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 1

Цель работы:

Изучение схемы токового зеркала и усилителя с активной нагрузкой.

Задание:

1. Создать схему и провести DC моделирования токового зеркала (она же схема формирования опорных напряжений)

2. Создать схему и провести DC, временное и частотное моделирование усилителя с активной нагрузкой

3. Рассчитать выходную ёмкость, сопротивление, коэффициент усиления, частоту среза усилителя с размерами транзисторов по варианту

4. Установить режимный ток усилителя для достижения заданного по варианту времени нарастания выходного сигнала

Параметры по варианту:

№ варианта	Время нарастания выходного сигнала, нс	Ширина n-транзистора усилителя, мкм	Длина n-транзистора усилителя, мкм
1	6	4	0,35

Выполнение работы

1. Ввод системы простого токового зеркала

Рисунок 1. Электрическая схема простого токового зеркала

Рисунок 2. График зависимости тока через резистор от номинала источника питания

2. Моделирование усилителя с активной нагрузкой

Рисунок 3.Схема усилителя с активной нагрузкой

Рисунок 4. АЧХ и ФЧХ на выходе усилителя

С помощью маркеров установили, что частота по уровню -3дБ примерно равна 2.7МГЦ.

Рисунок 5. Амплитуда на выходе и время нарастания сигнала

Амплитуда на выходе - 2.07 В

Время нарастания сигнала – 10.7 нс

3. Расчет паразитной ёмкости на выходе усилителя согласно варианту

Площади дна стока (AD) и истока (AS):

AD = AS = (0.3 + 0.4 + 0.15) * 4 = 3.4

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

PD = PS = 2 * (0.3 + 0.4 + 0.15) + 4 = 5.7

Кол-во квадратов в диффузионных областях протекания для стока и истока:

NRD = NRS = 8

Емкость сток-подложка:

Для р-канального:

Для n-канального

Расчеты производились в среде MatLab.

Скрипт:

Wn=4*10^(-6);

Ln=0.35*10^(-6);

Wp=4*10^(-6);

Lp=0.35*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))

4. Расчет усиление и полосы усилителя

Результаты расчетов в среде MatLab:

gdsn=66.06*10^ (-6);

gdsp=11.91*10^ (-6);

gmn=328.9*10^ (-9);

CBDp = 8.3810e-015;

CBDn = 4.8400e-015;

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)

Cout = 1.0132e-012

Rout = 1.2825e+004

Gain = 0.0042

Gain3db = 0.0030

f = 1.2180e+007

X = -47.4973

Напряжение на выходе в 0.0042 раза больше, чем на входе, что равно 47 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

Установка режимного тока для достижения заданного времени нарастания выходного сигнала

Рисунок 11 – Результаты параметрического моделирования

Как видно из рисунка, выделенному графику соответствует сопротивление 544 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