
- •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
Какую работу нужно написать?
6. Полностью дифференциальные оитун
6.1. Базовая архитектура полностью дифференциальных схем
Большинство современных дискретно – аналоговых ИМС с высокими характеристиками создаются с применением полностью дифференциальных трактов аналоговой обработки сигнала (также называют – с симметричным выходом). Простой пример, показывающий узлы обработки сигнала с несимметричным и симметричным выходами представлен на рис. 6.1.
Рис. 6.1. Узлы аналоговой обработки сигнала: (a) – с несимметричным выходом; (b) – с симметричным выходом (полностью дифференциальная).
и
– импедансы пассивных цепей обвязки
ОИТУН.
Главной особенностью
полностью дифференциальных схем является
использование как входных, так и выходных
сигналов НЕ
между соответствующим выводом и
аналоговой «землей», а между смежными
симметричными выводами (на рис. 6.1 –
между входами
и
и между выходами
и
).
Эта особенность порождает ряд неоспоримых
преимуществ, а также сопутствующих
недостатков. Преимущества преобладают,
что способствует практически подавляющему
распространению полностью дифференциальных
схем. Ниже производится сравнение
основных характеристик полностью
дифференциальных ОИТУН, т.е. с симметричными
выходами и ОИТУН с НЕсимметричными
выходами. С целью иллюстрации выводов
сравнения на рис. 6.2 приведены электрические
схемы таких ОИТУН (изображения схем
отличаются от изображений в главе 3 для
дополнительного подчеркивания
симметричности полностью дифференциальной
схемы. В таком виде полностью
дифференциальные схемы часто встречаются
в литературе).
Рис. 6.2. (а) полностью дифференциальный (с симметричными
выходами) «согнутый»ОИТУН с р-канальным входом;
(b) «cогнутый» ОИТУН с НЕсимметричными выходами и
р-канальным входом.
6.2. Принципиальные преимущества полностью дифференциальных схем
(1) Подавление синфазных помех, поскольку при полностью симметричной внутренней архитектуре (структуре) схемы они воздействуют на оба выхода одинаковым образом. Помехи могут быть различного происхождения:
– от размыкания входного ключа в ПК интеграторе;
– от помех со стороны подложки, происходящих от других схем,
расположенных на общей подложке;
– от помех в цепях питания.
(2) Удвоение
амплитуд сигналов на входе и выходе
полностью дифференциальной схемы. Если
на обоих терминалах (симметричных
выводах входа или выхода) присутствуют
некоррелированные шумы, то в полностью
дифференциальном случае складываются
мощности
шумов т.е. квадраты
их среднеквадратичных напряжений или
токов. Среднеквадратичное же
дифференциальное значение шума
увеличивается в
раз. В полностью дифференциальной схеме
отношение выходного сигнала к выходному
шуму увеличивается в
раз (на 3 дБ), что следует из увеличения
дифференциальной амплитуды в два раза,
а дифференциального среднеквадратичного
шума – в
раз.
(3) При наличии нелинейных элементов в схеме, но при полностью симметричной внутренней ее архитектуре (структуре) – подавление четных гармоник в выходном сигнале. В качестве примера рассмотрим сигналы на обоих входах и выходах полностью дифференциальной (по умолчанию – симметричной), но нелинейной схемы.
На неинвертирующем входе сигнал можно представить в виде:
(6.1а)
На инвертирующем входе сигнал представляется в виде:
(6.1b)
Здесь
и
– синфазная и дифференциальная
составляющие входного сигнала
соответственно.
Поскольку система нелинейна, в выражении для выходного сигнала входной сигнал входит не просто в виде множителя в первой степени, как для линейной системы, а в виде степенного ряда Тейлора.
На неинвертирующем выходе сигнал можно представить в виде
(далее
);
– синфазное выходное напряжение):
(6.2а)
На инвертирующем выходе сигнал представляется в виде:
(6.2b)
Дифференциальный
выходной сигнал
равен разности
и
:
(6.3)
Как видно из (6.3), для полностью дифференциальной (по умолчанию – полностью симметричной) системы в выходном дифференциальном сигнале отсутствуют четные гармоники, из-за чего значительно (как правило – в разы) уменьшаются нелинейные искажения в выходном сигнале.
(4) Практически в
2
(два)
раза уменьшается количество неосновных
полюсов на пути малого дифференциального
сигнала в ОИТУН. Как отмечалось в главе
4 (см. рис. 3.30), общий исток (узел В) входных
транзисторов дифкаскада в случае
одновременно (А) квадратичных характеристик
транзисторов в пологой области и (В)
симметричного входного сигнала, не
выводящего входные транзисторы из
активного режима, достаточно слабо
изменяет свой потенциал, во всяком
случае – в гораздо меньшей степени, чем
для НЕсимметричного входного сигнала.
В случае же малого
входного
дифференциального сигнала, а именно,
(что типично для завершающих стадий
переходных процессов в схемах с
отрицательной обратной связью) потенциал
узла В можно считать практически
постоянным. Покажем это.