- •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
3.6.2. Роль емкости в выходном узле каскодного усилителя.
Диапазон изменения напряжения на выходе каскодного усилителя
Следует отметить, что выражение (3.80) представляет замечательный результат. Из него следует, что в узле А истока каскодного транзистора выходное сопротивление идентично сопротивлению на выходе истокового повторителя, несмотря на то, что в истоковом повторителе сток транзистора непосредственно присоединен к источнику напряжения, а в каскодном усилителе
– посредством источника тока. В последнем случае ток, втекающий в каскодный транзистор должен быть постоянным и не зависеть от сигнала, что при идеальной токовой нагрузке предполагает бесконечное сопротивление в узле А.
Проведем прямой расчет выходного сопротивления в узле А используемым ранее методом, предполагаемым исключение всех реактивных элементов. Нагрузочный элемент, в целях общности, является не идеальным источником тока, а обычно используемой каскодной сборкой транзисторов противоположного типа с ограниченным, хотя и высоким значением дифференциального сопротивления . Соответствующие электрическая схема каскодного усилителя с общим истоком и эквивалентная малосигнальная схема расчета выходного сопротивления в узле А приведены на рис. 3.23.
Рис. 3.23. (а) базовый каскодный усилитель с общим истоком; (b) эквивалентная схема базового каскодного усилителя с резистором в нагрузке для расчета выходного сопротивленияв узле А. Все реактивные элементы исключены.
Система уравнений Кирхгофа:
(3.84а)
(3.84b)
Из (3.84) получаем выражение для низкочастотного активного выходного сопротивления узла А:
(3.85а)
При стандартном условии выражение (3.85а) упрощается:
(3.85b)
Нагрузка обычно представляет собой каскодную пару РМДП транзисторов с параметрами, близкими к параметрам NМДП транзисторов М1 и М2, т.е. . Исходя из этого можно оценить:
(3.85с)
Итак, для эквивалентной схемы на рис. 3.23b значение низкочастотного активного выходного сопротивления в узле А получаетсянежелательно высоким.
Если уменьшить хотя бы до значения, то тогда, что еще допустимо, но при этом коэффициент усиления будет ниже враз, т.е. потеряет смысл добавление каскодного транзистора. Физически большое выходное сопротивление в истокеМ2 получено из—за ограничения резистором пределов изменения токав стоке транзистора М2.
Спасением ситуации служит добавление к выходному узлу нагрузочной емкости , которая является накопителем заряда и которая поставляет этот заряд в каналМ2 при необходимости изменения в нем тока. Иначе говоря, конденсатор , являясь источником заряда, фактически служит виртуальным источником питания на достаточно больших частотах, когда за период колебаний заряд и потенциал на конденсатореизменяются незначительно. Последнее же как раз и является формальным признаком того, что узел подключен к источнику питания т.е. к «земле» для малого переменного сигнала большой частоты.
Выполнение конденсатором роли виртуального источника питаниятолько на высоких частотах является вполне достаточным, поскольку опасность нежелательных фазовых сдвигов появляется именно на больших частотах, сравнимых с частотой .
Искусственно вводить емкость также не требуется, поскольку каскодный усилительвсегда работает на какую-нибудь емкостную нагрузку, что внутренне присуще КМДП ИС.
В дополнение к представленным выше замечательным качествам, каскодный усилитель имеет (вероятно, для равновесия) не менее значимое отрицательное качество, а, именно, уменьшенный диапазон изменения выходного напряжения в сравнении с НЕкаскодным усилителем.