- •1. Введение в анализ и синтез базовых узлов линейной обработки
- •1.1. Преобразование Лапласа как метод анализа линейных схем
- •1.2. Примеры расчета передаточных функций некоторых пассивных
- •1.2.1. Пассивный rc фильтр низких частот первого порядка
- •1.2.2. Простейший пассивный rlc фильтр низких частот
- •1.3. Примеры расчета передаточных функций простейших активных
- •1.3.1. Неинвертирующий усилитель
- •1.3.2. Инвертирующий усилитель
- •1.3.3. Активный инвертирующий интегратор
- •1.4. Введение в реализацию arc биквада
- •1.4.1. Принцип масштабирования пассивных элементов в arc фильтрах
- •1.5. Введение в концепцию переключаемых конденсаторов
- •1.5.1. Неинвертирующий переключаемый конденсатор с задержкой,
- •1.5.2. Неинвертирующий переключаемый конденсатор без задержки,
- •1.5.3. Инвертирующий пк интегратор без задержки, не чувствительный
- •1.5.4. Инвертирующий переключаемый конденсатор с задержкой,
- •1.5.5. Неинвертирующий пк интегратор с задержкой
- •1.6. Реализация биквада на базе переключаемых конденсаторах
- •1.7. Дискретизация аналогового сигнала. Идеальные выборки
- •1.7.1. Передаточная функция пк интегратора без задержки
- •1.7.2. Передаточная функция пк интегратора с задержкой
- •Модели элементов интегральных схем
- •3. Базовые элементы кмдп операционных усилителей
- •3.1. Простейший усилитель напряжения с общим истоком
- •3.1.1. Простейший усилительный каскад с общим истоком и активной
- •3.1.2. Малосигнальные характеристики простейшего кмдп усилителя
- •3.1.3. Частота единичного усиления простейшего усилителя
- •3.1.4. Соотношение малосигнальных параметров простейшего
- •3.1.5. Простейший усилитель в режиме большого сигнала
- •3.1.6. Расчет выходного сопротивления
- •3.1.7. Элементарный анализ величины входной емкости. Емкость Миллера
- •3.1.8. Пример топологии простейшего усилителя
- •3.2. Выходное сопротивление и коэффициент передачи каскада с диодом в нагрузке
- •3.3. Токовое зеркало
- •3.3.1. Формирование режимных потенциалов в простейшем усилителе с общим истоком
- •3.4. Истоковый повторитель
- •3.4.1. Выходное сопротивление и входная емкость истокового
- •3.5. Метод увеличения выходного сопротивления усилителя
- •3.6. Каскодный усилитель
- •3.6.1. Передаточная функция простейшего каскодного усилителя с идеальной токовой нагрузкой
- •3.6.2. Роль емкости в выходном узле каскодного усилителя.
- •3.6.3. Диапазон изменения выходного напряжения
- •3.6.4. Схемы формирования постоянного смещения на затворе каскодного транзистора.
- •3.6.5. Каскодное токовое зеркало
- •3.6.6. Самосмещаемое каскодное токовое зеркало
- •3.7. Концепция активного каскодного транзистора (материал для дополнительного изучения подготовленными студентами с использованием периодической литературы)
- •3.8. Дифференциальный каскад
- •3.8.1. Допустимый диапазон входного синфазного напряжения
- •3.8.2. Дифференциальный каскад как источник тока, управляемый входным напряжением. Несимметричный и симметричный входные сигналы
- •4. Архитектуры кмдп операционных усилителей
- •4.1. Методика оценки малосигнальных характеристик операционного усилителя
- •4.1.1. Методика замены нескольких действительных неосновных полюсов в передаточной функции операционного усилителя одним «эффективным» неосновным полюсом
- •4.1.2. Расчет запаса фазы операционного усилителя с действительными
- •4.2. Однокаскадные операционные усилители как операционные
- •4.2.1. «Телескопический» оитун
- •4.2.1.1. Базовые характеристики «телескопического» оитун
- •4.2.1.2. Упрощенная методика расчета фазы в «телескопическом» усилителе
- •4.2.1.3. Оценка частот неосновных полюсов «телескопического» оитун
- •4.2.1.4. Анализ переходных процессов
- •4.2.2. «Согнутый» каскодный оитун с р-канальным входом
- •4.2.2.1. Диапазоны входного синфазного и выходного напряжений
- •4.2.2.2. Режим малого сигнала
- •4.2.2.3. Переходной процесс в режиме большого сигнала
- •4.2.3. «Согнутый» каскодный оитун с n-канальным входом
- •4.3. Двухкаскадный операционный усилитель (оитун)
- •4.3.1. Базовая схема двухкаскадного оитун
- •4.3.2. Эквивалентная малосигнальная схема двухкаскадного усилителя
- •4.3.3. Передаточная функция двухкаскадного усилителя
- •4.3.4. Соотношение частот неосновного полюса, нуля и частоты единичного усиления
- •4.3.5. Частота единичного усиления двухкаскадного оитун
- •4.3.7. Реакция двухкаскадного оитун на большой входной сигнал.
- •4.3.8. Реакция двухкаскадного оитун на большой синусоидальный
- •4.3.9. Распространенная архитектура двухкаскадного оитун
- •5. Шум и его анализ в кмдп аналоговых имс
- •5.1. Основные определения
- •5.1.1. Cуммирование шумов
- •5.1.2. Анализ шума в частотной области
- •5.2. Пример расчета шума arc фильтра первого порядка
- •5.2.1. Реакция на шумовой источник тока
- •5.2.2. Реакция на шумовой источник тока
- •5.2.3. Реакция на шумовой источник напряжения
- •5.4. Приведенный ко входу собственный «белый» шум повторителя
- •5.5. Собственный шум многокаскадного усилителя
- •5.6. Шум каскодного усилителя
- •6. Полностью дифференциальные оитун
- •6.1. Базовая архитектура полностью дифференциальных схем
- •6.2. Принципиальные преимущества полностью дифференциальных схем
- •6.2.1. Зависимость потенциала общего истока дифкаскада от сигнала
- •6.3. Принципиальные недостатки полностью дифференциальных схем
- •6.4. Варианты непрерывных во времени схем синфазной обратной связи (сос).
- •6.4.1. Схема с ограниченным диапазоном входных сигналов.
- •6.4.2. Непрерывная во времени cхема сос с максимальным диапазоном
- •6.4.3. Варианты схем синфазной обратной связи на базе переключаемых конденсаторов
3.1.1. Простейший усилительный каскад с общим истоком и активной
нагрузкой
Приведем иллюстрацию концепции малого сигнала на примере простейшего усилительного каскада с активной нагрузкой.
Как видно из рис. 3.2, увеличение значениядля увеличения коэффициента усилениякаскада неизбежно приводит к необходимости увеличения величины напряжения питания.
Рис. 3.3: КМДП усилительный каскад с активной нагрузкой
С целью увеличения без необходимости увеличения, практически во всех КМДП аналоговых ИМС используется концепцияактивной нагрузки, при которой роль нагрузочного резистора выполняет выходное сопротивление активного элемента , а, именно, выходное сопротивление сток-исток транзистора противоположного типа проводимости в пологом режиме, т.е. подключенного в качествеисточника постоянного тока. Последнее позволяет также называть каскад с активной нагрузкой каскадом с токовой нагрузкой.
На рис. 3.3 изображен КМДП усилительный каскад с активной (токовой) нагрузкой. На рис. 3.4 изображены ВАХ транзисторов, как входного, n-канального, так и нагрузочного, p-канального.
Рис. 3.4: ВАХ входного и нагрузочного транзисторов.
Из рисунка 3.4 видно, что высокое дифференциальное сопротивление нагрузочного элемента при замене пассивного нагрузочного элемента на активный получено при отсутствии необходимости увеличивать напряжение питания.
С целью дальнейшего анализа каскада с активной (токовой) нагрузкой, к выходу его дополнительно подключены нагрузочные емкость и резистор. При учете паразитной емкостивыхода усилителя, реальная емкостная нагрузка в выходном узле
. (3.5)
Из рис. 3.4 очевидно, что для получения максимального усиления оба транзистора, и входной, и нагрузочный должны находиться в пологой области (при этом напряжение сток-исток для каждого транзистора всегда должно быть больше превышения над порогом). В пологой области сопротивлениетранзистора максимально, и усиление каскада также максимально даже при относительно небольших напряжениях питания. Тем не менее, при работе всех транзисторов в пологой области, каскад может иметь и низкое усиление. На рис. 3.5 приведена иллюстрация зависимости диапазоновизменения выходного напряжения каскада в пологой области при одинаковых приращенияхвходного сигнала, но при отличающихся сопротивлениях сток-истоктранзисторов. Чем больше, тем диапазонв пологой области больше, и усилениекаскада также больше. ВАХ транзисторов с большей величинойизображена на рисунке 3.5 сплошными линиями, а с меньшей – пунктиром.
Рис. 3.5. Зависимости диапазонов изменения выходного напряжения усилительного каскада в пологой области при различных дифференциальных сопротивлениях сток-исток транзисторов.
Диапазон выходного напряжения с максимальным усилением ограничен. При уменьшении напряжения сток-исток любого транзистора до уровня, при котором ВАХ попадает в крутую область, где, и выходное сопротивлениетранзистора уменьшается, сопровождаясь как уменьшением усиления, так и увеличением нелинейных искажений. По этой причине допустимый диапазон изменения выходного напряженияопределяется выражением:
(3.6)
Здесь и– условные граничные напряжения сток-исток перехода ВАХ из крутой области в пологую (или наоборот) дляn-канального и p-канального транзисторов соответственно. На рис. 3.4 приведена иллюстрация максимального диапазона изменения выходного напряжения усилительного каскада.
Положение рабочей точки каскада на выходной ВАХ в пологой области при заданном режимном токе, определяемом нагрузочным транзистором, определяется специальной схемой, содержащей «токовые зеркала» (см. ниже).