ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική «Ενισχυτές ενός τρανζίστορ και πολλών τρανζίστορ» Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr ΤΗMMΥ
Σκοπός διάλεξης Παρουσίαση των σημαντικότερων τοπολογιών ενισχυτών με ένα και περισσότερα τρανζίστορ τόσο σε CMOS όσο και σε διπολική τεχνολογία Βέλτιστη υλοποίηση ως προς την απόδοση και το κόστος λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς της τεχνολογίας που θα επιλεγεί THΜMΥ - 2
Δομή παρουσίασης Παραδείγματα διπολικών και CMOS ενισχυτών Μοντελοποίηση δύο θυρών «two-port» των ενισχυτών Ενισχυτές με ένα τρανζίστορ Ενισχυτές με πολλά τρανζίστορ THΜMΥ - 3
Discrete Component Amplifier Δύο διαδοχικά διπολικά στάδια Common Emitter (CE) και ένα στάδιο Common Collector (CC). Είσοδος AC-coupled, μεταξύ σταδίων και εξόδου. Απαιτεί μεγάλα «εξωτερικά» στοιχεία, R και C. THΜMΥ - 4
Integrated Circuit Amplifier CMOS τριών σταδίων: Διαφορικό στάδιο εισόδου με ενεργό φορτίο Στάδιο κέρδους Common Source Στάδιο απομόνωσης Common Drain THΜMΥ - 5
Δίθυρα μοντέλα ενισχυτών THΜMΥ - 6
Δίθυρο ισοδύναμο κύκλωμα παραμέτρων σύνθετης αγωγιμότητας THΜMΥ - 7
Δίθυρο ισοδύναμο κύκλωμα παραμέτρων σύνθετης αγωγιμότητας Σύνθετη αγωγιμότητα εισόδου με βραχυκυκλωμένη την έξοδο Ανάστροφη διαγωγιμότητα με βραχυκυκλωμένη την είσοδο Ορθή διαγωγιμότητα με βραχυκυκλωμένη την έξοδο Σύνθετη αγωγιμότητα εξόδου με βραχυκυκλωμένη την είσοδο Σε πολλές πρακτικές περιπτώσεις ειδικά στις χαμηλές συχνότητες η ανατροφοδότηση είναι αμελητέα και η y 12 θεωρείται μηδέν. Μονόπλευρος - unilateral ενισχυτής. Διαφορετικά ονομάζεται αμφίπλευρος - bilateral (y 12 0) THΜMΥ - 8
Δίθυρο ισοδύναμο κύκλωμα παραμέτρων σύνθετης αντίστασης Συχνά χρησιμοποιούμε το μοντέλο με σύνθετες αντιστάσεις Μοντέλο εξόδου Norton (G m = y 21 ) Μοντέλο εξόδου Thevenin a v v v 2 1 i 2 0 G m Z o THΜMΥ - 9
Μονόπλευρο δίθυρο με φορτίο THΜMΥ - 10
Ενισχυτής κοινού εκπομπού (CE) με ωμικό φορτίο THΜMΥ - 11
Ενισχυτής (CE) με ωμικό φορτίο Μοντέλο μικρού σήματος THΜMΥ - 12
Ενισχυτής κοινού εκπομπού (CE) με ωμικό φορτίο Κέρδος τάσης ανοιχτοκυκλώματος (χωρίς φορτίο) Κέρδος ρεύματος βραχυκυκλώματος THΜMΥ - 13
Ενισχυτής κοινής πηγής (CS) με ωμικό φορτίο THΜMΥ - 14
Ενισχυτής (CS) με ωμικό φορτίο Μοντέλο μικρού σήματος THΜMΥ - 15
Ενισχυτής κοινής βάσης (CB) με ωμικό φορτίο THΜMΥ - 16
Ενισχυτής (CB) με ωμικό φορτίο Μοντέλο μικρού σήματος THΜMΥ - 17
Ενισχυτής (CB) με ωμικό φορτίο Μοντέλο μικρού σήματος r b = 0, r o = THΜMΥ - 18
Ενισχυτής (CB) με ωμικό φορτίο Μοντέλο μικρού σήματος r b 0, r o = THΜMΥ - 19
Ενισχυτής (CB) με ωμικό φορτίο Μοντέλο μικρού σήματος r b 0, r o < THΜMΥ - 20
Ενισχυτής (CB) με ωμικό φορτίο Λόγοι για τη χρήση του O C bc δεν δημιουργεί ένα HF μονοπάτι ανάδρασης υψηλής συχνότητας όπως στον ενισχυτή CE καλός ενισχυτής RF. Η R o μπορεί να είναι πολύ μεγάλη καλή πηγή ρεύματος. THΜMΥ - 21
Ενισχυτής κοινής πύλης (CG) με ωμικό φορτίο THΜMΥ - 22
Ενισχυτής (CG) με ωμικό φορτίο Μοντέλο μικρού σήματος r o = για πεπερασμένη r o THΜMΥ - 23
Ενισχυτής κοινού συλλέκτη (CC) με ωμικό φορτίο Ακόλουθος εκπομπού a R o 1 1 R r s 1 R r 0 r R R i r 1 0 o r R 1 Rs r 1 L o όταν L s o 0 gm 1 gmrl 1 g R m 0 L r R 1, r s, 0 o R L r 0 g m THΜMΥ - 24
Ενισχυτής κοινού απαγωγού (CD) με ωμικό φορτίο Ακόλουθος πηγής THΜMΥ - 25
Ενισχυτής (CD) με ωμικό φορτίο Μοντέλο μικρού σήματος THΜMΥ - 26
Ενισχυτής (CE) με εκφυλισμό εκπομπού THΜMΥ - 27
Ενισχυτής (CE) με εκφυλισμό εκπομπού Μοντέλο μικρού σήματος Γενικότερα για την R ο ισχύει: THΜMΥ - 28
Ενισχυτής (CS) με εκφυλισμό πηγής THΜMΥ - 29
Ενισχυτής (CS) με εκφυλισμό πηγής Μοντέλο μικρού σήματος THΜMΥ - 30
Συνδέσεις CC-CE & CC-CC Σύνθετο τρανζίστορ Ισοδύναμο μικρού σήματος THΜMΥ - 31
Ενισχυτές CC-CE & CC-CC Αυξημένη αντίσταση εισόδου και κέρδος ρεύματος: Τα μεγέθη αυτά είναι άπειρα για τα MOSFET τρανζίστορ άρα η συνδεσμολογία δεν χρησιμοποιείται σε αυτή την τεχνολογία THΜMΥ - 32
Συνδεσμολογία Darlington Αύξηση του ενεργού κέρδους ρεύματος Όταν χρησιμοποιείται ως ακόλουθος εκπομπού είναι ίδια με την CC-CC Όταν χρησιμοποιείται ως ενισχυτής κοινού εκπομπού είναι παρόμοια με την CC-CΕ (ο συλλέκτης του Q1 συνδέεται στην έξοδο αντί για την τροφοδοσία Μειώνεται η ενεργός αντίστασης εξόδου της συσκευής Αυξάνει η χωρητικότητα εισόδου Έτσι προτιμάται η CC-CE O όρος Darlington χρησιμοποιείται πολλές φορές όταν γίνεται αναφορά τόσο στην CC-CE όσο και στην CC-CC συνδεσμολογία THΜMΥ - 33
Κασκοδική συνδεσμολογία CE-CB Mειώνει το Miller effect στο Q1. Πως; R i(cb) 1/g m2. Άρα το κέρδος τάσης απο τη βάση στον συλλέκτη του Q1 είναι περίπου 1. Για να βρούμε την αντίσταση εξόδου, βραχυκυκλώνουμε την είσοδο οπότε και η πηγή g m2 v 1 είναι ανενεργή Λειτουργώντας με ένα υποθετικό που έχει άπειρη αυξητική αντίσταση φορτίο συλλέκτη αν g m2 >> β ο και β ο >>1, β ο φορές μεγαλύτερη αντίσταση εξόδου από τον CE THΜMΥ - 34
Κασκοδική συνδεσμολογία CS-CG THΜMΥ - 35
Διαφορικός ενισχυτής Ένας ενισχυτής που ενισχύει τη διαφορά μεταξύ δύο τάσεων και απορρίπτει τη μέση ή common mode τιμή THΜMΥ - 36
Απλή και διαφορική λειτουργία Οι ενισχυτές που γνωρίσαμε ως τώρα υποστηρίζουν απλή (single ended) λειτουργία το σήμα ορίζεται ως προς ένα σταθερό σημείο αναφοράς (π.χ. γείωση). Σε διαφορική λειτουργία (differential) το σήμα ορίζεται ως η τάση (ή το ρεύμα) μεταξύ δύο σημείων που έχουν ίσα μέτρα αλλά αντίθετες φάσεις ως προς μία κοινή τάση (ή ρεύμα). THΜMΥ - 37
Πλεονεκτήματα διαφορικής λειτουργίας (1/2) Μικρότερη έως ελάχιστη ευαισθησία στην επίδραση γειτονικών σημάτων και θορύβου THΜMΥ - 38
Πλεονεκτήματα διαφορικής λειτουργίας (2/2) Μικρότερη έως ελάχιστη ευαισθησία σε θορυβώδη τροφοδοσία και μεγαλύτερα σήματα. Σαν υλοποίηση καταλαμβάνει μεγαλύτερη επιφάνεια όμως χρειάζονται μικρότερες και λιγότερες περιοχές απομόνωσης (guard rings) THΜMΥ - 39
Διαφορικά ζεύγη Emitter coupled pair THΜMΥ - 40
Διαφορικά ζεύγη Ρεύματα στους συλλέκτες THΜMΥ - 41
Διαφορικά ζεύγη Διαφορική τάση εξόδου THΜMΥ - 42
Διαφορικά ζεύγη Αμιγώς διαφορική είσοδος - Μοντέλο μικρού σήματος THΜMΥ - 43
Διαφορικά ζεύγη Αμιγώς διαφορική είσοδος - Μοντέλο μικρού σήματος Το κύκλωμα είναι συμμετρικό και οι είσοδοι οδηγούνται από ίσες και αντίθετες τάσεις. Το (AC) ρεύμα εισέρχεται από τη μία είσοδο και εξέρχεται από την άλλη. Έτσι η R TAIL δεν διαρρέεται από (AC) ρεύμα και η τάση της δεν εμφανίζει καθόλου διακυμάνσεις. Οπότε αν βραχυκυκλώσουμε (αφαιρέσουμε) την R TAIL η λειτουργία του κυκλώματος δεν επηρεάζεται Στον κοινό κόμβο των εκπομπών δημιουργείται μια «εικονική» γείωση (0V) THΜMΥ - 44
Διαφορικά ζεύγη Ημικύκλωμα διαφορικού σήματος (differential mode) Κέρδος Τάσης Έτσι μπορούμε να καθορίσουμε την απόκριση για τη διαφορική είσοδο αναλύοντας τη μία πλευρά του κυκλώματος ημικύκλωμα διαφορικού σήματος Ενισχυτής CE THΜMΥ - 45
Διαφορικά ζεύγη Ημικύκλωμα διαφορικού σήματος (differential mode) Αντίσταση Εισόδου Ενισχυτής CE άρα THΜMΥ - 46
Διαφορικά ζεύγη Διαφορικό ζεύγος με είσοδο αμιγώς κοινού σήματος i x =0 THΜMΥ - 47
Διαφορικά ζεύγη Ημικύκλωμα κοινού σήματος (common mode) Ενισχυτής CE με εκφυλισμό εκπομπού Προσοχή: Αυτό ισχύει για το ημικύκλωμα! Για τον πλήρη διαφορικό ενισχυτή: R ic =V ic /2 ib Λαμβάνοντας υπόψη την r o, η R πρέπει να αντικατασταθεί από την R//R o όπου R o η αντίσταση εξόδου του ενισχυτή κοινού εκπομπού με εκφυλισμό εκπομπού R E = 2R TAIL. THΜMΥ - 48
Διαφορικά ζεύγη Source coupled pair R ic =R id =0 THΜMΥ - 49