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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 3
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 4
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 5
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 6
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
Amplificator diferențial cu sarcină rezistivă
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 7
22 2 ||DS Dr R
1,2
0 1,22 ||2
outm
moutDS D
inRG
gVA r RV
funcția de transfer DC
Amplificator diferențial cu sarcină rezistivă
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 8
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:
Amplificator diferențial cu sarcină rezistivă
modelul de semnal mic și înaltă frecvență
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 9
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 10
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
Amplificator diferențial cu sarcină sursă de curent
modelul de semnal mic și joasă frecvență
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 11
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
Amplificator diferențial cu sarcină sursă de curent
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 frecvenșă 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 C C
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 12
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:
Amplificator diferențial cu sarcină sursă de curent
modelul de semnal mic și înaltă frecvență
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 13
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 14
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
Amplificator diferențial cu sarcină oglindă de curent
modelul de semnal mic și joasă frecvență
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 15
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
Amplificator diferențial cu sarcină oglindă de curent
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 16
Amplificator diferențial cu sarcină oglindă de curent
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 frecvenșă 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
4GV
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 17
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 !!
Amplificator diferențial cu sarcină oglindă de curent
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 18
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
Amplificator diferențial cu sarcină oglindă de curent
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
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Amplificatoare diferențiale 19
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 – Amplificatoare diferențiale 20
Top Related