κ V A / U T ) ΔV in V in GND 21

Τρανζίστορ κοινού απαγωγού CD (2/2) Πρέπει να λάβουμε υπόψη και την άλλη πηγή ρεύματος V dd I d I bias e -ΔVout/V Ap I bias e κδvin/ut e ΔVout/V An V b M 6 V out ΔV out (κ (V An // V Ap ) U T ) ΔV in V in M 7 GND 22

Τρανζίστορ κοινού απαγωγού CD Μετρήσεις ενισχυτή V dd V 1 M 6 I bias V out M b M 7 GND GND 23

CE/CS ωμικό φορτίο 24

Μετρήσεις ενισχυτή υψηλού κέρδους Κύκλωμα ενισχυτή με DIBL FET 25

Τρανζίστορ κοινής βάσης -CB Κοινής βάσης/κοινής πύλης Ενισχύει το σήμα εισόδου στην έξοδο (μη-ανάστροφο κέρδος) Για ιδανική πηγή ρεύματος έχω: V dd 100μA I bias I co e (V b -V in )/U T e Vout /V A V b V out -V A ln(i bias /I co ) + (V A / U T ) V in (V A / U T ) V b V in Gain V A / U T A v 26

Τρανζίστορ κοινής πύλης -CG Χρησιμοποιώντας ένα subtheshold MOSFET έχω: V dd I bias I o e (κv b -V in )/U T e Vout /V A V out -V A ln(i bias /I o ) + (V A / U T ) V in (κ V A / U T ) V b I bias 100pA V out Gain V A / U T A v Πρόβλημα μεγάλο ρεύμα εισόδου. V in V b 27

Κοινής πύλης ωμικό φορτίο 28

Ένας τυπικός CMOS ενισχυτής 29

Subtheshold MOSFETs Σε γραμμική κλίμακα έχουμε δευτεροβάθμια εξάρτηση 10-6 10-7 nfet D pfet S Σε λογαριθμική κλίμακα έχουμε εκθετική εξάρτηση Dain cuent (A) 10-8 10-9 10-10 G S B D G κ 0.58680 I o 1.2104fA 10-11 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 Gate voltage (V) 30

31 Καμπύλες ρεύματος/τάσης MOS ( ) ( ) 1 / )/ ( 0 / / / 0 T ds T S G T D T S T G u V u V κv u V u V u κv DS e e I e e e I I ( ) ( ) ( ) e e I I u V V u V V T d g T S g / / 0 κ κ ( ) ( ) ( ) 1 / / 0 T S d T S g u V V u V V e e I κ ) / ( 0 T S G u V κv e I κόρος 4 T ds U V >

Χαρακτηριστικά απαγωγού 32

Ρεύμα/τάση απαγωγού Φαινόμενο Ealy μη γραμμική περιοχή (διαμόρφωση καναλιού) I d I d (sat) (1 + (V d /V A ) ) I c I c (sat) (1 + (V c /V A ) ) I out 10μA out I d I d (sat) e Vd/VA I c I c (sat) e Vc/VA 33

Σχέσεις διόδου-πυκνωτή I in I out C (dv i /dt) I in -I co exp(v i /U T ) I out I co exp(v i /U T ) V i C GND GND (C / I out ) (d I out /dt) I in -I out C (d I out /dt) I out ( I in -I out ) 34

Βασικά κυκλώματα ενός τρανζίστορ Κοινής πηγής Κοινού εκπομπού Κοινής πύλης Κοινού βάσης Ακόλουθος πηγής Ακόλουθος εκπομπού Το διαφορικό ζεύγος αποτελεί το θεμελιώδες κύκλωμα 2 τρανζίστορ 35

Μερικές διατάξεις MOS τρανζίστορ V dd V dd V dd 100pA 500μA 10μA V out V out V out V in V in V in GND GND GND Subtheshold MOS Above theshold MOS Subtheshold MOS 36

Εξισώσεις MOS above theshold I (K/2k) ( (k(v g -V T ) - V s ) 2 -(k(v g -V T ) - V d ) 2 ) AN k 1 (αγνοούμε τα back-gate φαινόμενα): I (K/2) ( 2(V gs -V T ) V ds -V ds2 ) Κόρος: Q d 0 I (K/2κ) ( (κ(v g -V T ) - V s ) 2 37

Διαγράμματα Gummel 10-2 10-3 10-4 10-5 Ic: n1, Is 5.52fA 10-6 Cuents 10-7 10-8 10-9 10-10 Ib: n1.019, Is 0.048fA 10-11 10-12 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Base-Emitte Voltage (V) 38

Μοντέλο μικρού σήματος V 1 V 3 V 2 I V 1 V 3 V 2 I V 1 + π V 2 V - g m V o V 3 V 2 π g m o A v BJT (U T β) / I I / U T V A / I V A / U T Above VT MOSFET 2I /(V 1 -V 2 -V T ) V A / I 2V A /(V 1 -V 2 -V T ) κi/ U T V A / I κv A / U T 39

Φάσμα των «φορτίων» ενός ενισχυτή V dd V dd V dd 10μA V b 1 V out V out V out V in V in V in GND GND GND Ιδανικό φορτίο πηγής ρεύματος τρανζίστορ φορτίο πηγής ρεύματος ωμικό φορτίο Τα τρανζίστορ ενός chip είναι ακριβά 40

Κυκλώματα ακόλουθου MOS 41

42 BJT ενισχυτές με μια ματιά Κοινού συλλέκτη (ακόλουθος εκπομπού) C e o o o B E B i E E C f A ι ι π π π π π υ π β β β β β 1 2 ) )( (1 ) ( )] )(1 ( [ 1 ) )(1 ( ) )(1 ( 0 0 0 + + + + + + + b e E C o o B i e C C o C C C f A ) ( 1 1 2 ) ( + + ι ι π π π υ π β β b e E C e o e E B i E C e E C C C f A ) ( 1 1 2 )] ( [ 2 1 1 1 + + + + ι ι υ π β Κοινού εκπομπού Κοινού εκπομπού με αντίσταση εκπομπού)

Με μια ματιά BJT Ενισχυτές ενός τρανζίστορ Συμπεριφορά μικρού σήματος Κοινού εκπομπού Κοινής βάσης Κοινού συλλέκτη Αντίσταση εισόδου Αντίσταση εξόδου Κέρδος τάσης Κέρδος ρεύματος MOS Ενισχυτέςενόςτρανζίστορ Συμπεριφορά μικρού σήματος Κοινής πηγής Κοινής πύλης Κοινού απαγωγού Αντίσταση εισόδου Αντίσταση εξόδου Κέρδος τάσης Κέρδος ρεύματος 43

Η διάλεξη αυτή έγινε στο πλαίσιο του ΕΠΕΑΚ ΙΙ για το μάθημα Αναλογικά Ηλεκτρονικά 44