Komparator napięcia. Komparator a wzmacniacz operacyjny. Vwe1. Vwy. Vwe2

Transkrypt

1 PUAV Wykład 11

2 Komparator a wzmacniacz operacyjny Vwe1 Vwe2 + Vwy

3 Komparator a wzmacniacz operacyjny Vwe1 Vwe2 + Vwy Wzmacniacz operacyjny ( ) V wy = k u V we2 V we1

4 Komparator a wzmacniacz operacyjny Wzmacniacz operacyjny ( ) V wy = k u V we2 V we1 Vwe1 Vwe2 Liniowa zależność napięcia wyjściowego od napięcia różnicowego na wejściu + Vwy

5 Komparator a wzmacniacz operacyjny Vwe1 Vwe2 + Vwy Wzmacniacz operacyjny ( ) V wy = k u V we2 V we1 Liniowa zależność napięcia wyjściowego od napięcia różnicowego na wejściu Zwykle sygnały zmieniające się w czasie w sposób ciągły

6 Komparator a wzmacniacz operacyjny Vwe1 Vwe2 + Vwy Wzmacniacz operacyjny ( ) V wy = k u V we2 V we1 Liniowa zależność napięcia wyjściowego od napięcia różnicowego na wejściu Zwykle sygnały zmieniające się w czasie w sposób ciągły Praca w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego

7 Komparator a wzmacniacz operacyjny Vwe1 Vwe2 + Vwy Wzmacniacz operacyjny ( ) V wy = k u V we2 V we1 Komparator napięcia V wy = 0 dlav we2 V we1,v DD dlav we2 > V we1 Liniowa zależność napięcia wyjściowego od napięcia różnicowego na wejściu Zwykle sygnały zmieniające się w czasie w sposób ciągły Praca w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego

8 Komparator a wzmacniacz operacyjny Vwe1 Vwe2 + Vwy Wzmacniacz operacyjny ( ) V wy = k u V we2 V we1 Liniowa zależność napięcia wyjściowego od napięcia różnicowego na wejściu Zwykle sygnały zmieniające się w czasie w sposób ciągły Praca w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego Komparator napięcia V wy = 0 dlav we2 V we1,v DD dlav we2 > V we1 Napięcie na wyjściu może mieć tylko dwie wartości odpowiadające logicznym 0 i 1

9 Komparator a wzmacniacz operacyjny Vwe1 Vwe2 + Vwy Wzmacniacz operacyjny ( ) V wy = k u V we2 V we1 Liniowa zależność napięcia wyjściowego od napięcia różnicowego na wejściu Zwykle sygnały zmieniające się w czasie w sposób ciągły Praca w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego Komparator napięcia V wy = 0 dlav we2 V we1,v DD dlav we2 > V we1 Napięcie na wyjściu może mieć tylko dwie wartości odpowiadające logicznym 0 i 1 Często praca z sygnałami próbkowanymi

10 Komparator a wzmacniacz operacyjny Vwe1 Vwe2 + Vwy Wzmacniacz operacyjny ( ) V wy = k u V we2 V we1 Liniowa zależność napięcia wyjściowego od napięcia różnicowego na wejściu Zwykle sygnały zmieniające się w czasie w sposób ciągły Praca w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego Komparator napięcia V wy = 0 dlav we2 V we1,v DD dlav we2 > V we1 Napięcie na wyjściu może mieć tylko dwie wartości odpowiadające logicznym 0 i 1 Często praca z sygnałami próbkowanymi Bez sprzężenia zwrotnego (dla sygnału wejściowego)

11 Komparator a wzmacniacz operacyjny Vwe1 Vwe2 + Vwy Wzmacniacz operacyjny ( ) V wy = k u V we2 V we1 Liniowa zależność napięcia wyjściowego od napięcia różnicowego na wejściu Zwykle sygnały zmieniające się w czasie w sposób ciągły Praca w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego Komparator napięcia V wy = 0 dlav we2 V we1,v DD dlav we2 > V we1 Napięcie na wyjściu może mieć tylko dwie wartości odpowiadające logicznym 0 i 1 Często praca z sygnałami próbkowanymi Bez sprzężenia zwrotnego (dla sygnału wejściowego) Odpowiednio zaprojektowany wzmacniacz operacyjny może być wykorzystany jako komparator napięcia, ale nie odwrotnie

12 Typowe zastosowania

13 Typowe zastosowania Przetworniki analogowo-cyfrowe

14 Typowe zastosowania Przetworniki analogowo-cyfrowe Układy automatyki

15 Typowe zastosowania Przetworniki analogowo-cyfrowe Układy automatyki Regeneracja sygnałów cyfrowych

16 Typowe zastosowania Przetworniki analogowo-cyfrowe Układy automatyki Regeneracja sygnałów cyfrowych Najważniejsze wymagania

17 Typowe zastosowania Przetworniki analogowo-cyfrowe Układy automatyki Regeneracja sygnałów cyfrowych Najważniejsze wymagania Szybkość (czas, jaki upływa od zmiany stanu na wejściu do zmiany wartości logicznej na wyjściu)

18 Typowe zastosowania Przetworniki analogowo-cyfrowe Układy automatyki Regeneracja sygnałów cyfrowych Najważniejsze wymagania Szybkość (czas, jaki upływa od zmiany stanu na wejściu do zmiany wartości logicznej na wyjściu) Czułość (rzędu 1 mv lub lepsza w wielu zastosowaniach)

19 Typowe zastosowania Przetworniki analogowo-cyfrowe Układy automatyki Regeneracja sygnałów cyfrowych Najważniejsze wymagania Szybkość (czas, jaki upływa od zmiany stanu na wejściu do zmiany wartości logicznej na wyjściu) Czułość (rzędu 1 mv lub lepsza w wielu zastosowaniach) Niezrównoważenie - jak najmniejsze (określa błąd porównania napięć)

20 Dwa rodzaje Komparator działający w sposób ciągły: reaguje na każdą zmianę stanu (znaku różnicy napięć) na wejściu. Podobny w budowie do wzmacniacza operacyjnego, ale:

21 Dwa rodzaje Komparator działający w sposób ciągły: reaguje na każdą zmianę stanu (znaku różnicy napięć) na wejściu. Podobny w budowie do wzmacniacza operacyjnego, ale: poziomy min. i max. napięcia wyjściowego muszą odpowiadać poziomom zera i jedynki logicznej

22 Dwa rodzaje Komparator działający w sposób ciągły: reaguje na każdą zmianę stanu (znaku różnicy napięć) na wejściu. Podobny w budowie do wzmacniacza operacyjnego, ale: poziomy min. i max. napięcia wyjściowego muszą odpowiadać poziomom zera i jedynki logicznej pracuje bez pętli sprzężenia zwrotnego, może mieć dowolną liczbę stopni

23 Dwa rodzaje Komparator działający w sposób ciągły: reaguje na każdą zmianę stanu (znaku różnicy napięć) na wejściu. Podobny w budowie do wzmacniacza operacyjnego, ale: poziomy min. i max. napięcia wyjściowego muszą odpowiadać poziomom zera i jedynki logicznej pracuje bez pętli sprzężenia zwrotnego, może mieć dowolną liczbę stopni kształt charakterystyki przejściowej jest nieistotny, nie jest wymagana liniowość

24 Dwa rodzaje Komparator działający w sposób ciągły: reaguje na każdą zmianę stanu (znaku różnicy napięć) na wejściu. Podobny w budowie do wzmacniacza operacyjnego, ale: poziomy min. i max. napięcia wyjściowego muszą odpowiadać poziomom zera i jedynki logicznej pracuje bez pętli sprzężenia zwrotnego, może mieć dowolną liczbę stopni kształt charakterystyki przejściowej jest nieistotny, nie jest wymagana liniowość poważnym problemem jest niezrównoważenie

25 Dwa rodzaje

26 Dwa rodzaje Komparator próbkujący: dokonuje porównania napięć wejściowych w ściśle określonych chwilach czasowych i pamięta wynik.

27 Dwa rodzaje Komparator próbkujący: dokonuje porównania napięć wejściowych w ściśle określonych chwilach czasowych i pamięta wynik. Zwykle zbudowany ze stopnia wzmacniającego (może być ich więcej) oraz zatrzasku (latch).

28 Dwa rodzaje Komparator próbkujący: dokonuje porównania napięć wejściowych w ściśle określonych chwilach czasowych i pamięta wynik. Zwykle zbudowany ze stopnia wzmacniającego (może być ich więcej) oraz zatrzasku (latch). wymaga taktowania zegarem

29 Dwa rodzaje Komparator próbkujący: dokonuje porównania napięć wejściowych w ściśle określonych chwilach czasowych i pamięta wynik. Zwykle zbudowany ze stopnia wzmacniającego (może być ich więcej) oraz zatrzasku (latch). wymaga taktowania zegarem możliwa jest autokompensacja niezrównoważenia

30 Dwa rodzaje Komparator próbkujący: dokonuje porównania napięć wejściowych w ściśle określonych chwilach czasowych i pamięta wynik. Zwykle zbudowany ze stopnia wzmacniającego (może być ich więcej) oraz zatrzasku (latch). wymaga taktowania zegarem możliwa jest autokompensacja niezrównoważenia 1 Vodn 2 Vwe S/H wzm. + zatrzask Wyjście

31 Parametry komparatorów

32 Parametry komparatorów Czas opóźnienia: czas potrzebny na ustalenie się stanu wyjścia przy minimalnej wartości napięcia różnicowego na wejściu.

33 Parametry komparatorów Czas opóźnienia: czas potrzebny na ustalenie się stanu wyjścia przy minimalnej wartości napięcia różnicowego na wejściu. Czułość: minimalna różnica napięć na wejściu, która daje w ustalonym czasie prawidłową odpowiedź na wyjściu

34 Parametry komparatorów Czas opóźnienia: czas potrzebny na ustalenie się stanu wyjścia przy minimalnej wartości napięcia różnicowego na wejściu. Czułość: minimalna różnica napięć na wejściu, która daje w ustalonym czasie prawidłową odpowiedź na wyjściu Błąd niezrównoważenia: różnicowe napięcie wejściowe, przy którym następuje zmiana stanu wyjścia (powinno być równe zeru)

35 Parametry komparatorów Czas opóźnienia: czas potrzebny na ustalenie się stanu wyjścia przy minimalnej wartości napięcia różnicowego na wejściu. Czułość: minimalna różnica napięć na wejściu, która daje w ustalonym czasie prawidłową odpowiedź na wyjściu Błąd niezrównoważenia: różnicowe napięcie wejściowe, przy którym następuje zmiana stanu wyjścia (powinno być równe zeru) Histereza: napięcie przełączania 0 -> 1 może różnić się od napięcia przełączania 1 -> 0. Histereza może być szkodliwa lub korzystna zależnie od zastosowania

36 Parametry komparatorów Czas opóźnienia: czas potrzebny na ustalenie się stanu wyjścia przy minimalnej wartości napięcia różnicowego na wejściu. Czułość: minimalna różnica napięć na wejściu, która daje w ustalonym czasie prawidłową odpowiedź na wyjściu Błąd niezrównoważenia: różnicowe napięcie wejściowe, przy którym następuje zmiana stanu wyjścia (powinno być równe zeru) Histereza: napięcie przełączania 0 -> 1 może różnić się od napięcia przełączania 1 -> 0. Histereza może być szkodliwa lub korzystna zależnie od zastosowania Inne podobne jak dla wzmacniacza operacyjnego

37 Wymagania dla czułości - przykład

38 Wymagania dla czułości - przykład Komparator dla 10-bitowego przetwornika A/C:

39 Wymagania dla czułości - przykład Komparator dla 10-bitowego przetwornika A/C: Min. napięcie wejściowe: 0 V, max. napięcie wejściowe: 1V

40 Wymagania dla czułości - przykład Komparator dla 10-bitowego przetwornika A/C: Min. napięcie wejściowe: 0 V, max. napięcie wejściowe: 1V Dla 10 bitów liczba rozróżnialnych wartości napięcia wynosi 2 10 = 1024

41 Wymagania dla czułości - przykład Komparator dla 10-bitowego przetwornika A/C: Min. napięcie wejściowe: 0 V, max. napięcie wejściowe: 1V Dla 10 bitów liczba rozróżnialnych wartości napięcia wynosi 2 10 = 1024 stąd dla dokładności przetwarzania równej 0,5 LSB wymagana czułość wynosi 1V * 0,5/1024 = 0,488 mv

42 Wymagania dla czułości - przykład Komparator dla 10-bitowego przetwornika A/C: Min. napięcie wejściowe: 0 V, max. napięcie wejściowe: 1V Dla 10 bitów liczba rozróżnialnych wartości napięcia wynosi 2 10 = 1024 stąd dla dokładności przetwarzania równej 0,5 LSB wymagana czułość wynosi 1V * 0,5/1024 = 0,488 mv a wejściowe napięcie niezrównoważenia powinno być co najmniej o rząd wielkości mniejsze!

43 Minimalizacja czasu opóźnienia Idea: zaprojektować komparator tak, by osiągnięcie stanu zera lub jedynki na wyjściu następowało już na początku narastania (lub opadania) napięcia różnicowego na wejściu komparatora.

44 Minimalizacja czasu opóźnienia Idea: zaprojektować komparator tak, by osiągnięcie stanu zera lub jedynki na wyjściu następowało już na początku narastania (lub opadania) napięcia różnicowego na wejściu komparatora. Dla komparatora pracującego w trybie ciągłym: dobór optymalnej liczby stopni wzmacniających.

45 Minimalizacja czasu opóźnienia Idea: zaprojektować komparator tak, by osiągnięcie stanu zera lub jedynki na wyjściu następowało już na początku narastania (lub opadania) napięcia różnicowego na wejściu komparatora. Dla komparatora pracującego w trybie ciągłym: dobór optymalnej liczby stopni wzmacniających. Dla komparatora z zatrzaskiem: podobnie, do tego projekt zatrzasku wymagającego możliwie małej zmiany napięcia wejściowego do wywołania przełączenia

46 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni

47 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni Traktujemy układ jako liniowy u wy = u we g m R 1 e t RC

48 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni Traktujemy układ jako liniowy u wy = u we g m R 1 e t RC i chcemy wykorzystywać tylko początek odpowiedzi czasowej: t<<rc

49 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni Traktujemy układ jako liniowy u wy = u we g m R 1 e t RC i chcemy wykorzystywać tylko początek odpowiedzi czasowej: t<<rc 1 e x x dla x 1 skąd dla t<<rc u wy u we g m C t

50 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni

51 Optymalna liczba stopni gm R C... gm Dla dwóch stopni splot dwóch funkcji wykładniczych u wy2 u we g m C 2 t 2 2 n jednakowych stopni

52 Optymalna liczba stopni gm R C... gm Dla dwóch stopni splot dwóch funkcji wykładniczych u wy2 u we g m C 2 t 2 2 i ogólnie dla n stopni n jednakowych stopni u wy n u we g m C t n n!

53 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni Dla dwóch stopni splot dwóch funkcji wykładniczych u wy2 u we g m C 2 t 2 2 i ogólnie dla n stopni u wy n u we g m C t n n! u wy n u we n= C g m t

54 Optymalna liczba stopni gm R C... gm n jednakowych stopni Dla dwóch stopni splot dwóch funkcji wykładniczych u wy n n= 4 3 u wy2 u we g m C 2 t 2 2 i ogólnie dla n stopni u wy n u we g m C t n n! zakres optymalnego wzmocnienia dla n=3 u we 2 1 C g m t

55 Redukcja niezrównoważenia - idea

56 Redukcja niezrównoważenia - idea Vwe 2 = 0 1 = 1 Symbolizuje napięcie niezrównoważenia - + ku 1 = 1 zatrzask, 2 ( opóźniona) 2 Vn

57 Redukcja niezrównoważenia - idea Vwe 2 = 0 1 = 1 Symbolizuje napięcie niezrównoważenia Vn - + ku 1 = 1 V n k u 1 k u zatrzask, 2 ( opóźniona) 2

58 Redukcja niezrównoważenia - idea Vwe 2 = 0 1 = 1 V C = V n k u 1 k u Symbolizuje napięcie niezrównoważenia Vn - + ku 1 = 1 V n k u 1 k u zatrzask, 2 ( opóźniona) 2

59 Redukcja niezrównoważenia - idea Vwe 2 = 0 1 = 1 V C = V n k u 1 k u Symbolizuje napięcie niezrównoważenia Vn - + ku 1 = 1 V n k u 1 k u zatrzask, 2 ( opóźniona) 2 Vwe 2 = 1 Vc - 1 = 0, ( opóźniona) = 0 Vn + ku Vwy zatrzask

60 Vwe 2 = 0 1 = 1 Komparator napięcia Redukcja niezrównoważenia - idea V C = V n k u 1 k u Symbolizuje napięcie niezrównoważenia Vn - + ku 1 = 1 V n k u 1 k u zatrzask, 2 ( opóźniona) 2 Vwe 2 = 1 Vc - 1 = 0, ( opóźniona) = 0 Vn + ku Vwy zatrzask V wy = k u V we V n k u

61 Redukcja niezrównoważenia - problemy 2 1, 2 ( opóźniona) ku zatrzask Problemy:

62 Redukcja niezrównoważenia - problemy 2 1, 2 ( opóźniona) ku zatrzask Problemy: Podczas fazy 1 wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f

63 Redukcja niezrównoważenia - problemy 2 1, 2 ( opóźniona) ku zatrzask Problemy: Podczas fazy 1 wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC

64 Redukcja niezrównoważenia - problemy 2 1, 2 ( opóźniona) ku CC zatrzask Problemy: Podczas fazy 1 wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC

65 Redukcja niezrównoważenia - problemy 2 1, 2 ( opóźniona) ku CC zatrzask Problemy: Podczas fazy 1 wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC - ale ona wprowadza opóźnienie

66 Redukcja niezrównoważenia - problemy 2 1, 2 ( opóźniona) ku zatrzask Problemy: Podczas fazy 1 wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC - ale ona wprowadza opóźnienie

67 Redukcja niezrównoważenia - problemy 2 1, 2 ( opóźniona) ku 1 CC zatrzask Problemy: Podczas fazy 1 wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC - ale ona wprowadza opóźnienie Odłączamy pojemność na czas fazy 2

68 Redukcja niezrównoważenia - problemy 2 1, 2 ( opóźniona) ku 1 CC zatrzask Problemy: Podczas fazy 1 wzmacniacz pracuje z głębokim sprzężeniem zwrotnym - potrzebna kompensacja charakterystyki a/f Dodajemy pojemność CC - ale ona wprowadza opóźnienie Odłączamy pojemność na czas fazy Ponadto redukcję psuje nieidealność kluczy (bramek transmisyjnych) 2

69 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS Vster Vwe C Vwy Typowe zastosowania: układ próbkująco-pamiętający kasowanie niezrównoważenia multiplekser analogowy

70 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS Vster Vwe C Vwy Typowe zastosowania: układ próbkująco-pamiętający kasowanie niezrównoważenia multiplekser analogowy Warunek konieczny: napięcie włączające V ster > V we max + V TH

71 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS Vster Vwe C Vwy Typowe zastosowania: układ próbkująco-pamiętający kasowanie niezrównoważenia multiplekser analogowy Warunek konieczny: napięcie włączające V ster > V we max + V TH Przypomnienie: konduktacja wyjściowa tranzystora w zakresie liniowym W g ds = µc ( ox L V GS V TH V ) DS

72 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS Vster Vwe C Vwy Typowe zastosowania: układ próbkująco-pamiętający kasowanie niezrównoważenia multiplekser analogowy Warunek konieczny: napięcie włączające V ster > V we max + V TH Przypomnienie: konduktacja wyjściowa tranzystora w zakresie liniowym W g ds = µc ( ox L V GS V TH V ) DS Stąd rezystancja w stanie włączenia wynosi (w przybliżeniu, gdy V we =V wy ) R on = 1 g ds = 1 W = 1 µc ( ox L V V W ) GS TH µc ox L V V V ster wy TH ( )

73 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS Vwe Vster C Vwy Stała czasowa włączania: τ = R on C

74 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS Vwe Vster C Vwy Stała czasowa włączania: τ = R on C Jeżeli włączenie trwa przez czas t, to napięcie końcowe osiąga V konc V we 1 e t τ

75 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS Vwe Vster C Vwy Stała czasowa włączania: τ = R on C Jeżeli włączenie trwa przez czas t, to napięcie końcowe osiąga V konc V we 1 e t τ Jeżeli błąd V wy w stosunku do V we ma być poniżej 0.01%, to t powinno być co najmniej równe 7 stałym czasowym włączania.

76 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS Vwe Vster C Vwy Problem: wstrzykiwanie ładunku ( charge injection ), przenikanie sygnału zegara ( clock feedthrough )

77 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS Vwe Vster C Vwy Problem: wstrzykiwanie ładunku ( charge injection ), przenikanie sygnału zegara ( clock feedthrough ) CGS CGD Tranzystor w stanie włączenia zawiera: ładunek w kanale Q ch = WLC ox ( V GS V TH ) oraz ładunek w pojemnościach C GS i C GD Q zakl = Wd zakl C ox V GS

78 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS Vwe Vster C Vwy Problem: wstrzykiwanie ładunku ( charge injection ), przenikanie sygnału zegara ( clock feedthrough ) CGS CGD Tranzystor w stanie włączenia zawiera: ładunek w kanale Q ch = WLC ox ( V GS V TH ) oraz ładunek w pojemnościach C GS i C GD Q zakl = Wd zakl C ox V GS Gdy tranzystor zostaje wyłączony, ten ładunek przepływa do węzłów: wejściowego i wyjściowego

79 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS VG VDD VG(t) Vwe C Vwy VTH Vwe+VTH Vwe twyl t

80 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS VG VDD VG(t) Vwe C Vwy VTH Vwe+VTH Vwe ładunek odpływa w obu kierunkach twyl t

81 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS VG VDD VG(t) Vwe C Vwy VTH Vwe+VTH Vwe ładunek odpływa w obu kierunkach twyl ładunek z CGD odpływa do wyjścia t

82 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS VG VDD VG(t) Vwe C Vwy VTH Vwe+VTH Vwe Napięcie na wyjściu: ładunek odpływa w obu kierunkach twyl ładunek z CGD odpływa do wyjścia t

83 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS VG VDD VG(t) Vwe C Vwy VTH Vwe+VTH Vwe Napięcie na wyjściu: ΔU = ΔQ C ładunek odpływa w obu kierunkach twyl ładunek z CGD odpływa do wyjścia t

84 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS VG VDD VG(t) Vwe C Vwy VTH Vwe+VTH Vwe Napięcie na wyjściu: gdzie ΔU = ΔQ C ładunek odpływa w obu kierunkach twyl ładunek z CGD odpływa do wyjścia t

85 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS VG VDD VG(t) Vwe C Vwy VTH Vwe+VTH Vwe Napięcie na wyjściu: gdzie ΔU = ΔQ C ładunek odpływa w obu kierunkach twyl ładunek z CGD odpływa do wyjścia t ΔQ = a WLC ox ( ) V ster V we V TH Wd + b zakl C ox C Wd zakl C ox + C V V V ster we TH ( ) + Wd C C zakl ox Wd zakl C ox + C V + V we TH ( )

86 Bramka transmisyjna Pojedynczy tranzystor NMOS VG VDD VG(t) Vwe C Vwy VTH Vwe+VTH Vwe Napięcie na wyjściu: gdzie ΔU = ΔQ C ładunek odpływa w obu kierunkach twyl ładunek z CGD odpływa do wyjścia t ΔQ = a WLC ox ( ) V ster V we V TH Wd + b zakl C ox C Wd zakl C ox + C V V V ster we TH ( ) + Wd C C zakl ox Wd zakl C ox + C V + V we TH ( ) a i b: mniejsze od 1 współczynniki zależne od warunków przełączania

87 Bramka transmisyjna Kompensacja przenikania ładunku Φ1 Φ2 Φ1,Φ2 Vwe Vwy M1 M2 C t Idea: gdy M1 się wyłącza, włącza się M2 i przejmuje ładunek z M1. Orientacyjna reguła: L1 = L2, W2 = 0.5 W1

88 Bramka transmisyjna Kompensacja przenikania ładunku Φ1 Φ1,Φ2 Vwe M1 Vwy M2 Φ2 C t

89 Bramka transmisyjna Kompensacja przenikania ładunku Φ1 Φ1,Φ2 Vwe M1 Vwy M2 Φ2 C t M1: duża wartość W/L zapewnia dostatecznie małą rezystancję w stanie włączenia

90 Bramka transmisyjna Kompensacja przenikania ładunku Φ1 Φ1,Φ2 Vwe M1 Vwy M2 Φ2 C t M1: duża wartość W/L zapewnia dostatecznie małą rezystancję w stanie włączenia M2: mała wartość W/L zapewnia mały ładunek w kanale

91 Bramka transmisyjna Kompensacja przenikania ładunku Φ1 Φ1,Φ2 Vwe M1 Vwy M2 Φ2 C t M1: duża wartość W/L zapewnia dostatecznie małą rezystancję w stanie włączenia M2: mała wartość W/L zapewnia mały ładunek w kanale Idea: po wyłączeniu M1 włącza się M2 i odprowadza ładunek do węzła wejściowego. Do węzła wyjściowego odpływa tylko mały ładunek z M2

92 Bramka transmisyjna Kompensacja przenikania ładunku Vwe Vwy C Idea: tranzystor n-kanałowy wstrzykuje ładunek ujemny, p-kanałowy dodatni - wzajemna kompensacja

93 Bramka transmisyjna Kompensacja przenikania ładunku Vwe Vwy C Idea: tranzystor n-kanałowy wstrzykuje ładunek ujemny, p-kanałowy dodatni - wzajemna kompensacja... w praktyce jednak trudno uzyskać jednakowy ładunek wstrzykiwany z obu tranzystorów

94 Kompensacja niezrównoważenia we wzmacniaczu kilkustopniowym 2 1, (faza wydłużona w 1 stosunku do 1) ku ku ku , 1 Dzięki wydłużeniu fazy redukowane jest również niezrównoważenie resztkowe pierwszego stopnia, w tym niezrównoważenie pochodzące od przenikania ładunku

95 Kompensacja niezrównoważenia we wzmacniaczu kilkustopniowym 2 1, (faza wydłużona w 1 stosunku do 1) ku ku ku + + +, 1 Dzięki wydłużeniu fazy redukowane jest również niezrównoważenie resztkowe pierwszego stopnia, w tym niezrównoważenie pochodzące od przenikania ładunku

96 Symetryczna kompensacja niezrównoważenia 2 Cwe 1 Vwe Cwe + - ku Vodn 1 1 Do obu wejść przenika taki sam ładunek, jest to sygnał wspólny, który jest tłumiony

97 Prosty wzmacniacz symetryczny - przykład VDD M4 M5 Vwe1 M1 M2 CL CL Vwe2 M8 M3

98 Prosty wzmacniacz symetryczny - przykład VDD M4 M5 Wzmocnienie: Vwe1 M1 M2 CL CL k u = g m1 g m4 = W µ n L 1 W µ p L 4 Vwe2 M8 M3

99 Prosty wzmacniacz symetryczny - przykład VDD M4 M5 Wzmocnienie: Vwe1 M1 M2 CL CL k u = g m1 g m4 = W µ n L 1 W µ p L 4 M8 Vwe2 M3 Pojemność obciążająca: C obc = C ox ( WL) 3 + C DB + C L

100 Prosty wzmacniacz symetryczny - przykład VDD M4 M5 Wzmocnienie: Vwe1 M1 M2 CL CL k u = g m1 g m4 = W µ n L 1 W µ p L 4 M8 Vwe2 M3 Pojemność obciążająca: C obc = C ox ( WL) 3 + C DB + C L W tym układzie duże wzmocnienie wymaga długich tranzystorów M4, M5, to oznacza dużą pojemność obciążającą, czyli długi czas opóźnienia

101 Prosty wzmacniacz symetryczny - przykład VDD M4 M5 Wzmocnienie: Vwe1 M1 M2 CL CL k u = g m1 g m4 = W µ n L 1 W µ p L 4 M8 Vwe2 M3 Pojemność obciążająca: C obc = C ox ( WL) 3 + C DB + C L W tym układzie duże wzmocnienie wymaga długich tranzystorów M4, M5, to oznacza dużą pojemność obciążającą, czyli długi czas opóźnienia Zaleta: nie jest potrzebna stabilizacja punktu pracy

102 Lepszy wzmacniacz symetryczny - przykład VDD M4 M5 Vp1 Vwe1 M1 M2 CL CL Vwe2 Vp2 M3 M6 M7

103 Lepszy wzmacniacz symetryczny - przykład VDD Vp1 M4 M5 Wzmocnienie: Vwe1 M1 M2 CL CL k u = g m1 g ds4 Vwe2 Vp2 M3 M6 M7

104 Lepszy wzmacniacz symetryczny - przykład VDD Vp1 M4 M5 Wzmocnienie: Vwe1 M1 M2 CL CL k u = g m1 g ds4 Vwe2 Vp2 M3 M6 M7 W tym układzie pojemność obciążająca jest znacznie mniejsza, ale potrzebne jest sprzężenie zwrotne stabilizujące punkt pracy

105 Przykład zatrzasku V DD V P A B V wy1 V wy2 V we1 V we2 CLK

106 Przykład zatrzasku V DD V P A B V wy1 V wy2 V we1 V we2 CLK Dla CLK= 1 różnica napięć wejściowych powoduje różnicę napięć w węzłach A i B, co powoduje przełączenie zatrzasku do jednego z dwóch możliwych stanów stabilnych

107 Przykład komparatora ze wzmacniaczem i zatrzaskiem Wzmacniacz Zatrzask

108 Przykład komparatora ze wzmacniaczem i zatrzaskiem VDD VP1 Vwe1 Vwe2 CLK Wzmacniacz Zatrzask

109 Przykład komparatora ze wzmacniaczem i zatrzaskiem VDD VP1 VP2 Vwe1 Vwy1 Vwe2 Vwy2 CLK Wzmacniacz Zatrzask

110 Przykład komparatora ze wzmacniaczem i zatrzaskiem VDD VP1 VP2 Vwe1 Vwy1 Vwe2 Vwy2 CLK Wzmacniacz Zatrzask

111 Bramka transmisyjna Topografia: oddzielenie sygnału analogowego od cyfrowego Uster Część cyfrowa Część cyfrowa GNDA Część analogowa Część analogowa Pojedynczy tranzystor Uwe Uwy Pierścień ochronny (fragment) Oddzielenie bloków analogowych od bloków cyfrowych jest niezbędne dla uniknięcia zakłóceń przenoszonych przez podłoże

112 Bramka transmisyjna Topografia: oddzielenie sygnału analogowego od cyfrowego Uster2 Część cyfrowa Uster1 Część cyfrowa Część analogowa GNDA Część analogowa Bramka dwutranzystorowa Pierścień ochronny (fragment) Uwe Uwy UDDA

113 Układy analogowo-cyfrowe Topografia: oddzielenie sygnału analogowego od cyfrowego Analogowe zasilanie, masa, wejścia, wyjścia A Pierścień ochronny C Pierścień ochronny Cyfrowe zasilanie, masa, wejścia, wyjścia...obowiązuje zawsze, gdy w układzie są bloki analogowe i cyfrowe

114 Nawet inwerter może być komparatorem Vwe Vwy 1

115 Nawet inwerter może być komparatorem Vwe Vwy 1...pod warunkiem zastosowania układu kompensacji niezrównoważenia

116 Nawet inwerter może być komparatorem Vwe Vwy 1...pod warunkiem zastosowania układu kompensacji niezrównoważenia Napięcie, z któtym następuje porównanie: 0 V

117 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns V V(8) V(12) Vwy Vwe time ns

118 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns V V(8) V(12) Vwy Vwe time ns

119 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns V V(8) V(12) Vwy Vwe time ns

120 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns V V(8) V(12) Vwy Vwe time ns

121 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns V V(8) V(12) Vwy Vwe time ns

122 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns V V(8) V(12) Vwy Vwe time ns

123 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns V V(8) V(12) Vwy Vwe time ns

124 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns V V(8) V(12) Vwy Vwe time ns

125 Nawet inwerter może być komparatorem Vwe Vwy 1 0,5 V

126 Nawet inwerter może być komparatorem Vwe Vwy 1 0,5 V Napięcie, z któtym następuje porównanie: -0,5 V

127 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns Units v(12) -0.5 v(8) Vwy Vwe time ns

128 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns Units v(12) -0.5 v(8) Vwy Vwe time ns

129 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns Units v(12) -0.5 v(8) Vwy Vwe time ns

130 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns Units v(12) -0.5 v(8) Vwy Vwe time ns

131 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns Units v(12) -0.5 v(8) Vwy Vwe time ns

132 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns Units v(12) -0.5 v(8) Vwy Vwe time ns

133 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns Units v(12) -0.5 v(8) Vwy Vwe time ns

134 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns Units v(12) -0.5 v(8) Vwy Vwe time ns

135 Nawet inwerter może być komparatorem... V 6.0 Φ1,Φ2 v(30) v(20) time ns Units v(12) -0.5 v(8) Vwy Vwe time ns