
- •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
3.3.1. Формирование режимных потенциалов в простейшем усилителе с общим истоком
Токовое зеркало представляет практически универсальный метод создания постоянных режимных смещений на затворы транзисторов. Ниже этот метод использован для формирования постоянных рабочих смещений на затворах усилителя ПЕРЕМЕННОГО тока с общим истоком (см. рис. 3.16).
Рис. 3.16. Усилитель переменного тока (выделен пунктиром).
На рис. 3.16 через
p-канальный
транзистор
течет известный постоянный базовый
режимный ток
.
Транзистор
генерирует зеркальный ток, величина
которого равна:
(3.57)
Ток
течет через диод
,
на котором напряжение
равно:
(3.58)
Постоянное
напряжение
через резистор
подается на затвор входного транзистора
усилителя с общим истоком и активной
нагрузкой (усилитель обведен пунктиром).
На затвор нагрузочного транзистора
с диода
подается тот же потенциал, что на затвор
транзистора
.
Если ширины каналов пар транзисторов
и
пропорциональны, т.е выполняется
соотношение
(3.59)
то, ввиду равенства
потенциалов на затворах и истоках, а,
согласно (3.59), – также одинаковых
значений плотностей токов на единицу
ширины канала в каждой паре транзисторов,
потенциалы стоков
транзисторов в каждой паре также
одинаковы, т.е.
,
ирежимные
токи в обоих транзисторах усилителя
одинаковы,
что необходимо для адекватной его
работы.
Поскольку затвор
входного транзистора
усилителя обязан бытьгальванияески
связанным с диодом
,
то, в связи
с низким выходным сопротивлением этого
диода, между ним и затвором
помещен высокоомный резистор
,
не мешающий передачи постоянного
потенциала диода
на затвор транзистора
.
Развязка по постоянному току входной
цепи усилителя с общим истоком и цепи
входного сигнала производится включением
между ними разделительного конденсатора
.
Достаточно высокое значение сопротивления
обеспечивает близкий к единице коэффициент
передачи делителя
от входа
в узел А, т.е. на затвор входн транзистора.
Другими словами, собственная частота
действительного полюса
должна быть много меньше минимальной
частоты
низкочастотной части спектра входного
сигнала.
3.4. Истоковый повторитель
Рассмотрим истоковый
повторитель напряжения, как еще одну
простейшую базовую схему с низким
выходным сопротивлением. Истоковый
повторитель напряжения изображен на
рис. 3.17(а). Входной сигнал
подается на затвор транзистора
.
Транзистор
с постоянным напряжением
на затворе выполняет роль генератора
режимного тока
.
Выходное напряжение определяется, в
первом приближении, очевидно, по формуле:
Рис. 17. Истоковый повторитель напряжения: (а) электрическая схема; (b) зависимости выходного напряжения в истоковом повторителе от входного.
(3.60a)
Пороговое напряжение
транзистора с учетом напряжения
между истоком и подложкой определяется
из следующего выражения (см. главуII):
(3.60b)
Из (3.60a)
следует, что изменение
в общих чертах «повторяет»изменение
,
т.е. «повторяет» переменную составляющую
.
Рисунок 3.18 иллюстрирует зависимости
от
(передаточные характеристики истокового
повторителя) для различных случаев, в
том числе гипотетических. Как следует
из анализа (3.60a),
а также очевидно из рис. 3.17(b),
дифференциальный коэффициент передачи
истокового повторителя меньше единицы.
Отличие его от единицы определяется не
только зависимостью порогового напряжения
от смещения истока относительно подложки,
но также явствует из анализа передаточной
функции, которую получаем даже из
упрощенной (не учитывается влияние
подложки, как второго затвора) эквивалентной
малосигнальной схемы истокового
повторителя на рис. 3.19(а).
Рис. 3.18 . Передаточные характеристики истокового повторителя.
Уравнение Кирхгофа:
(3.61а)
В выражении (3.61а):
(3.61b)
Передаточная функция истокового повторителя:
(3.62)
Как видно, чем
больше значения
и
,
тем ближедифференциальный
коэффициент передачи повторителя к
единице.
Рис. 3.19. Эквивалентные малосигнальные схемы истокового повторителя: (а) для расчета малосигнальной передаточной характеристики; (b) для расчета выходного сопротивления.
С учетом (3.49) выражение (3.62) упрощается:
(3.63)
Выражения (3.63) и
(3.62) по форме аналогичны выражению (1.8)
для передаточной функции простейшей
интегрирующей RC
цепочки, что дает основание в (3.63) и
(3.62) назвать параметр
выходным сопротивлением истокового
повторителя. Прямой расчет выходного
сопротивления истокового повторителя
проведен в следующем разделе.