Stopnie wzmacniające

Transkrypt

1 PUAV Wykład 7

2 Najprostszy wzmacniacz R Tranzystor pracuje w zakresie nasycenia Konduktancja jściowa tranzystora do pominięcia: g ds << 1/R Składowa stała napięcia na jściu równa 0,5V DD

3 Najprostszy wzmacniacz R Tranzystor pracuje w zakresie nasycenia Konduktancja jściowa tranzystora do pominięcia: g ds << 1/R Składowa stała napięcia na jściu równa 0,5V DD v = v g m R k u = g m R

4 Najprostszy wzmacniacz R Tranzystor pracuje w zakresie nasycenia Konduktancja jściowa tranzystora do pominięcia: g ds << 1/R Składowa stała napięcia na jściu równa 0,5V DD v = v g m R k u = g m R Przypomnienie: g m = K ( V GS V ) T = K = V GS V T ; K = µ W L

5 Najprostszy wzmacniacz R Tranzystor pracuje w zakresie nasycenia Konduktancja jściowa tranzystora do pominięcia: g ds << 1/R Składowa stała napięcia na jściu równa 0,5V DD v = v g m R k u = g m R Przypomnienie: g m = K ( V GS V ) T = K = V GS V T ; K = µ W L R = V DD k u = V DD V GS V T

6 Najprostszy wzmacniacz R Tranzystor pracuje w zakresie nasycenia Konduktancja jściowa tranzystora do pominięcia: g ds << 1/R Składowa stała napięcia na jściu równa 0,5V DD v = v g m R k u = g m R Przypomnienie: g m = K ( V GS V ) T = K = V GS V T ; K = µ W L R = V DD k u = V DD V GS V T Przy obciążeniu rezystorem nie da się uzyskać dużego wzmocnienia

7 Aktywne obciążenie Idea: zastępujemy rezystor tranzystorem I I Rezystancja obciążająca dla sygnałów o małej amplitudzie i małej częstotliwości: równoległe połączenie rezystancji rds = 1/gds tranzystorów jściogo i obciążającego I I k u = g m g ds + g ds obc

8 Aktywne obciążenie: punkt pracy I I

9 Stopnie wzmacniające Aktywne obciążenie: punkt pracy ua -i(vds) ua (-i(vds)) 45.0 Tr. obciążający 40.0 Tr. jścio I I voltage sep V sep V voltage VDS 0.0

10 Stopnie wzmacniające Aktywne obciążenie: punkt pracy ua -i(vds) ua (-i(vds)) 45.0 Tr. obciążający 40.0 Tr. jścio I I Tr. jścio w zakresie liniom: małe gm, duże gds, małe wzmocnienie, mała amplituda jściowa voltage sep V sep V voltage VDS 0.0

11 Aktywne obciążenie: punkt pracy ua -i(vds) ua (-i(vds)) 45.0 Tr. obciążający 40.0 Tr. jścio 35.0 I I Tr. jścio w zakresie liniom: małe gm, duże gds, małe wzmocnienie, mała amplituda jściowa voltage sep V sep V voltage VDS 0.0 Tr. obciążający w zakresie liniom: duże gds obc, małe wzmocnienie, mała amplituda jściowa

12 Aktywne obciążenie: punkt pracy ua -i(vds) ua (-i(vds)) 45.0 Tr. obciążający 40.0 Tr. jścio 35.0 I I Tr. jścio w zakresie liniom: małe gm, duże gds, małe wzmocnienie, mała amplituda jściowa voltage sep V sep V voltage Najlepszy punkt pracy: oba tranzystory w zakresie nasycenia VDS 0.0 Tr. obciążający w zakresie liniom: duże gds obc, małe wzmocnienie, mała amplituda jściowa

13 Stopnie wzmacniające Aktywne obciążenie: zakres napięcia jściogo ua -i(vds) ua (-i(vds)) 45.0 Tr. obciążający 40.0 Tr. jścio voltage sep V sep V voltage VDS Wierzchołki półokresów sygnału na jściu muszą zmieścić się w zakresie, w którym oba tranzystory są w stanie nasycenia: V DSsat < V < V DD V DSsat obc

14 Aktywne obciążenie: wzmocnienie

15 Aktywne obciążenie: wzmocnienie W g m = K = µ L g ds = λ g dsobc = λ obc

16 Aktywne obciążenie: wzmocnienie W g m = K = µ L g ds = λ g dsobc = λ obc k u = W µ L ( ) λ + λ obc 1

17 Aktywne obciążenie: wzmocnienie W g m = K = µ L g ds = λ g dsobc = λ obc k u = W µ L ( ) λ + λ obc 1 Gdy tranzystor jścio w stanie nasycenia, wzmocnienie maleje ze wzrostem prądu drenu

18 Aktywne obciążenie: wzmocnienie W g m = K = µ L g ds = λ g dsobc = λ obc k u = W µ L ( ) λ + λ obc 1 Gdy tranzystor jścio w stanie nasycenia, wzmocnienie maleje ze wzrostem prądu drenu λ maleje ze wzrostem długości kanału: długie tranzystory - większe wzmocnienie

19 Aktywne obciążenie: wzmocnienie Tranzystor jścio w stanie podprogom

20 Aktywne obciążenie: wzmocnienie Tranzystor jścio w stanie podprogom g m = g ds = λ g dsobc = λ obc n kt q

21 Aktywne obciążenie: wzmocnienie Tranzystor jścio w stanie podprogom g m = g ds = λ g dsobc = λ obc n kt q k u = n kt q 1 ( λ + λ ) obc

22 Aktywne obciążenie: wzmocnienie Tranzystor jścio w stanie podprogom g m = g ds = λ g dsobc = λ obc n kt q k u = n kt q 1 ( λ + λ ) obc Gdy tranzystor jścio w stanie podprogom, wzmocnienie nie zależy od prądu drenu W tym stanie gm i wzmocnienie osiąga największą możliwą wartość

23 Aktywne obciążenie: pasmo przenoszenia Małosygnało schemat zastępczy tranzystora (pominięto wpływ polaryzacji podłoża) G CDG vgsgm CGS D S CDB 1/gds CSB B

24 Aktywne obciążenie: pasmo przenoszenia Małosygnało schemat zastępczy tranzystora (pominięto wpływ polaryzacji podłoża) G CDG vgsgm CGS D S CDB 1/gds CSB B Małosygnało schemat zastępczy wzmacniacza G C1 C vgm 1/gds 1/gds obc D, D obc C3 S, B ; S obc

25 Aktywne obciążenie: pasmo przenoszenia G C D, D obc C1 vgm 1/gds 1/gds obc C3 S, B ; S obc CL

26 Aktywne obciążenie: pasmo przenoszenia Węzły uziemione dla składoj zmiennej G C1 C vgm 1/gds 1/gds obc D, D obc C3 S, B ; S obc CL

27 Aktywne obciążenie: pasmo przenoszenia Węzły uziemione dla składoj zmiennej G C1 C vgm 1/gds 1/gds obc D, D obc C3 S, B ; S obc C1: pojemność bramka - źródło CGS CL

28 Aktywne obciążenie: pasmo przenoszenia Węzły uziemione dla składoj zmiennej G C1 C vgm 1/gds 1/gds obc D, D obc C3 S, B ; S obc C1: pojemność bramka - źródło CGS C: pojemność dren - bramka CDG CL

29 Aktywne obciążenie: pasmo przenoszenia Węzły uziemione dla składoj zmiennej G C1 C vgm 1/gds 1/gds obc D, D obc C3 S, B ; S obc C1: pojemność bramka - źródło CGS CL C: pojemność dren - bramka CDG C3: suma pojemności: dren - podłoże CDB, dren - podłoże CDB obc, dren - bramka CDG obc, pojemność obciążająca (zewnętrzna) CL C 3 = C DB + C DB obc + C DG obc + C L

30 Aktywne obciążenie: pasmo przenoszenia G C D, D obc C1 vgm 1/gds 1/gds obc C3 CL S, B ; S obc C można zastąpić dwiema pojemnościami: C = C(1-ku) oraz C = C(1-1/ku) C (efekt Millera) vgm C(1-ku) C1 1/gds 1/gds obc C3 C

31 Aktywne obciążenie: pasmo przenoszenia vgm C(1-ku) C1 1/gds 1/gds obc C3 C Jeżeli źródło sygnału jściogo v jest idealnym źródłem napięcia (ma znikomą impedancję wnętrzną), to pojemność jściowa jest nieistotna

32 Aktywne obciążenie: pasmo przenoszenia vgm C(1-ku) C1 1/gds 1/gds obc C3 C Jeżeli źródło sygnału jściogo v jest idealnym źródłem napięcia (ma znikomą impedancję wnętrzną), to pojemność jściowa jest nieistotna Tr. jścio w zakresie nasycenia: f T = 1 g m = 1 π C + C 3 π W µ L C + C 3

33 Aktywne obciążenie: pasmo przenoszenia vgm C(1-ku) C1 1/gds 1/gds obc C3 C Jeżeli źródło sygnału jściogo v jest idealnym źródłem napięcia (ma znikomą impedancję wnętrzną), to pojemność jściowa jest nieistotna Tr. jścio w zakresie nasycenia: Tr. jścio w stanie podprogom: f T = 1 g m = 1 π C + C 3 π W µ L C + C 3 f T = 1 g m = 1 π C + C 3 π n kt ( q C + C ) 3

34 Aktywne obciążenie: max. szybkość zmiany napięcia na jściu Pojemność jściowa może się ładować prądem nie większym od, natomiast może się rozładować przez tranzystor jścio dowolnie dużym prądem. C + C3 + CL Prąd ogranicza maksymalną szybkość zmiany napięcia na jściu dv dt C + C 3 + C L

35 Aktywne obciążenie: projektowanie

36 Aktywne obciążenie: projektowanie 1. Zakres dynamiki µ (W / L) < V < V DD µ obc (W / L) obc

37 Aktywne obciążenie: projektowanie 1. Zakres dynamiki µ (W / L) < V < V DD µ obc (W / L) obc. Wzmocnienie (zakres nasycenia) k u = W µ L ( ) λ + λ obc 1

38 Aktywne obciążenie: projektowanie 1. Zakres dynamiki µ (W / L) < V < V DD µ obc (W / L) obc. Wzmocnienie (zakres nasycenia) k u = W µ L ( ) λ + λ obc 1 3. Szerokość pasma (zakres nasycenia) f T = 1 π W µ L C + C 3

39 Aktywne obciążenie: projektowanie 1. Zakres dynamiki µ (W / L) < V < V DD µ obc (W / L) obc. Wzmocnienie (zakres nasycenia) k u = W µ L ( ) λ + λ obc 1 3. Szerokość pasma (zakres nasycenia) f T = 1 π W µ L C + C 3 Jeśli k u i f T są zadane, mamy układ dwóch równań z dwoma niewiadomymi - oraz (W/L); ale pojemności zależą od WL, a λ od L.

40 Aktywne obciążenie: projektowanie 1. Zakres dynamiki µ (W / L) < V < V DD µ obc (W / L) obc. Wzmocnienie (zakres nasycenia) k u = W µ L ( ) λ + λ obc 1 3. Szerokość pasma (zakres nasycenia) f T = 1 π W µ L C + C 3 Jeśli k u i f T są zadane, mamy układ dwóch równań z dwoma niewiadomymi - oraz (W/L); ale pojemności zależą od WL, a λ od L. Po konaniu obliczeń symulujemy układ, wprowadzamy poprawki

41 Aktywne obciążenie: szumy v n b v n obc v n

42 Aktywne obciążenie: szumy Źródła szumów niezależne (brak korelacji): v n b v n obc v n v n = v n g m + ( v n b + v n obc )g m obc ( g ds + g ) ds obc

43 Aktywne obciążenie: szumy Źródła szumów niezależne (brak korelacji): v n b v n obc v n v n = v n g m + ( v n b + v n obc )g m obc ( g ds + g ) ds obc Zakładamy v n b = v n obc jścia dzieląc przez i odnosimy szum do k u v n jscio = v n 1+ v n obc v n g m obc g m = v n ( 1+ ϑ )

44 Aktywne obciążenie: szumy Źródła szumów niezależne (brak korelacji): v n b v n obc v n v n = v n g m + ( v n b + v n obc )g m obc ( g ds + g ) ds obc Zakładamy v n b = v n obc jścia dzieląc przez i odnosimy szum do k u v n jscio = v n 1+ v n obc v n g m obc g m = v n ( 1+ ϑ ) ϑ = g m obc Dla szumu cieplnego, a dla szumu typu 1/f ϑ = K f obcl g m K f L obc

45 Aktywne obciążenie: szumy Źródła szumów niezależne (brak korelacji): v n b v n obc v n v n = v n g m + ( v n b + v n obc )g m obc ( g ds + g ) ds obc Zakładamy v n b = v n obc jścia dzieląc przez i odnosimy szum do k u v n jscio = v n 1+ v n obc v n g m obc g m = v n ( 1+ ϑ ) ϑ = g m obc Dla szumu cieplnego, a dla szumu typu 1/f ϑ = K f obcl g m K f L obc zatem powinno być: g m obc << g m, K f obc << K f, L obc >> L