Минобрнауки России

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет

«Московский институт электронной техники»

Лабораторная работа №4 по дисциплине

«Схемотехника телекоммуникационных устройств: аналоговые устройства»

«Простое токовое зеркало и усилитель с активной нагрузкой»

Вариант 9

Ввод схемы простого токового зеркала

Рисунок 1 – Электрическая схема простого токового зеркала

Рисунок 2 – DC моделирование с сохранением малосигнальных параметров

Моделирование усилителя с активной нагрузкой

Рисунок 3 – Схема усилителя с активной нагрузкой

Рисунок 4 – ФЧХ и АЧХ на выходе усилителя

Рисунок 5 – Частота по уровню -3 дБ

Приблизим график и найдём с помощью маркера частоту по уровню -3 дБ, она составит примерно 2,66 МГц

Рисунок 6 – Амплитуда на выходе

Рисунок 7 – Время нарастания сигнала

Как видно из рисунков 6 и 7, амплитуда на выходе составляет примерно 2.07 В, а время нарастания – 10.64 нс

Расчёт паразитной ёмкости на выходе усилителя согласно варианту

№ варианта	Время нарастания выходного сигнала, нс	Ширина n-транзистора усилителя, мкм	Длина n-транзистора усилителя, мкм
9	22	12	0.85

Таблица 1: Вариант

Вычислим:

Площади дна стока (AD) и истока (AS):

Периметры внешних границ стока (PD) и истока (PS):

Количество квадратов в диффузионных областях протекания тока для стока и истока:

Емкость сток-подложка (исходя из методических указаний, = 0):

Для p-канального:

Для n-канального:

Расчеты в среде Matlab:

Wn=12*10^(-6); Ln=0.85*10^(-6);

Wp=12*10^ (-6); Lp=0.85*10^(-6);

Mp=3;Mn=1;

kp=1;np=1;

kn=0;nn=1;

A1=0.3*10^(-6); A2=0.4*10^(-6); A3=0.15*10^(-6); A4=0.4*10^(-6);

R1p=7.2; R1n=6.8;

VBZ=0;

TOXn=7.5*10^(-9); TOXp=7.7*10^(-9);

LDn=4*10^(-8); LDp=2.8*10^(-8);

CJn=7.9*10^(-4); CJp=8.1*10^(-4);

CJSWn=2.8*10^(-10); CJSWp=3.1*10^(-10);

MJn=0.34; MJp=0.41;

MJSWn=0.18; MJSWp=0.22;

PBn=0.75; PBp=0.81;

Weffp=Wp*Mp;

Leffp=Lp*Mp;

ADp=kp*((A1+A2+A3)*((Weffp)/Mp))+np*((2*Weffp)/Mp)*(A1+(A2/2));

ASp=ADp;

PDp=kp*2*(A1+A2+A3)+(Weffp/Mp)+np*2*(2*A1+A2);

PSp=PDp;

NRDp=Weffp/(A1+(A2/2));

NRSp=NRDp;

RDp=NRDp*R1p;

RSp=NRSp*R1p;

CBDp=((CJp*ADp)/((1-(VBZ/PBp))^MJp))+((CJSWp*PDp)/((1-(VBZ/PBp))^MJSWp))

CBSp=((CJp*ASp)/((1-(VBZ/PBp))^MJp))+((CJSWp*PSp)/((1-(VBZ/PBp))^MJSWp))

Weffn=Wn*Mn;

Leffn=Ln*Mn;

ADn=kn*((A1+A2+A3)*((Weffn)/Mn))+nn*((2*Weffn)/Mn)*(A1+(A2/2));

ASn=ADn;

PDn=kn*2*(A1+A2+A3)+(Weffn/Mn)+nn*2*(2*A1+A2);

PSn=PDn;

NRDn=Weffn/(A1+(A2/2));

NRSn=NRDn;

RDn=NRDn*R1n;

RSn=NRSn*R1n;

CBDn=((CJn*ADn)/((1-(VBZ/PBn))^MJn))+((CJSWn*PDn)/((1-(VBZ/PBn))^MJSWn))

CBSn=((CJn*ASn)/((1-(VBZ/PBn))^MJn))+((CJSWn*PSn)/((1-(VBZ/PBn))^MJSWn))

Расчёт усиления и полосы усилителя

Проведём DC-моделирование и получим параметры транзисторов нагрузки, необходимые для расчёта усиления усилителя.

Рисунок 8 – DC моделирование с сохранением малосигнальных параметров

Вычислим величину общего выходного сопротивления и ёмкость нагрузки.

Рассчитаем коэффициент усиления. Максимальное усиление будет при частоте, стремящейся к нулю.

Расчеты в среде Matlab:

gdsn=2.228*10^ (-3);

gdsp=4.348*10^ (-6);

gmn=317.7*10^ (-6);

CBDp =2.2849e-014;

CBDn = 1.3400e-014;

CL=1*10^ (-12);

Cout=CBDp+CBDn+CL

Rout=((1/gdsn) *(1/gdsp))/((1/gdsn) +(1/gdsp))

Gain=gmn*Rout

Gain3db=Gain/ (1.41)

f=sqrt((gmn*Rout/Gain3db) *(gmn*Rout/Gain3db)-1)/(2*3.14*Rout*Cout)

X=20*log10(Gain)

Результаты вычислений:

Cout = 1.0362e-012

Rout = 447.9588

Gain = 0.1423

Gain3db = 0.1009

f = 3.4099e+008

X = -16.9349

Напряжение на выходе в 0.1423 раза больше, чем на входе, что равно 16.9349 дБ. Проверим с помощью AC моделирования схемы. Коэффициент усиления модели близок к рассчитанному.

Рисунок 9 – AC моделирование с указанным КУ

Рисунок 10 – AC моделирование с указанной частотой среза

Частота среза на графике равна 344МГц, что совпадает с расчетами.

Установка режимного тока для достижения заданного времени нарастания выходного сигнала

Рисунок 11 – Результаты параметрического моделирования

Как видно из рисунка, выделенному графику соответствует сопротивление 523 кОм. Теперь проведём tran моделирование с полученным сопротивлением. Дельта маркерами отмечено время нарастания. Как можно заметить, оно примерно соответствует значению по варианту.

Рисунок 12 – Результаты моделирования с полученным значением сопротивления

Вывод

При выполнении данной лабораторной работы было проведено моделирование схемы токового зеркала и усилителя с активной нагрузкой. Также было вычислено значение коэффициента усиления с параметрами транзисторов по варианту. Исходя из произведённых вычислений, можно сделать вывод, что паразитная ёмкость транзистора тем меньше, чем меньше его площадь. По результатам выполнения параметрического моделирования, можно сделать вывод о прямой зависимости времени нарастания выходного сигнала от сопротивления

2022