- •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
3.8.1. Допустимый диапазон входного синфазного напряжения
Определим значение допустимого диапазона входного синфазного напряжения для дифкаскада с n-канальным входом при . Условие допустимости конкретного синфазного потенциала:все транзисторы должны находиться в пологой области ВАХ.
Минимальный входной синфазный потенциал определяет условие нахождения транзисторав пологой области ВАХ, т.е. придолжно быть. Далее очевидно:
, (3.98а)
В выражении (3.98а):
(3.98b)
(3.98с)
При увеличении входного синфазного потенциала при потенциалыине изменяются (см выше), следовательно напряжения сток-исток транзисторовиуменьшаются, а потенциали пороговые напряжения этих транзисторов увеличиваются. При этом для:
. (3.99)
При достижении необходимость нахождения транзисторовив пологой области ВАХ определяет следующее условие:
(3.100)
С учетом (3.99) имеем:
(3.101)
Потенциал , согласно (3.98b), является функцией . Определяяиз (3.100) и подставляя в выражение для, легко убедиться, что при реально встречающихся напряжениях питания
(3.102)
Из (3.102) следует, что, как правило,
(3.103)
Диапазон дифкаскада с р-канальным входом определяется аналогично.
3.8.2. Дифференциальный каскад как источник тока, управляемый входным напряжением. Несимметричный и симметричный входные сигналы
Далее везде (если другое не указано) при любых значениях входных сигналов ии присумма токовиравна режимному току,, т.е.
, (3.99а)
В этом случае для переменных составляющих этих токов всегда
. (3.99b)
(1) Пусть на дифференциальные входы дифкаскада подается несимметричный входной переменный сигнал : и. (3.100)
Имеем: (3.101а)
Ток притекает к выходному узлуиз источника напряжения.
Через транзистор в источник режимного тока и далее в источник напряженияутекает ток. (3.101b)
Отметим, что в выражениях (3.101а) и (3.101b) потенциал является функцией(см. ниже), и именно этот эффект является причиной того, что токуменьшился в точности на такую же величину, на которую увеличился ток ,несмотря на отсутствие в (3.101b) сигнала .
Поскольку токи ине равны, то единственным путем тока, равного разностии, является путь в нагрузку. Поскольку выходное сопротивлениедифкаскада высокое, определяемое сопротивлениями исток-сток в пологой области, то единственно приемлемым типом нагрузки являетсяемкость, например, затвор другого КМДП усилительного каскада, поскольку резистор в нагрузке уменьшит значение . Таким образом,в нагрузку течет дифференциальный ток , равный разности токов и:
(3.102)
Если (условиемалого входного сигнала), то
(3.103)
Результат (3.103) позволяет в качестве малосигнальной эквивалентной схемы дифкаскада использовать эквивалентную схему простейшего усилителя на рис. 3.7b.
Малосигнальный низкочастотный коэффициент усиления дифкаскада длянесимметричного входного сигнала:
(3.104)
В выражении (3.104) (3.105)
– выходное сопротивление дифкаскада.
Дифкаскад является однокаскадным усилителем, поскольку в нагрузку течет переменный ток, образованный непосредственно во входных транзисторах.
Поскольку выходные сопротивления в узлах А и В низкие, а паразитные емкости в них также невелики (как правило, много меньшие типичной емкости в выходном узле), то задержка фазы сигнала, обязанная постоянным времени перезарядки паразитных емкостей в узлах А и В через их выходные сопротивленияи, пренебрежимо малы по сравнению с задержкой фазы, обязанной параметрам выходного узла. В связи с этим малосигнальная АЧХ дифкаскада прив минимальной степени отличается от однополюсной АЧХ простейшего дифкаскада (см. выражение (3.14)), и выражение дляможно считать аналогичным выражению (3.23):
(3.106)
Очевидно, что увеличение абсолютной величины ведет ко все большему различию абсолютных величини. Рассмотрим поведение дифкаскада при возрастании.
Подставляя (3.101а) и (3.101b) в (3.99а), нетрудно получить:
(3.107а)
Пользуясь равенством при условии
(3.107b)
выражение (3.107а) переписываем в виде:
(3.107с)
или (3.107d)
Из (3.107) можно сделать следующие выводы.
(*) Если (3.108а)
то в обоих транзисторах М1 и М2 токи иоднозначно зависят от входного сигнала. Этот режим работы дифкаскада является активным, и емкость перезаряжается разностью токовисогласно выражению (3.102).
(**) В граничном состоянии имеем . Согласно (3.107d), потенциал увеличился напо сравнению с режимом покоя, когда(как упоминалось выше, при несимметричном входном сигнале именно эффект увеличенияявляется причиной уменьшения токапри увеличении тока ). В результате , и весь режимный токтечет только через транзисторыи, «отражается» в, и емкость нагрузки заряжается в направлении положительного напряжения питанияпостоянным током. При этом потенциалувеличился на.
(***) Если (3.108b)
то дифкаскад полностью работает вне активного режима, , емкость нагрузки заряжается в направлении положительного напряжения питаниянерегулируемым постоянным током , а потенциал«следит» за потенциалом, как в истоковом повторителе на транзисторе, начиная с величиныотносительно величины режима покоя, когда.
(2) Пусть на входы дифкаскада подается симметричный сигнал:
; . (3.109)
(3.110)
Из (3.110)следует, что при симметричном сигнале на входе дифкаскада на базе транзисторов с квадратичными характеристиками система остается линейной не только для малых сигналов, для которых необходимо . Достаточно, чтобы выполнялось условие, т.е. условие работы дифкаскада лишьв активном режиме.
Проанализируем поведение дифкаскада при увеличении .
Подставляя (3.109) в выражения для М1 и М2, а последние – в (3.99а), получаем:
(3.111а)
или (3.111b)
(****) При (3.112а)
дифкаскад работает в активном режиме. При этом в 2 раза меньшее изменение потенциала в сравнении с режимом несимметричного входного сигнала, снижает вклад узла В в паразитное отставание фазы сигнала, проходящего через дифкаскад.
(*****) Режим большого сигнала наступает при . (3.112b)
При этом потенциал «следит» за потенциалом, как в истоковом повторителе на транзисторе, начиная с величиныотносительно величины режима покоя, когда.