1. Amplificatorul în conexiunea sursă comună cu sarcină rezistivă

1. Amplificatorul în conexiunea sursă comună cu sarcină rezistivă Schema de test (amp-sarcinar.asc): Exerciţii propuse: 1. Dimensionați amplificatorul pentru GBW>0MHz și C L =1pF. Pentru ca circuitul să îndeplinească specificațiile impuse în ciuda efectelor parazite (capacități, g mb ), parametrii se consideră mai mari cu un factor 1.5 (de exemplu proiectarea se va face pentru GBW=30MHz). Indicații: a. din expresia produsului amplificare-bandă (GBW) se calculează transconductanţa g m a tranzistorului de intrare; b. se alege o valoare uzuală pentru tensiunea V od a tranzistorului de intrare (de exemplu 00mV); c. utilizând transconductanţa şi V od se determină curentul prin amplificator; d. ştiind curentul, V od şi V Th se calculează geometria tranzistorului W/L, respectiv componenta continuă a tensiunii de intrare, V incm1 ; e. se alege componenta continuă a tensiunii de ieşire (V outdc ) aproximativ egală cu V DD / pentru a permite un domeniu larg de variaţie al tensiunii instantanee în nodul de ieşire; f. din V outdc şi curent se determină valoarea rezistenţei.. Verificaţi PSF ale componentelor şi ajustaţi circuitul pentru a se conforma calculelor de mână. Completaţi următorul tabel: M 1 V GS V DS V Th V Dsat I D g m r DS R 3. Utilizând formulele de la curs și parametrii din tabelul de mai sus, estimați câștigul de joasă frecvență și produsul amplificare-bandă; 4. Estimaţi domeniul util de variaţie al semnalului la ieşirea amplificatorului şi verificaţi valoarea obţinută prin simularea caracteristicii de transfer (V out /V in ) în curent continuu; 5. Ridicaţi caracteristicile de frecvenţa ale amplificatorului. Măsuraţi A 0, frecvenţa polului dominant (f p =BW) și produsul amplificare-bandă GBW. Se va observa prezenţa zeroului parazit, datorat efectului Miller; 1

6. Simulaţi răspunsul în timp al amplificatorului la un semnal sinusoidal de intrare cu amplitudinea variabilă de 5mV, 10mV, 0mV şi frecvenţă 1kHz. La ce valori se limitează tensiunea de ieşire dacă amplitudinea semnalului de intrare este de 0mV? 7. Repetaţi exerciţiile 1-6 pentru celălalt amplificator din schema de test.. Amplificatorul în conexiunea sursă comună cu sarcină sursă de curent Schema de test (amp-sarcinasrs.asc): Exerciţii propuse: 8. Dimensionați amplificatorul pentru GBW>0MHz și C L =1pF. Pentru ca circuitul să îndeplinească specificațiile impuse în ciuda efectelor parazite (capacități, g mb ), parametrii se consideră mai mari cu un factor 1.5 (de exemplu proiectarea se va face pentru GBW=30MHz). Indicații: a. din expresia produsului amplificare-bandă (GBW) se calculează transconductanţa g m a tranzistorului de intrare; b. se aleg valori uzuale pentru tensiunile V od ale celor două tranzistoare (de exemplu 00mV); c. utilizând transconductanţa şi V od a tranzistorului de intrare se determină curentul prin amplificator; d. ştiind curentul, V od şi V Th se calculează geometria tranzistoarelor W/L, componenta continuă a tensiunii de intrare (V incm1 ) respectiv tensiunea de polarizare din grila tranzistorului din sarcină (V 3 ); e. se alege componenta continuă a tensiunii de ieşire (V outdc ) aproximativ egală cu V DD / pentru a permite un domeniu larg de variaţie al tensiunii instantanee în nodul de ieşire; 9. Verificaţi PSF ale componentelor şi ajustaţi circuitul pentru a se conforma calculelor de mână. Completaţi următorul tabel: M 1 M V GS V DS V Th V Dsat I D g m r DS

10. Utilizând formulele de la curs și parametrii din tabelul de mai sus, estimați câștigul de joasă frecvență și produsul amplificare-bandă; 11. Estimaţi domeniul util de variaţie al semnalului la ieşirea amplificatorului şi verificaţi valoarea obţinută prin simularea caracteristicii de transfer (V out /V in ) în curent continuu; 1. Ridicaţi caracteristicile de frecvenţa ale amplificatorului. Măsuraţi A 0, frecvenţa polului dominant (f p =BW) și produsul amplificare-bandă GBW. Se va observa prezenţa zeroului parazit, datorat efectului Miller; 13. Simulaţi răspunsul în timp al amplificatorului la un semnal sinusoidal de intrare cu amplitudinea variabilă de 5mV, 10mV, 0mV şi frecvenţă 1kHz. La ce valori se limitează tensiunea de ieşire dacă amplitudinea semnalului de intrare este de 0mV? 14. Repetaţi exerciţiile 8-13 pentru celălalt amplificator din schema de test. 3. Amplificatorul cascodă Schema de test (amp-cascoda.asc): Exerciţii propuse: 15. Dimensionați amplificatorul pentru GBW>0MHz și C L =pf. Dimensionarea amplificatorului înseamnă determinarea tensiunilor de polarizare V 1, V 3, tensiunea de mod comun de la intrare V incm1 și a geometriilor pentru toate tranzistoarele din circuit astfel încât parametrii să corespundă cu cele din specificații. În primul pas se scrie dependența produsului amplificare-bandă (GBW) de capacitate de sarcină. Din această relație se obține transconductanța amplificatorului (G m ) care este egală cu transconductanța tranzistorului de intrare (g m1 ). Pentru ca circuitul să îndeplinească specificațiile în prezența efectelor parazite, parametrii se vor supradimensiona. În mod tipic produsul amplificare-bandă se va considera de 1.5- ori mai mare decât specificația minimă. Astfel, în calcule se folosește GBW= 30MHz. Gm 1 6 GBW Gm gm 1 CL GBW 110 3010 188.5S C L 3

În pasul al doilea se alege o valoare uzuală pentru tensiunea V od, de exemplu 00mV. Curentul de polarizare al amplificatorului se calculează: I g V 188.5S 00mV D m1 od gm 1 ID 18.85 A Vod În pasul al treilea se utilizează tabelul cu parametrii punctului static de funcționare de referință pentru a determina geometria tranzistoarelor. W W I V D od ref 5 18.85 40.71 L 1, L ref IDref Vod 1 50 00 1 W W I V D od ref 15 18.85 57 9.34 L 3 L ref IDref Vod 1 50 00 1 Corespunzător acestor geometrii rezultă parametrii arie și perimetru ale difuziilor drenă și sursă AS1, AD1,.71 m 0.m 0.54m PS1, PD1,.71 m 0.m 5.83m AS3 AD3 9.34m 0.m 1.87m PS3 PD3 9.34m 0.m 19.1 m În pasul al patrulea se determină tensiunile de polarizare V 1, V 3. V V V V V V 1.5V 00mV 446mV 100mV 300mV 1046mV, 1 GS DS1 od Thn Thn od1 unde V Thn este tensiunea de prag pentru V BS =0V, ΔV Thn compensează variația tensiunii de prag cu V BS iar 1.5V od1 este tensiunea drenă-sursă a tranzistorului M 1. V3 VDD VSG 3 VDD Vod 3 VThp 3V 00mV 446mV.354V În final se determină tensiunea de mod comun de la intrare V incm1 și de la ieșire V outcm. Valoarea V incm1 este impusă de cerințele de polarizare al tranzistorului de intrare. VinCM 1 VGS 1 Vod 1 VThn 00mV 446mV 646mV Componenta continuă a tensiunii de ieşire (V outdc ) se alege aproximativ egală cu V DD / pentru a permite un domeniu larg de variaţie al tensiunii instantanee în nodul de ieşire, V outdc =1.5V. 16. Verificaţi PSF ale componentelor şi ajustaţi circuitul pentru a se conforma calculelor de mână. Completaţi tabelul cu parametrii determinați din analiză. Pentru verificarea punctelor statice de funcționare se rulează o analiză.op. Citind potențialele nodurilor că tensiunea V od1 este de 189mV, tensiunea drenă-sursă a tranzistorului M 1 este de aproximativ 109mV, astfel încât acest tranzistor este polarizat în regim liniar. Totodată, în urma verificării tensiunii continue de la ieșire se constată că aceasta este de 148mV care duce la probleme de polarizare și funcționare defectuoasă a întregului amplificator. 4

Ajustarea V od1 se face din tensiunea V incm1, noua valoare fiind egală cu 660mV. Pentru a aduce tensiunea continuă de ieșire la 1.5V, se reglează iterativ sursa V 3. Ajustarea conduce la V 3 =.99V pentru care V outdc =1.5V. V GS V DS V Th V Dsat I D g m r DS M 1 660mV 305mV 446mV 199mV 17.4µA 135µS 34kΩ M 741mV 1.V 53mV 199mV 17.4µ 136µS 676kΩ M 3 707mV 1.5V 446mV 189mV 17.4µ 131µS 510kΩ 17. Utilizând formulele de la curs și parametrii din tabelul de mai sus, estimați câștigul de joasă frecvență și produsul amplificare-bandă; Câștigul de joasă frecvență se estimează conform ecuației A0 Gm Rout gm 1 rds 3 gmrds rds 1 gm 1rDS 3 135S 510k 68.8 36.8dB Banda estimată a amplificatorului și produsul câștig-bandă corespunzător vor fi BW 1 1 31kHz R C 510k 1pF out L GBW gm 1 135S 1.5MHz C 1pF L 18. Estimaţi domeniul util de variaţie al semnalului la ieşirea amplificatorului şi verificaţi valoarea obţinută prin simularea caracteristicii de transfer (V out /V in ) în curent continuu; Tensiunea minimă și maximă de la ieșire se determină ținând cont de căderile de tensiune pe tranzistoare. VOutN min Vod 1 Vod 199mV 199mV 398mV VOutN max VDD Vod 3 3V 189mV.811V Pentru verificarea excursiei maxime a semnalului de ieșire se rulează o analiză.dc în care tensiunea de intrare furnizată de sursa V in se variază liniar între -100mV și 100mV cu pasul de 0.1mV. Comanda Spice corespunzătoare va fi.dc Vin1-100m 100m 0.1m. După rularea analizei se afișează tensiunea de ieșire V(OutN). 19. Ridicaţi caracteristicile de frecvenţa ale amplificatorului. Măsuraţi A 0, frecvenţa polului dominant (f p =BW) și produsul amplificare-bandă GBW. Se va observa prezenţa zeroului parazit, datorat efectului Miller; Diagramele Bode corespunzătoare amplificatorului cascodă analizat se obțin în urma unei analize de curent alternativ.ac. Parametrii analizei se aleg astfel încât pe caracteristicile de frecvență să fie vizibile punctele importante. De exemplu, dacă banda estimată a amplificatorului este de aproximativ 31kHz, pentru a vedea evoluția fazei, simularea trebuie să pornească de la frecvențe de ordinul khz-lor. Similar, dacă zeroul parazit de înaltă frecvență este de interes, atunci limita superioară a gamei de frecvență acoperite trebuie să fie la zeci de GHz. Ținând cont de aceste valori, se impune 5

o variație decadică a frecvenței între 100Hz și 100GHz cu 100 de puncte afișate pe decadă. Comanda Spice va fi.ac dec 100 100 100G. Pentru a măsura amplificarea de joasă frecvență se poziționează cursorul pe palierul caracteristicii de amplificare, iar apoi se citește coordonata de pe axa Oy. Se observă că amplificarea A 0 măsurată este aproximativ 36.5dB, corespunzătoare cu valoarea estimată din analiza punctelor statice de funcționare. Banda amplificatorului se măsoară poziționând cursorul la 33.5dB pe axa Oy sau la -45 o pe axa fazelor. Banda va fi frecvența la care amplificarea scade cu 3dB sau faza scade cu 45 o față de valoarea de joasă frecvență. Citind parametrii din fereastra de măsurare rezultă BW aproximativ egală cu 310kHz. Produsul câștig-bandă se definește ca și frecvența la care caracteristica de amplificare taie axa Ox, adică amplificarea devine unitară (0dB). Poziționând cursorul la 0dB pe axa Oy, GBW măsurat va fi de aproximativ 0.4MHz. 0. Simulaţi răspunsul în timp al amplificatorului la un semnal sinusoidal de intrare cu amplitudinea variabilă de 5mV, 10mV, 0mV şi frecvenţă 1kHz. La ce valori se limitează tensiunea de ieşire dacă amplitudinea semnalului de intrare este de 0mV? 6

Pentru simularea comportamentului în domeniul timp se rulează o analiză tranzitorie care să cuprindă 3-4 perioade complete a semnalului. Frecvența tensiunii de intrare sinusoidale se alege suficient de mică astfel încât semnalul să fie amplificat (palierul caracteristicii AC). De asemenea, pasul maxim de simulare trebuie să fie un compromis între precizia reprezentării și timpul de analiză. Pentru circuitele liniare o precizie și un timp de simulare rezonabil se obțin pentru 1000 de puncte pe perioada de semnal. La un semnal de intrare de 1kHz analiza poate fi rulată până la 3ms (3T) cu pasul maxim de 1µs. Comanda Spice corespunzătoare analizei tranzitorii va fi.tran 0 3m 0 1u. Analiza parametrică cerută în enunțul exercițiului impune definirea amplitudinii semnalului de intrare ca și parametru. Totodată, simulatorul trebuie instruit să ruleze analiza tranzitorie pentru fiecare valoare de amplitudine considerată. Parametrul adițional se definește prin comanda.param Ain=10mV plasată pe schemă (Edit Spice Directive sau iconița.op din bara de meniuri), unde Ain va fi amplitudinea variabilă a semnalului de intrare. Asocierea amplitudinii semnalului cu variabila Ain se face modificând sursa V in astfel încât semnalul tranzitoriu definit să aibă sintaxa SINE(0 {Ain} 1k). Analiza tranzitorie poate fi repetată pentru fiecare valoare specificată a Ain dacă pe schemă se adaugă o nouă comandă care să inițieze analiza parametrică. Sintaxa comenzii va fi.step param Ain list 5m 10m 0m. Comanda.STEP instruiește simulatorul să ruleze câte o analiză tranzitorie pentru valorile din listă ale parametrului Ain. Amplitudinea tensiunii de ieșire corespunzătoare fiecărei valori ale Ain se poate măsura dacă în meniul Plot Settings se accesează opțiunea Select Steps și se alege curba rezultată din analiza tranzitorie pentru fiecare Ain. Amplitudinile măsurate pe semnalele de ieșire fără limitare vor fi 1.83V pentru Ain=5mV (calculată ca 1.5V+Ain A 0 ),.15V pentru 10mV. Pentru amplitudini de intrare mai mari, excursia semnalului de ieșire va fi limitată la.75v. 1. Repetaţi exerciţiile 15-0 pentru celălalt amplificator din schema de test. 4. Amplificatorul cascodă simetrică Schema de test (amp-cascoda-simetrica.asc). Exerciţii propuse:. Dimensionați amplificatorul pentru GBW>0MHz și C L =1pF. Pentru ca circuitul să îndeplinească specificațiile impuse în ciuda efectelor parazite (capacități, g mb ), parametrii se consideră mai mari cu un factor 1.5 (de exemplu proiectarea se va face pentru GBW=30MHz). Indicații: 7

a. din expresia produsului amplificare-bandă (GBW) se calculează transconductanţa g m a tranzistorului de intrare; b. se aleg valori uzuale pentru tensiunile V od ale tranzistoarelor (de exemplu 00mV); c. utilizând transconductanţa şi V od a tranzistorului de intrare se determină curentul prin amplificator; d. ştiind curentul, V od şi V Th se calculează geometria tranzistoarelor W/L, componenta continuă a tensiunii de intrare (V incm1 ) respectiv tensiunile de polarizare (V 1, V, V 3 ); e. se alege componenta continuă a tensiunii de ieşire (V outdc ) egală cu V DD / pentru a permite un domeniu larg de variaţie al tensiunii instantanee în nodul de ieşire; 3. Verificaţi PSF ale componentelor şi ajustaţi circuitul pentru a se conforma calculelor de mână. Completaţi următorul tabel: M 1 M M 3 M 4 V GS V DS V Th V Dsat I D g m r DS 4. Utilizând formulele de la curs și parametrii din tabelul de mai sus, estimați câștigul de joasă frecvență și produsul amplificare-bandă; 5. Estimaţi domeniul util de variaţie al semnalului la ieşirea amplificatorului şi verificaţi valoarea obţinută prin simularea caracteristicii de transfer (V out /V in ) în curent continuu; 6. Ridicaţi caracteristicile de frecvenţa ale amplificatorului. Măsuraţi A 0, frecvenţa polului dominant (f p =BW) și produsul amplificare-bandă GBW. Se va observa prezenţa zeroului parazit, datorat efectului Miller; 7. Simulaţi răspunsul în timp al amplificatorului la un semnal sinusoidal de intrare cu amplitudinea variabilă de 5mV, 10mV, 0mV şi frecvenţă 1kHz. La ce valori se limitează tensiunea de ieşire dacă amplitudinea semnalului de intrare este de 0mV? 8. Repetaţi exerciţiile -7 pentru celălalt amplificator din schema de test. 8

5. Amplificatorul cascodă pliată Schema de test (amp-cascoda-pliata.asc): Exerciţii propuse: 9. Dimensionați amplificatorul pentru GBW>0MHz și C L =1pF. Pentru ca circuitul să îndeplinească specificațiile impuse în ciuda efectelor parazite (capacități, g mb ), parametrii se consideră mai mari cu un factor 1.5 (de exemplu proiectarea se va face pentru GBW=30MHz). Indicații: a. din expresia produsului amplificare-bandă (GBW) se calculează transconductanţa g m a tranzistorului de intrare; b. se aleg valori uzuale pentru tensiunile V od ale tranzistoarelor (de exemplu 00mV); c. utilizând transconductanţa şi V od a tranzistorului de intrare se determină curentul prin tranzistorul de intrare; curentul prin etajul de ieșire cascodă poate fi considerat identic pentru simplitate; d. ştiind curentul, V od şi V Th se calculează geometria tranzistoarelor W/L, componenta continuă a tensiunii de intrare (V incm1 ) respectiv tensiunile de polarizare (V biasn1, V casn1, V casp1, V biasp1 ); e. se alege componenta continuă a tensiunii de ieşire (V outdc ) egală cu V DD / pentru a permite un domeniu larg de variaţie al tensiunii instantanee în nodul de ieşire; 30. Verificaţi PSF ale componentelor şi ajustaţi circuitul pentru a se conforma calculelor de mână. Completaţi următorul tabel: M inn M 1 M M 3 M 4 V GS V DS V Th V Dsat I D g m r DS 9

31. Utilizând formulele de la curs și parametrii din tabelul de mai sus, estimați câștigul de joasă frecvență și produsul amplificare-bandă; 3. Estimaţi domeniul util de variaţie al semnalului la ieşirea amplificatorului şi verificaţi valoarea obţinută prin simularea caracteristicii de transfer (V out /V in ) în curent continuu; 33. Ridicaţi caracteristicile de frecvenţa ale amplificatorului. Măsuraţi A 0, frecvenţa polului dominant (f p =BW) și produsul amplificare-bandă GBW. Se va observa prezenţa zeroului parazit, datorat efectului Miller; 34. Simulaţi răspunsul în timp al amplificatorului la un semnal sinusoidal de intrare cu amplitudinea variabilă de 5mV, 10mV, 0mV şi frecvenţă 1kHz. La ce valori se limitează tensiunea de ieşire dacă amplitudinea semnalului de intrare este de 0mV? 35. Repetaţi exerciţiile 9-34 pentru celălalt amplificator din schema de test. 10