(1)

ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΜΙΑΣ ΒΑΘΜΙΔΑΣ

ΔΙΑΛΕΞΗ 1

(2)

ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ2007 2

Ενισχυτές ενός τρανζίστορ

Ο στόχος αυτής της παρουσίασης είναι 1. Μελέτη των χαρακτηριστικών ενός

ενισχυτή

2. Ανάλυση του ενισχυτή χρησιμοποιώντας

ωμικά φορτία

(3)

Χαρακτηριστικά Ενισχυτών

• Μεταφορά τάσης μεγάλου σήματος (.DC)

• Περιορισμοί ταλάντωσης της τάσης μεγάλου σήματος (.DC & .TRAN)

• Μικρό σήμα, λειτουργία-απόδοση μη-εξαρτημένης από συχνότητα

• Κέρδος

• Αντίσταση εισόδου/εξόδου

• Μικρό σήμα, απόκριση συχνότητας (.AC)

• Θόρυβος (.NOISE)

• Κατανάλωση ενέργειας (.OP)

• Slew rate (.TRAN)

(4)

Τύποι τρανζίστορ

Κοινού

εκπομπού Κοινής βάσης Κοινού συλλέκτη Degeneration εκπομπού

Κοινής πύλης Κοινού πύλης Κοινού επαγωγού degeneration πηγής

(5)

Ροή ρεύματος στις αντιστάσεις

• Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι τα ac σήματα μπορούν να «ρέουν» σε και από ορισμένες

αντιστάσεις

• Κανόνες

– Ο συλλέκτης ή ο drain δεν είναι είσοδοι – Η βάση ή η πύλη δεν είναι έξοδοι

• Επιπλέον μερικοί «δρόμοι» σημάτων αντιστρέφουν την πολικότητα.

– Ο «δρόμος» βάση-συλλέκτη ή gate-drain αντιστρέφει την πολικότητα. Οι υπόλοιποι συνδυασμοί δεν αντιστρέφουν την πολικότητα.

(Υποθέτουμε ότι δεν υπάρχουν reactive στοιχεία τα οποία προκαλούν μετατόπιση φάσης)

(6)

BJT ενισχυτές ενός τρανζίστορ

Μεγάλο σήμα

Μικρό σήμα

C in

out C

C m

in out C

C out

m in

C A t

C m

R r

r i

i R

r

R r g v

v R

r R R r

r g R

I r V V

g I

= + +

= −

= +

=

0 0 0 0

0 0

0 , ,

, β

β

π

(Σε αρκετές περιπτώσεις πρέπει να θεωρήσουμε μια αντίσταση πηγής Rs σε σειρά με την

είσοδο)

(7)

Βασικά κυκλώματα ενός τρανζίστορ

• Ακόλουθος πηγής ή ακόλουθος εκπομπού

– Απομονώνει την είσοδο από την έξοδο – Για ιδανική πηγή ρεύματος έχω:

I _bias = I _eo e (Vin -Vout )/U _T

V _out = -U _T ln(I _bias /I _eo ) + V _in

Δ V _out = Δ V _in

I _bias = I _bias e (ΔVin -ΔVout )/U _T 100μA V

_dd

GND

V _out

V _in

(8)

Βασικά κυκλώματα ενός τρανζίστορ (2)

• Για ιδανική πηγή ρεύματος έχω:

• Τρανζίστορ ως πηγή ρεύματος

10nA

V

_dd

GND

V _out V _in

I _bias = I _o e ^κVin/U ^T e ^-Vout/U ^T

V _out = U _T ln(I _bias /I _o ) + κ V _in

Δ V _out = κ Δ V _in

I _bias = I _bias e ^κΔVin/U ^T e ^-ΔVout/U ^T

I _d = I _bias e ^Vout/V ^A = I _o e ^κVin/U ^T e ^-Vout/U ^T

V _out = U _T ln(I _bias /I _o ) + (κ // ( V _A /U _T ))V _in

(9)

Παράδειγμα

BJT κοινού εκπομπού με αντίσταση πηγής

Βρείτε την αντίσταση εισόδου μικρού σήματος, R

in

, αντίσταση εξόδου, R

out

, κέρδος τάσης, v

out

/v

in

, κέρδος ρεύματος, i

out

/i

in

του σχήματος. Δίνονται β

0

=100, V

^A

=100V, I

s

=10fA.

(10)

Ενισχυτής κοινής πηγής

Μικρό σήμα

Μεγάλο σήμα

(Σε αρκετές περιπτώσεις πρέπει να θεωρήσουμε μια αντίσταση πηγής Rs σε σειρά με την

είσοδο)

(11)

CE (ακόλουθος εκπομπού)

Μικρό σήμα

Μεγάλο σήμα

(Σε αρκετές περιπτώσεις πρέπει να θεωρήσουμε μια αντίσταση πηγής Rs σε σειρά με την

είσοδο)

(12)

MOS ενισχυτές ενός τρανζίστορ CS (common source) Ενισχυτής

Μικρό σήμα

Μεγάλο σήμα

(13)

MOS ενισχυτές ενός τρανζίστορ CG (common gate) Ενισχυτής

Μικρό σήμα

Μεγάλο σήμα

Παραλείποντας την rds

(14)

Παράδειγμα

Βρείτε τα R

_in

, R

_out

και v

_out

/v

_in

του CG ενισχυτή λαμβάνοντας υπόψη την r

_ds

. Δίνονται K

_N

=110μA/V

²

, V

_T

=0.7V, λ

_N

=0.04V

^-1

, W/L=10μm/1μm, I

_D

=200μA και R

_D

.

Βρίσκω τις παραμέτρους του μοντέλου

Από το μοντέλο μικρού σήματος του σχήματος έχω

(15)

MOS ενισχυτές ενός τρανζίστορ

CD (common drain-ακόλουθος πηγής) Ενισχυτής

Μικρό σήμα

Μεγάλο σήμα

Παραλείποντας την rds

(16)

Ενισχυτές με degeneration εκπομπού/πηγής

Degeneration εκπομπού

(17)

Ενισχυτές με degeneration εκπομπού/πηγής

Degeneration πηγής

(18)

Degeneration Πηγής (1/2)

• +

– Μεγαλύτερη γραμμικότητα – Πιθανή ευστάθεια

• -

– g _m

– Μικρότερο εύρος ζώνης – Περισσότερος θόρυβος

GND

V _out V _in

κυκλωματικό στοιχείο

GND

V _out

V _in

(19)

Degeneration Πηγής (2/2)

• Παραλείποντας την V _A του τρανζίστορ Q ₁ έχω:

GND

V _out V _in

GND

V _out

V ₁ Q ₁

I I = I _eo e ^V ¹ ^/U ^T = I _eo e (Vin - V1 + V _out /A _v )/U _T

2 V ₁ = V _in + V _out / A _v I = I _eo e ^{(Vin + V} ^out ^/A ^v ^{)/(2 U} ^T ⁾

(Το αποτέλεσμα είναι παρόμοιο και για τα MOSFET)

(20)

Τρανζίστορ κοινού εκπομπού - CE

• Κοινού εκπομπού/κοινής πηγής

• Ενισχύει το σήμα εισόδου στην έξοδο

• Για ιδανική πηγή ρεύματος έχω:

I _bias

V

_dd

GND

V _in

I _bias = I _co e ^Vin/U ^T e ^{Vout /V} ^A

V _out = -V _A ln(I _bias /I _co ) + − (κ V _A / U _T ) V _in

(21)

Τρανζίστορ κοινού απαγωγού – CD (1/2)

• Ενισχύει το σήμα εισόδου στην έξοδο

• Διαγωγιμότητα εισόδου = 0

100pA V

_dd

GND

V _out V _in

I _bias

ΔV _out = − ( κ V _A / U _T ) ΔV _in

I _bias = I _bias e ^κΔVin/U ^T e ^ΔVout/V ^A

(22)

Τρανζίστορ κοινού απαγωγού – CD (2/2)

• Πρέπει να λάβουμε υπόψη και την άλλη πηγή ρεύματος

V

_b

V

_dd

GND

V

_out

M

₆

M

₇

V

_in

ΔV _out = − ( κ (V _An // V _Ap ) U _T ) ΔV _in I _d = I _bias e ^-ΔVout/V ^Ap

= I _bias e ^κΔVin/U ^T e ^ΔVout/V ^An

(23)

Τρανζίστορ κοινού απαγωγού – CD

• Μετρήσεις ενισχυτή

V

₁

GND I

_bias

V

_dd

GND V

_out

M

_b

M

₆

M

₇

(24)

CE/CS – ωμικό φορτίο

(25)

Μετρήσεις ενισχυτή υψηλού κέρδους

Κύκλωμα ενισχυτή

με DIBL FET

(26)

Τρανζίστορ κοινής βάσης - CB

• Κοινής βάσης/κοινής πύλης

• Ενισχύει το σήμα εισόδου στην έξοδο (μη-ανάστροφο κέρδος)

• Για ιδανική πηγή ρεύματος έχω:

I _bias = I _co e ^(V ^b ^-V ⁱⁿ ^)/U ^T e ^{Vout /V} ^A

V _out = -V _A ln(I _bias /I _co ) + (V _A / U _T ) V _in

− (V _A / U _T ) V _b

Gain = V _A / U _T = A _v

100μA V

_dd

V _in

V _b

(27)

Τρανζίστορ κοινής πύλης - CG

• Χρησιμοποιώντας ένα subthreshold MOSFET έχω:

Πρόβλημα – μεγάλο ρεύμα εισόδου.

I _bias = I _o e ^(κV ^b ^-V ⁱⁿ ^)/U ^T e ^{Vout /V} ^A

V _out = -V _A ln(I _bias /I _o ) + (V _A / U _T ) V _in

− ( κ ^V _A ^{/ U} _T ^{) V} _b

Gain = V _A / U _T = A _v

100pA V

_dd

V _out

I _bias

V _in

V _b

(28)

Κοινής πύλης – ωμικό φορτίο

(29)

Ένας τυπικός CMOS ενισχυτής

(30)

Subthreshold MOSFETs

• Σε γραμμική

κλίμακα έχουμε δευτεροβάθμια εξάρτηση

• Σε λογαριθμική κλίμακα έχουμε εκθετική

εξάρτηση

0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 10

^-11

10

^-10

10

^-9

10

^-8

10

^-7

10

^-6

Gate voltage (V)

Drai n current (A)

κ = 0.58680 I _o = 1.2104fA

G

S D

nFET

G S

D B

pFET

(31)

Καμπύλες ρεύματος/τάσης MOS

( )

( 1 ^/ )

/ ) (

0 / /

/ 0

T ds T

S G

T D T

S T

G

u V u

κ V V

u V u

V κ V u

DS

e e

I

e e

e I I

−

=

−

=

( ) ( )

( ^e ^e )

I

I = ₀ ^κ ^V ^g ⁻ ^V ^S ^/ ^u ^T − ^κ ^V ^g ⁻ ^V ^d ^/ ^u ^T

( ) ^/ ( 1 ₍ ₎ ^/ )

0 T S T d

S

g V u V V u

V e

e

I ⁻ − ⁻ ⁻

= ^κ

/ ) (

0

T S

G

V u

κ V

e

I ⁻

= κόρος

4

_T

ds

U

V >

(32)

Χαρακτηριστικά απαγωγού

(33)

Ρεύμα/τάση απαγωγού

R

_out

10μA

I

_out

I _d = I _d (sat) (1 + (V _d /V _A ) )

I _d = I _d (sat) e ^Vd/VA

I _c = I _c (sat) (1 + (V _c /V _A ) )

I _c = I _c (sat) e ^Vc/VA

Φαινόμενο Early – μη γραμμική

περιοχή (διαμόρφωση καναλιού)

(34)

Σχέσεις διόδου-πυκνωτή

GND

I _in

GND

I _out

V i

C

C (dV _i /dt) = I _in - I _co exp(V _i /U _T ) I _out = I _co exp(V _i /U _T )

(C / I _out ) (d I _out /dt) = I _in - I _out

C (d I _out /dt) = I _out ( I _in - I _out )

(35)

Βασικά κυκλώματα ενός τρανζίστορ

Κοινής πηγής Κοινού εκπομπού

Κοινής πύλης Κοινού βάσης

Ακόλουθος πηγής Ακόλουθος εκπομπού

Το διαφορικό ζεύγος αποτελεί το θεμελιώδες κύκλωμα 2 τρανζίστορ

(36)

Μερικές διατάξεις MOS τρανζίστορ

GND

10μA V

_dd

GND

V _out V _in

500μA V

_dd

100pA V

_dd

V _out V _in

GND

V _out V _in

Subthreshold MOS Above threshold MOS Subthreshold MOS

(37)

Εξισώσεις MOS – above threshold

I = (K/2k) ( (k(V _g - V _T ) - V _s ) ² - (k(V _g - V _T ) - V _d ) ² )

Κόρος: Q _d = 0

I = (K/2κ) ( (κ(V _g - V _T ) - V _s ) ²

AN k = 1 (αγνοούμε τα back-gate φαινόμενα):

I = (K/2) ( 2(V _gs - V _T ) V _ds - V _ds ² )

(38)

Διαγράμματα Gummel

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

10^-12 10^-11 10^-10 10^-9 10^-8 10^-7 10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 10^-2

Base-Emitter Voltage (V)

Currents

Ic: n=1, Is = 5.52fA

Ib: n=1.019, Is = 0.048fA

(39)

Μοντέλο μικρού σήματος

g _m r _o

r _π BJT

Above VT MOSFET

A _v

∞

(U _T β) / I I / U _T

κI / U

2I / ( ^V ₁ ^-V ₂ ^-V _T )

V _A / I V _A / I V / I

V _A / U _T

κV / U

2V _A / ( ^V ₁ ^-V ₂ ^-V _T )

g _m V r _o

V ₃

V ₂ V ₂

r _π

V ₁ +

V - V ₃

V ₂ V ₁

V ₃

V ₂ V ₁

I I

(40)

Φάσμα των «φορτίων» ενός ενισχυτή

V

_dd

GND R

₁

V _out V _in

10μA V

_dd

GND

V _out V _in

V

_b

V

_dd

GND

V _out V _in

Ιδανικό φορτίο

πηγής ρεύματος τρανζίστορ φορτίο

πηγής ρεύματος ωμικό φορτίο

Τα τρανζίστορ ενός chip είναι ακριβά

(41)

Κυκλώματα ακόλουθου MOS

(42)

BJT ενισχυτές – με μια ματιά

Κοινού συλλέκτη (ακόλουθος εκπομπού)

C

e o

o o

B E

B i

E E

C f R

r r r r

r R r

R r

R R

r R r

r A R

ι ι

π π π π π υ

π

β β

β β β

2 1

) )(

1 (

) (

)]

1 )(

||

( [

||

) 1 1 )(

||

(

) 1 )(

||

(

0 0 0

=

= + ≈

= +

≈ +

+

=

+ ≈ +

= +

b e E C

o o

B i

e C C

o C

C r R C

f R r R

r R R

r r r R

A

) (

1 2 1

||

)

||

(

+ +

=

−

=

−

≈

−

=

ι ι

π

π π

υ

π

β β

b e E C

e o

e E B

i

E C e

E C

C r R

C f R

r R

r R R

R

R R r

R A R

) (

1 2 1

)]

( [

||

2 1

1 1

+ +

=

+

=

− + ≈

−

=

ι ι υ

π

β

Κοινού εκπομπού Κοινού εκπομπού με αντίσταση εκπομπού)

(43)

Με μια ματιά…

Συμπεριφορά μικρού σήματος

Αντίσταση εισόδου

Αντίσταση εξόδου

Κέρδος τάσης Κέρδος ρεύματος

Συμπεριφορά μικρού σήματος

Αντίσταση εισόδου Αντίσταση εξόδου

Κέρδος τάσης

Κέρδος ρεύματος

BJT Ενισχυτές ενός τρανζίστορ

MOS Ενισχυτές ενός τρανζίστορ

Κοινού εκπομπού Κοινής βάσης Κοινού συλλέκτη

Κοινής πηγής Κοινής πύλης Κοινού απαγωγού

(44)

ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΜΙΑΣ ΒΑΘΜΙΔΑΣ

ΔΙΑΛΕΞΗ 1

Ενισχυτές ενός τρανζίστορ

Ο στόχος αυτής της παρουσίασης είναι 1. Μελέτη των χαρακτηριστικών ενός

ενισχυτή

2. Ανάλυση του ενισχυτή χρησιμοποιώντας

ωμικά φορτία

Χαρακτηριστικά Ενισχυτών

• Μεταφορά τάσης μεγάλου σήματος (.DC)

• Περιορισμοί ταλάντωσης της τάσης μεγάλου σήματος (.DC & .TRAN)

• Μικρό σήμα, λειτουργία-απόδοση μη-εξαρτημένης από συχνότητα

• Κέρδος

• Αντίσταση εισόδου/εξόδου

• Μικρό σήμα, απόκριση συχνότητας (.AC)

• Θόρυβος (.NOISE)

• Κατανάλωση ενέργειας (.OP)

• Slew rate (.TRAN)

Τύποι τρανζίστορ

Κοινού

εκπομπού Κοινής βάσης Κοινού συλλέκτη Degeneration εκπομπού

Κοινής πύλης Κοινού πύλης Κοινού επαγωγού degeneration πηγής

Ροή ρεύματος στις αντιστάσεις

• Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι τα ac σήματα μπορούν να «ρέουν» σε και από ορισμένες

αντιστάσεις

• Κανόνες

– Ο συλλέκτης ή ο drain δεν είναι είσοδοι – Η βάση ή η πύλη δεν είναι έξοδοι

• Επιπλέον μερικοί «δρόμοι» σημάτων αντιστρέφουν την πολικότητα.

– Ο «δρόμος» βάση-συλλέκτη ή gate-drain αντιστρέφει την πολικότητα. Οι υπόλοιποι συνδυασμοί δεν αντιστρέφουν την πολικότητα.

(Υποθέτουμε ότι δεν υπάρχουν reactive στοιχεία τα οποία προκαλούν μετατόπιση φάσης)

BJT ενισχυτές ενός τρανζίστορ

Μεγάλο σήμα

Μικρό σήμα

C in

out C

C m

in out C

C out

m in

C A t

C m

R r

r i

i R

r

R r g v

v R

r R R r

r g R

I r V V

g I

= + +

= −

= +

=

=

=

=

0 0 0 0

0 0

0 0

0

, ,

, β

β

π

(Σε αρκετές περιπτώσεις πρέπει να θεωρήσουμε μια αντίσταση πηγής Rs σε σειρά με την

είσοδο)

Βασικά κυκλώματα ενός τρανζίστορ

• Ακόλουθος πηγής ή ακόλουθος εκπομπού

– Απομονώνει την είσοδο από την έξοδο – Για ιδανική πηγή ρεύματος έχω:

I bias = I eo e (Vin -Vout )/U T

V out = -U T ln(I bias /I eo ) + V in

Δ V out = Δ V in

I bias = I bias e (ΔVin -ΔVout )/U T 100μA V

GND

V out

V in

Βασικά κυκλώματα ενός τρανζίστορ (2)

• Για ιδανική πηγή ρεύματος έχω:

• Τρανζίστορ ως πηγή ρεύματος

I _bias = I _eo e (Vin -Vout )/U _T

V _out = -U _T ln(I _bias /I _eo ) + V _in

Δ V _out = Δ V _in

I _bias = I _bias e (ΔVin -ΔVout )/U _T 100μA V

V _out

V _in

V _out V _in

I _bias = I _o e ^κVin/U ^T e ^-Vout/U ^T

V _out = U _T ln(I _bias /I _o ) + κ V _in

Δ V _out = κ Δ V _in

I _bias = I _bias e ^κΔVin/U ^T e ^-ΔVout/U ^T

I _d = I _bias e ^Vout/V ^A = I _o e ^κVin/U ^T e ^-Vout/U ^T

V _out = U _T ln(I _bias /I _o ) + (κ // ( V _A /U _T ))V _in

– g _m