ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Διαφορικός Ενισχτής MOS Κεφάλαιο 7 ο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Γ. Τσιατούχας ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Διάρθρωση. Το διαφορικό ζεύγος. Διαφορικό κέρδος κοινού σήματος 3. Τάση εκτροπής 4. Ο CMOS διαφορικός ενισχτής LS Technoloy and Copuer rchecure Lab ιαφορικός Ενισχτής MOS
Το Διαφορικό Ζεύγος MOS (Ι) G Φόρτος Q () Q G Τα φορτία των δύο MOS τρανζίστορ είναι τέτοια ώστε να λειτοργούν στην περιοχή το κόρο. Με τα δύο τρανζίστορ τατόσημα μπορούμε να γράψομε: K K ( ) ( ) Διαφορικό Σήμα K( ) K ( ) K μnc ox ( W/L) K ιαφορικός Ενισχτής MOS 3 () Το Διαφορικό Ζεύγος MOS (ΙΙ) G Λύνοντας το σύστημα εξισώσεων () και () : Q Q G K Ισχύει ότι: όταν και σνεπώς: K ( /) ( /K ) 0 τότε Σημείο πόλωσης ή ηρεμίας 0 0 K ( /) ( /K) όπο: ( ) ιαφορικός Ενισχτής MOS 4 (3) (4) Κοινό Σήμα
Το Διαφορικό Ζεύγος MOS (ΙΙΙ) (3), (4) / G Q Q G για μικρό διαφορικό σήμα, δηλ.: / << << ( ) / Ισχύει : K( ) προκύπτει: ιαφορικός Ενισχτής MOS 5.4.0 Το Διαφορικό Ζεύγος MOS (Ι) 0.6.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0. 0.5 0.4 0.3 0. 0. 0 0. 0.6.0.4 Θέτοντας : d d και d Για την περίπτωση όπο () και () 0, τότε από τις σχέσεις (3) θα ισχύει : ax ( ) ax ( ) ax ( ) ιαφορικός Ενισχτής MOS 6 3
Διαφορικό Ζεύγος με Φορτίο Αντίσταση (Ι) G O Q Q ~ ~ G Από την προηγούμενη ανάλση για το διαφορικό ζεύγος ισχύει ότι: όπο: Επιπλέον ισχύει ότι: d και d d και ιαφορικός Ενισχτής MOS 7 Διαφορικό Ζεύγος με Φορτίο Αντίσταση (ΙΙ) d ( /) d ( / ) G Q O Q ~ ~ G d d d Σνεπώς θα ισχύει: o d d ιαφορικός Ενισχτής MOS 8 4
Διαφορικό Ζεύγος με Φορτίο Αντίσταση (ΙΙΙ) Το κέρδος τάσης θα είναι: d ο d o Οι αντιστάσεις εισόδο και εξόδο θα είναι: Q Q n ou Ισοδύναμο Κύκλωμα Μικρού Σήματος ιαφορικός Ενισχτής MOS 9 Το Διαφορικό Σήμα o o o o Αν τότε ιαφορικός Ενισχτής MOS 0 5
Διαφορικό Κέρδος Κοινού Σήματος O / / Q Q G G Υπό την παροσία το κοινού σήματος G στο κύκλωμα ( 0) θα ισχύει: Τότε σε ατή την περίπτωση η διαφορική έξοδος κοινού σήματος O θα είναι: O Πο σημαίνει ότι το διαφορικό κέρδος κοινού σήματος είναι μηδέν. cd O G ιαφορικός Ενισχτής MOS 0 0 Τάση Εκτροπής (Ι) O Q Q Με γειωμένες τις εισόδος η τιμή της τάσης O είναι η λεγόμενη τάση εκτροπής (offse) εξόδο. ) Θεωρήστε ότι τα Q QQ είναι τέλεια ταιριασμένα ενώ οι και διαφέρον κατά Δ : τότε : O Η αντίστοιχη τάση εκτροπής εισόδο OS λαμβάνεται διαιρώντας τη O με το κέρδος τάσης : OS ιαφορικός Ενισχτής MOS 6
O Q Q Τάση Εκτροπής (ΙΙ) Β) Θεωρήστε ότι οι και είναι τέλεια ταιριασμένες ενώ τα W/L των Q Q διαφέρον κατά Δ(W/L), δηλ.: W L τότε : W L σνεπώς: W L K K K K K Επιπλέον ισχύει: ενώ: O O W L W L και K K K και K K K K OS Ι W L ιαφορικός Ενισχτής MOS 3 Τάση Εκτροπής (ΙΙΙ) Σνεπώς η τάση εκτροπής εισόδο θα είναι : O OS O Q Q OS K K ιαφορικός Ενισχτής MOS 4 7
Τάση Εκτροπής (Ι) Γ) Θεωρήστεότιμόνοοιτάσειςκατωφλίο των τρανζίστορ δεν είναι ταιριασμένες κατά Δ : O και Q Q τότε : K K ( ) ( ) ( ) ( ) ιαφορικός Ενισχτής MOS 5 Τάση Εκτροπής () Γνωρίζοντας ότι Δ << ( ) απλοποιούμε σε: O Q Q Σνεπώς: K K ( ) ( ) ( ) Όπως στην προηγούμενη περίπτωση, η τάση εκτροπής εισόδο δίδεται διαιρώντας το ΔΙ με : OS ιαφορικός Ενισχτής MOS 6 8
Τάση Εκτροπής () Καθώς οι τρείς παράγοντες πο εξετάσαμε νωρίτερα είναι ανεξάρτητοι μεταξύ τος, μπορούν να επιδράσον τατόχρονα. Μια εκτίμηση της σνολικής τάσης εκτροπής O εισόδο έχει ως ακολούθως: Q Q K OS ( ) K Για την εξάλειψη της τάσης εκτροπής θα πρέπει οι δύο κλάδοι το διαφορικού ενισχτή να είναι απόλτα ταιριασμένοι! ιαφορικός Ενισχτής MOS 7 Ο CMOS Διαφορικός Ενισχτής (Ι) SG3 Q 3 Q 4 Q 3 Q 4 O Ι/ 0 Ι/ Ι/ O SG3 Q Q G G Q G G Q C Λειτοργία SS SS ιαφορικός Ενισχτής MOS 8 9
Ο CMOS Διαφορικός Ενισχτής (Ι) Q 3 Q 4 / / Q Q 0 O Για το ρεύμα σήματος ισχύει : όπο: Επιπλέον : (r //r ) o o o4 Το κέρδος τάσης ανοικτού κκλώματος θα είναι: Ισοδύναμο Κύκλωμα Μικρού Σήματος o ( r // r ) o o4 ιαφορικός Ενισχτής MOS 9 Ο CMOS Διαφορικός Ενισχτής (ΙΙ) Q 3 Q 4 / / Q Q 0 O Θέτοντας: r o r o4 r o ro / Το κέρδος τάσης ανοικτού κκλώματος θα είναι: ιαφορικός Ενισχτής MOS 0 0
Παράδειγμα (Ι) Q 3 Q 4 Ποιο το κέρδος τάσης το διαφορικού ενισχτή το σχήματος όταν: 5μΑ, W W 0μ, L L 6μ, μ n C ox 0μ/ και 0; O Q Q ιαφορικός Ενισχτής MOS Παράδειγμα (Ι) Q 3 Q 4 Για το κέρδος τάσης το διαφορικού ενισχτή ισχύει: r o o O Επιπρόσθετα για τη διαγωγιμότητα ισχύει: Q Q 4Kn / μ n C ox W/L / W όπο: K n μncox 00μ / L Σνεπώς: 4Kn 80 ιαφορικός Ενισχτής MOS
Τελεστικός Ενισχτής CMOS Δύο Σταδίων Q 8 Q 5 Q 7 ο Στάδιο: Διαφορικός ενισχτής CMOS με ενεργό φορτίο Ο ο Στάδιο: Ενισχτής CMOS με ενεργό φορτίο EF Q Q ο Στάδιο ο Στάδιο Κύκλωμα Πόλωσης Q 3 Q 4 Q 6 SS ιαφορικός Ενισχτής MOS 3 Κέρδος Τάσης Τελεστικού Ενισχτή CMOS ο Στάδιο: Διαφορικός ενισχτής CMOS με ενεργό φορτίο Κέρδος τάσης: (ro //ro 4) ο Στάδιο: Ενισχτής CMOS με ενεργό φορτίο Κέρδος τάσης: 6(ro6 //ro7 ) Σνεπώς, το κέρδος τάσης ανοικτού κκλώματος το τελεστικού ενισχτή CMOS δύο σταδίων είναι: 6 (ro //ro4 ) (ro6 //ro7 ) ιαφορικός Ενισχτής MOS 4