Интернет-портал cxem.Net
С основными принципами работы ОУ разобрались, построим операционный усилитель на транзисторах.
Рисунок
3. Схема простейшего усилителя
Рисунок 4. Диалоговое окно, отображающее параметры схемы и моделирования, а также максимум коэффициента усиления.
Рисунок
5. Схема простейшего дифференциального
усилителя.
Существенный недостаток усилителей на рис. 3 и 5 заключается в том, что резистор R0 определяет одновременно режим транзисторов по постоянному току и коэффициент ослабления синфазного сигнала. Поэтому получить большую величину Kocc в таком усилителе невозможно. Значительно большее ослабление синфазного сигнала можно получить, включив вместо резистора источник тока. Из-за таких достоинств каскодного источника тока, как большое выходное сопротивление и увеличенное напряжение на стоке выходного транзистора, в качестве источника тока будем использовать именно каскодный источник тока.
При подключении вместо резистора каскодного источника тока коэффициент усиления дифференциального сигнала остается прежним, его величина зависит от выходного сопротивления и удельной проводимости МОП-транзисторов. Увеличивать сопротивления резисторов нежелательно, т.к. резисторы большого номинала занимают на кристалле интегральной схемы слишком большую площадь.
Эффективный способ увеличения коэффициента усиления дифференциальной составляющей – включение в цепи стоков транзисторов M1 и M2 токового зеркала на n-канальных транзисторах Такую схему называют усилителем с динамической (активной) нагрузкой.
Если транзисторы токового зеркала имеют одинаковые параметры, их токи равны.
Выходные характеристики МОП-транзисторов на участке, соответствующем режиму насыщения, имеют небольшой наклон. Поэтому для переменных составляющих токов каналы транзисторов токового зеркала эквивалентны резисторам, имеющим большое сопротивление. Это позволяет увеличить коэффициент усиления дифференциальной составляющей и одновременно сэкономить площадь кристалла, т.к. токовое зеркало занимает меньше места, чем высокоомные резисторы.
Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл: пер. с англ. – 6-е изд. – М.: Мир, 2003. – 704 с., ил.
Рисунок
6. Схема модифицированного дифференциального
усилителя.
Выходное напряжение такого дифференциального усилителя определяется по формуле:
(1)
-
дифференциальный коэффициент усиления
по напряжению
-
усиление по напряжению синфазного
сигнала
-
коэффициент ослабления синфазного
сигнала
-
входное напряжение смещения
-
входной диапазон синфазного сигнала
(
)
Ток
смещения делится на токи
и
транзисторов
M6
и М5.
(2)
(3)
Решая относительно и получим
(4)
(5)
Где
,
таким образом
Крутизна
дифференциальной пары
определяется
как средний наклон передаточной ВАХ в
диапазоне
.
(6)
где
- подвижность электронов;
-
удельная емкость конденсатора между
затвором и каналом.
Для нормальной работы ДУ все его транзисторы должны находиться в режиме насыщения.
Минимально
допустимое входное напряжение складывается
из напряжения питания нижнего уровня
(земли
в нашем случае), напряжения насыщения
токозадающего транзистора M6,
напряжения открывания на затворе M1,
обеспечивающего ток
:
(7)
где
.
Максимально
допустимое входное напряжение должно
обеспечивать открывание транзистора
M2,
обеспечивающее ток
и
максимально возможное превышение
напряжения на затворе по отношению к
стоку транзистора M1
равное пороговому напряжению:
(8)
Выбор типа проводимости транзисторов дифференциальной пары определяется требованиями к дифференциальному усилителю. Следует принимать в расчет технологические особенности, размеры и шумы транзисторов.
При КМОП-технологии на p-подложке p-МОП находится в n-кармане, а карманом для n-МОП является сама подложка. Поэтому если необходимо задавать потенциал на кармане дифференциальной пары, то это возможно только для p-МОП.
Низкочастотные шумы в p-МОП гораздо меньше, чем в n-МОП. Это также влияет на выбор типа транзисторов дифференциальной пары.
Вместе с тем для достижения высокого коэффициента усиления по напряжению и снижения входной емкости в дифференциальной паре больше подходят n-МОП.
Для оценки коэффициента усиления проведем DC-анализ.
Коэффициент
усиления определяется по следующей
формуле: ((VDC(“/Out”)-
VDC(“/R”))/(
VDC(“/InN”)-
VDC(“/InP”))).
Рис.7. Зависимость коэффициента усиления от напряжения Vtest
Из рисунка 7 видно, что наибольший коэффициент усиления для заданных параметров схемы равен 80.60364.
Диапазон работы определяется областью действия коэффициента усиления, которая приходится на область насыщения (область устойчивой работы схемы).При изменении ширины и длины транзисторов токового зеркала, изменяется крутизна этих транзисторов, что в соответствии с формулой (7) влияет на максимальное допустимое входное напряжение.
Подтверждение
этого факта приведено на рисунке 8.
А) Б)
Рисунок 8. Зависимость коэффициента усиления от длины транзисторов токового зеркала (а) и ширины транзисторов токового зеркала (б)
Как видно из рисунка, ширина транзисторов токового зеркала гораздо существеннее влияет на максимально допустимое входное напряжение, чем их длина.
Д
ля
определения влияния параметров
транзисторов на частотные характеристики
схемы проведем AC-анализ.
Рис.9.Диалоговое окно, отображающее параметры схемы и проводимых анализов
Рис.10.
Результат проведения AC-анализа.
Зависимость коэффициента усиления от
частоты.
Рассмотрим
изменение частотных свойств от параметров
каналов транзисторов.
Рис.11. Результат проведения AC-анализа. Зависимость выходного напряжения от изменения параметра Wn
Рис.12.
Результат проведения AC-анализа.
Зависимость выходного напряжения от
изменения параметра Wp
Рис.13. Результат проведения AC-анализа. Зависимость выходного напряжения от изменения параметра Ln
Рис.14.
Результат проведения AC-анализа.
Зависимость выходного напряжения от
изменения параметра Lp
Как видно из графиков, наибольшее влияние на частотные характеристики ДУ оказывает изменение длин каналов транзисторов. Причем чем меньше длина каналов транзисторов, тем больше скорость работы схемы.
Рассмотрим как изменение параметров транзисторов, влияет на частоту среза, которая определяется по следующей формуле:
cross(db20(VF(“/Out”)) (value(db20(VF(“/Out”)) 10000) -3) 1 “either” nil nil)
Рис.15.
Результат проведения AC-анализа.
Влияние параметра Wn
на частоту среза
Рис.16.
Результат проведения AC-анализа.
Влияние параметра Wp
на частоту среза
Рис.17.
Результат проведения AC-анализа.
Влияние параметра Ln
на частоту среза
Рис.18.
Результат проведения AC-анализа.
Влияние параметра Lp
на частоту среза
Если необходимо получить максимальное быстродействие, полосу пропускания надо максимально увеличивать, а соответственно увеличится и частота среза. Но если необходимо достигнуть наибольшей помехоустойчивости, то полосу пропускания надо уменьшать, что приведет к уменьшению частоты среза.