
- •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 транзистора
в пологой области ВАХ, т.е. при
должно быть
.
Далее очевидно:
,
(3.98а)
В выражении (3.98а):
(3.98b)
(3.98с)
При увеличении
входного синфазного потенциала при
потенциалы
и
не изменяются (см выше), следовательно
напряжения сток-исток транзисторов
и
уменьшаются, а потенциал
и пороговые напряжения этих транзисторов
увеличиваются. При этом для
:
.
(3.99)
При достижении
необходимость нахождения транзисторов
и
в пологой области ВАХ определяет
следующее условие:
(3.100)
С учетом (3.99) имеем:
(3.101)
Потенциал
,
согласно (3.98b),
является функцией
.
Определяя
из (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
и
и при
сумма токов
и
равна 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 узлу
из источника напряжения
.
Через транзистор
в источник режимного тока и далее в
источник напряжения
утекает 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 ток
уменьшился в точности на такую же
величину, на которую увеличился ток
,несмотря
на отсутствие в (3.101b)
сигнала
.
Поскольку токи
и
не равны, то единственным путем тока,
равного разности
и
,
является путь в нагрузку. Поскольку
выходное сопротивление
дифкаскада 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 сопротивления
и
,
пренебрежимо малы по сравнению с
задержкой фазы, обязанной параметрам
выходного узла. В связи с этим малосигнальная
АЧХ дифкаскада при
в минимальной степени отличается от
однополюсной АЧХ простейшего дифкаскада
(см. выражение (3.14)), и выражение для
можно считать аналогичным выражению
(3.23):
(3.106)
Очевидно, что
увеличение абсолютной величины
ведет
ко все большему различию абсолютных
величин
и
.
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
и
однозначно
зависят от входного сигнала. Этот режим
работы дифкаскада является активным,
и емкость
перезаряжается разностью токов
и
согласно выражению (3.102).
(**) В
граничном состоянии имеем
.
Согласно (3.107d),
потенциал
увеличился на
по сравнению с режимом покоя, когда
(как упоминалось выше, при несимметричном
входном сигнале именно эффект увеличения
является причиной уменьшения тока
при увеличении тока
).
В результате
,
и весь режимный ток
течет только через транзисторы
и
,
«отражается» в
,
и емкость нагрузки заряжается в
направлении положительного напряжения
питания
постоянным током
.
При этом потенциал
увеличился на
.
(***) Если
(3.108b)
то дифкаскад
полностью работает вне активного режима,
,
емкость нагрузки заряжается в направлении
положительного напряжения питания
нерегулируемым
постоянным током
,
а потенциал
«следит» за потенциалом
,
как в истоковом повторителе на транзисторе
,
начиная с величины
относительно 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 величины
относительно величины режима покоя,
когда
.