
- •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
3.4.1. Выходное сопротивление и входная емкость истокового
повторителя
Активное выходное сопротивление в низкочастотной области определяется согласно эквивалентной малосигнальной схеме на рис. 3.17b).
Уравнение Кирхгофа:
(3.64)
Отсюда:
(3.65)
Отрицательный
знак у выражения для выходного
сопротивления
истокового повторителя, не имеет
значения, поскольку он лишь выражаетуменьшение
выходного напряжения
приувеличении
значения параметра
.
В любом случае выходное сопротивление
истокового повторителя выражается его
абсолютной величиной.Выражение
для выходного сопротивления аналогично
выражению (3.50) для диода. Малое
значение выходного сопротивления также
обусловлено 100% обратной связью.
Определенное
выше значение выходного сопротивления
истокового
повторителя, с очевидностью, также
получено из формального
расчета передаточной функции.
Проведем элементарный анализ входной емкости истокового повторителя согласно схеме на рис. 3.17(b).
На значение входной
емкости, как и в случае с усилителем,
влияют внутренние емкости транзистора
и
.
В отличие от инвертирующего усилителя,
сток повторителя заземлен по переменному
току, а потенциал истока «следит» за
потенциалом затвора (входа). При подаче
на вход повторителя переменного сигнала
заряды
и соответственно равны:
(3.66а)
(3.66b)
Здесь
,
а
– коэффициент передачи повторителя.
Согласно (3.49), коэффициент передачи
близок к единице, т.е. можно записать
(3.67)
Суммарная входная
емкость
определяется выражением:
(3.68)
Как видно из (3.63), (3.65) и (3.68), выходное сопротивление и входная емкость истокового повторителя весьма малы, что делает его привлекательным для использования в качестве промежуточного буфера, работающего на нагрузку, содержащую относительно низкоомный резистор и/или конденсатор большой емкости.
3.5. Метод увеличения выходного сопротивления усилителя
Базовый усилительный
каскад (сейчас и в дальнейшем будем по
умолчанию подразумевать каскад с
активной нагрузкой) содержит транзисторы
обоих типов проводимости, и для увеличения
его коэффициента усиления
необходимо найти метод увеличения
выходных сопротивлений
транзисторов обоих типов. Метод будем
иллюстрировать на примере транзисторов
одного типа (например,N-типа).
Для исключения влияния на результат
транзисторов нагрузки другого, типа
заменим реальную нагрузку идеальным
источником тока.
На рис. 3.20а изображен
усилительный каскад, где в исток входного
транзистора помещен резистор
.
Будем рассматривать
выходное сопротивление
каскада на низких частотах (в пределе
– на постоянном токе), когда влиянием
всех емкостей можно пренебречь, и
параметр
неизбежно оказываетсядействительным.
Эквивалентная малосигнальная схема
усилительного каскада с резистором в
истоке приведена на рис. 3.17b.
(а) (b)
Рис. 3.20. Усилительный
каскад с резистором
в истоке входного транзистора
и с источником постоянного режимного
тока
в качестве
нагрузки: (а) электрическая схема;
(b)
малосигнальная эквивалентная схема
для расчета низкочастотного активного
выходного сопротивления
(и
– соответственно крутизна по затвору
и дифференциальное сопротивление сток
– исток в пологой области транзистора
).
Согласно малосигнальной эквивалентной схеме каскада, составляем два
уравнения Кирхгофа
(по количеству узлов в схеме). В целях
упрощения анализа, пренебрегаем влиянием
общей подложки, поскольку, во-первых,
ее учет не вносит принципиально новых
эффектов и, во-вторых, крутизна
по подложке в несколько раз меньше
крутизны
по затвору.
(3.69а)
(3.69b)
Решая систему, получаем:
(3.70)
Видно, что выходное
сопротивление каскада с общим истоком
после включения резистора
в исток входного транзистора цепь
резистора увеличилось по сравнению с
не просто на величину
,
а более, чем в
раз.
Физическое
объяснение эффекта следующее. При
увеличении выходного напряжения
,
т.е. напряжения сток-исток
транзистора в пологой области, ток
в нем растет. Однако при этом увеличивается
напряжение
на резисторе
и, соответственно, растет потенциал
истока
.
Поскольку, при расчете выходного
сопротивления схемы на рис. 3.17, напряжение
на затворе
входного транзистора
по определению постоянно, то уменьшается
превышение над порогом
.
Последнее означает, что ток в пологой
области через транзистор
растет в меньшей степени, чем при
отсутствии
.
Очевидно, что для
увеличения
необходимо увеличивать
,
но при этом неизбежно уменьшается
режимный ток, крутизна
транзистора и, соответственно, уменьшается
быстродействие каскада. Покажем, что
при этом в схеме на рис. 3.17а, несмотря
на увеличение
,усиление не
увеличивается.
Это утверждение достаточно очевидно,
поскольку ток во входном транзисторе
является также током в резисторе
и, поэтому, определяется не только
крутизной транзистора, но и сопротивлением
в его истоке.
Приложение. Задача 3.1.
Подтвердим
рассуждения в последнем абзаце прямым
расчетом коэффициента усиления схемы
на рис. 3.17 и определим эффективную (т.е.
сниженную) крутизну входного транзистора
,
при которой усиление, как ожидается,
получится низким.
Уравнения Кирхгофа для схемы на рис. 3.17:
(П3.1)
(П3.2)
Решая систему (),
получаем:
(П3.3)
Как видно из (П3.3),
коэффициент усиления усилителя
с идеальной токовой нагрузкой и резистором
в истоке идентичен коэффициенту усиления
усилителя без резистора. Формально,
согласно выражению (), это следует из
равенства
,
т.е. узел А проявляет себя как источник
постоянного напряжения.
Перепишем выражение
(П3.3), умножив и разделив его на
из (3.70):
(П3.4))
Здесь
(П3.5))
Как видно из (),
эффективная крутизна транзистора
уменьшилась в такой же мере, в какой
увеличилось выходное сопротивление, и
коэффициент усиления остался таким же,
как при отсутствии резистора
.
При
эффективная крутизна транзистора
максимальна и равна
,
однако выходное сопротивление каскада
минимально и равно
.