Circuite Integrate Analogice Celule fundamentale€¦ · · 2013-05-13semicircuitele echivalente....

Circuite Integrate AnalogiceCelule fundamentale

Facultatea de Electronică Telecomunicații și

Tehnologia Informației

Celule fundamentaleAmplificatoare diferențiale

Tehnologia Informației

Doris CsipkesDepartamentul de Bazele Electronicii

Din conținut...

semnale diferențiale și de mod comun – echilibrarea tensiunilor și masa virtuală

amplificatorul diferențial cu sarcină rezistivă

domeniul de variație al tensiunilor de intrare și ieșire domeniul de variație al tensiunilor de intrare și ieșire

conceptul de semicircuit

modelul de semnal mic și joasă frecvență

modelul de semnal mic și înaltă frecvență

răspunsul în frevență

amplificatorul diferențial cu sarcină sursă de curent

Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 2

amplificatorul diferențial cu sarcină oglindă de curent

Semnale diferențiale și de mod comun

tensiune diferențială (vin) → semnal flotant între două noduri raportate la masă

tensiune de mod comun (VCM) → tensiunea comună care afectează în mod identic Vinp și Vinm(media?)

2in

inp CMvV V

v

in inp inm

inp inm

v V VV V


2in

inm CMvV V

2

inp inmCM

V VV

In cele mai multe cazuri VCM este componenta DC a lui Vin → masa virtuală

Amplificatoare diferențiale

două amplificatoare sursă comună echilibrate în jurul mesei sau mesei virtuale

semnalul de intrare → componentă diferențială și de mod comun

iețirea poate fi diferențială (simetrică/balansată) sau raportată la masă → caz special: amplificator diferențial cu sarcină sursă de curentamplificator diferențial cu sarcină sursă de curent

operație adesea descrisă prin semicircuitul echivalent (excepția!!)

Sarcina poate fi de orice tip, din cele discutate la amplifi-catoarele elementare


semicircuitele echivalente

Masa virtuală

Ce este masa virtuală? → hinta cântar ca și analogie

Acest punct nu se mișcă relativ cu masa în ciuda deplasării pozitive sau negative, dar poziția lui nu este zero → masa virtuală

deplasare pozitivă

deplasare negativăpoziția relativă față de

masă nu este zero

poziția lui nu este zero → masa virtuală


deplasarea este măsurată relativ la masa virtuală și nu la masa propriuzisă

ca și variație masa virtuală nu este diferită de masa propriuzisă

într-un circuit orice potențial care nu se schimbă cu semnalul este masă virtuală

Amplificator diferențial cu sarcină rezistivă

amplificatoare sursă comună cu sarcină rezistiva ca semicircuite

versiunea bipolară poate fi folosita dacă tehnologia permite tranzistoare bipolare

intrare diferențială și ieșire diferențială

domeniul de variație al tensiunii de intrare de mod comun (VCMin) și domeniul de variație al tensiunii de ieșire - ambele sunt importante

Masă virtuală

Masă virtuală

GSV


minoV

1,2 1,2 min

1,2 1,2 min

NMOS:

PMOS:CMin DSat Th o

CMin DD DSat Th o

V V V V

V V V V V

1,2 1,2

1,2 1,2

NMOS: ,

PMOS: 0,out S DSat DD

out S DSat

V V V V

V V V


modelul de semnal mic și joasă frecvență – comportamentu de semnal mare dat defuncția de transfer DC: doar o descriere calitativă

outVinpV

inmV

1

1

2

02 2 ||

02 2 ||

m in out

DS D

m in out

g V Vr R

g V Vr R

opVomV


22 2 ||DS Dr R

1,2

0 1,22 ||2

outm

moutDS D

inRG

gVA r RV

funcția de transfer DC


modelul de semnal mic și înaltă frecvență → se înlocuiesc tranzistoarele cu echivalentul lor de semnal mic și se consideră capacitățile

se calculează câștigul dependent de frecvență A(s) ca raportul dintre Vout și Vin

rezistența diferențială sursă de semnal de la intrare se neglijează rezistența diferențială sursă de semnal de la intrare se neglijează

1 2 1,2

2 2GDC C C

C C C C C


3 4 1,22 2L DB LC C C C C

1 1

13

12 2 2 || ||

in out m in out

DS D

sC V V g V V

r RsC

Analiza pe semicircuit este suficientă → KI la ieșire:



1,200

1

1,2 3,4 1

11( )

1 || 1

zpm

DS D

sC AA sg

A s ss C C r R

1p

1,2 3,4 1

1 12 2 ||p

out DS D L

fR C C r R C

g

un pol și un zero în semiplanul drept cauzat de

efectul Miller


1

1,2

10

2

2

mzp

mp

L

gfC

gGBW A fC

Amplificator diferențial cu sarcină sursă de curent

amplificator sursă comună cu sarcină sursă de curent ca semicircuit

versiunea bipolară poate fi folosită dacă tehnologia permite tranzistoare bipolare

intrare diferențială și ieșire diferențială, similar cu amplificatorul diferențial cu sarcina rez

atât domeniul de variație al VCMin cât și cel al Vout sunt importante

Masă virtualăMasă

virtuală

GSV


GSV

minoV

1,2 1,2 min

1,2 1,2 min

NMOS:

PMOS:CMin DSat Th o

CMin DD DSat Th o

V V V V

V V V V V

1,2 1,2 3,4

3,4 1,2 1,2

NMOS: ,

PMOS: ,out S DSat DD DSat

out DSat S DSat

V V V V V

V V V V



outVinpV inmV

1

1 3

2

02 2 ||

02 2 ||

m in out

DS DS

m in out

g V Vr r

g V Vr r

opVomV


2 42 2 ||DS DSr r

1,2

0 1,2 3,42 ||2

outm

moutDS DS

inRG

gVA r rV

funcția de transfer DC



se calculează câștigul dependent de frecvenșă A(s) ca raportul dintre Vout și Vin


1 2 1,2

2 2GDC C C

C C C C C C C


3 4 1,2 3,4 3,42 2L DB DB GD LC C C C C C C

1 1

1 33

12 2 2 || ||

in out m in out

DS DS

sC V V g V V

r rsC

Analiza unui semicircuit este suficientă → KI la nodul de ieșire:



1,200

1

1,2 3,4 1,2 3,4

11( )

1 || 1

zpm

DS DS

sC AA sg

A s ss C C r r

1,2 3,4 1,2 3,4

1 12 2 ||p

out DS DS L

fR C C r r C

g

un pol și un zero în semiplanul drept cauzat

de efectul Miller

1p


1

1,2

10

2

2

mzp

mp

L

gfC

gGBW A fC

Amplificator diferențial cu sarcină oglindă de curent

nu avem semicircuit echivalent datorită sarcinii sursă de curent

intrare diferențială și ieșire asimetrică (raportată la masă)

atât domeniul de variație al VCMin cât și cel al Vout sunt importante

Masă virtualăMasă

virtuală

GSV


minoV

1,2 1,2 min

1,2 1,2 min

NMOS:

PMOS:CMin DSat Th o

CMin DD DSat Th o

V V V V

V V V V V

1,2 1,2 3,4

3,4 1,2 1,2

NMOS: ,

PMOS: ,out S DSat DD DSat

out DSat S DSat

V V V V V

V V V V



MOS diode

V1 2

inGS

VV

De pe schemă:

1 1 4 31 3

1 1 0m GS G mDS DS

g V V gr r

2 3 1 41 3

0

1 1

1 12

m m m mDS DS

g g g gr r

A

inpVinmV

4GV2

4 4

2in

GS

GS G

VV

V V


1 3

2 2 4 42 4

1 1 0

DS DS

m GS out m GSDS DS

g V V g Vr r

2 4

1 12DS DSr r

Eliminăm VG4 și rezolvăm pentru Vout/Vin

0 1 2 4||m out

m DS DSG R

A g r r

1 2

3 4

1 2

3 4

m m

m m

DS DS

DS DS

g gg gr rr r


funcția de transfer DC → ieșire asimetrică

panta în regiunea liniară este A0 → are același ordin de mărime ca și câștigulamplificatorului diferențial cu sarcină sursă de curent

la funcționarea în gol componenta DC a tensiunii de ieșire este V -V la funcționarea în gol componenta DC a tensiunii de ieșire este VDD-VSG3




se calculează câștigul dependent de frecvenșă A(s) ca raportul dintre Vout și Vin


4GV


1 2 1,2

3 1 3 3 4

4 2 4

5 4

GD

DB DB GS GS

L DB DB L

GD

C C CC C C C CC C C C CC C

Nu se face analiza pe semicircuit datorită oglinzii de curent care

transmite semnalul !!


analiza lui A(s) → se consideră circuitul ca un întreg și se adaugă capacități la modelul de semnal mic și joasă frecvență

legea lui Kirchhoff's pentru curenți la nodul de ieșire și în grila lui M4

1 1g V V

se elimină VG4 și se rezolva pentru Vout/Vin → soluția riguroasă este complicată

demonstrația arată că C are o influență minoră asupra A(s) → poate fi neglijat

14 3 3 5 4 1 4

1 3

24 4 4 2 5 4

2 4

1 12 2

1 12 2

m in inG m G out G

DS DS

m in inm G out out G out

DS DS

g V VV g sC sC V V sC Vr r

g V Vg V V sC sC V sC V Vr r


demonstrația arată că C5 are o influență minoră asupra A(s) → poate fi neglijat

A(s) va fi de forma:31

01 3

2

1 12

( )1

m m

CCA s sg g

A sas bs


modelul de semnal mic și înaltă frecvență → folosește aproximarea cu pol dominant pentru A(s)

0 1 1( )

1 1

zp zn

s sAA s

s s

unde a și b sunt coeficienți dependenți de parametrii de semnal mic

11

12 2

mp

out L L

gf GBWR C C

un pol și un zero în semiplanul drept cauzat de efectul Miller + o pereche pol - zero în

semiplanul stâng introdusă de sarcina oglindă de curent

1 2

1 1p p


3 12

3 1

3

3

;2 222

m mp zp

mzn

g gf fC C

gfC

Bibliografie

P.E. Allen, D.R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design, Oxford University Press, 2002

B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2002

D. Johns, K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley, 1996

P.R.Gray, P.J.Hurst, S.H.Lewis, R.G, Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Wiley,2009

R.J. Baker, CMOS Circuit Design, Layout and Simulation, 3rd edition, IEEE Press, 2010


Circuite Integrate Analogice Celule fundamentale€¦ · · 2013-05-13semicircuitele echivalente....

Documents

Transcript of Circuite Integrate Analogice Celule fundamentale€¦ · · 2013-05-13semicircuitele echivalente....