Московский Государственный Институт Электронной Техники

(Технический Университет)

кафедра Телекоммуникационные системы

Курсовая работа по курсу

«Схемотехника»

на тему:

Двухкаскадный ИТУН с входом на N-канальных транзисторах и первым каскадом типа «ломаный каскод»

Выполнила: Тиунова Е.В.

МП-39

Проверил: Круглов Ю.В

Москва 2002г.

Введение.

Цель проекта- разработка наиболее быстродействующего усилителя заданной архитектуры для заданного тока потребления (наибольшая частота единичного усиления и наибольшая скорость изменения

выходного напряжения в режиме большого сигнала).

Данные:

Vdda = 5 V.

СУММАРНЫЙ ТОК ПОТРЕБЛЕНИЯ – НЕ БОЛЕЕ 4 МА.

Дифференциальный низкочастотный коэффициент усиления - не менее 10000 при емкостной нагрузке. Ko=50 000

Запас фазы – не менее 60^О.

Емкость конденсатора нагрузки – 5 пФ.

Число, выражающее превышение над порогом (V_GS – V_T) в милливольтах, должно быть не меньше толщины подзатворного окисла t_OX в ангстремах.

Величина внешнего режимного тока: 10 мкА

Буквенные обозначения:

λ – параметр модуляции длины канала, λ=0.1

Co- емкость окисла, Со=1.8e10-3Ф

(Uзи-Uпор)- число, выражающее превышение над порогом

Iгр- граничный ток

1. g= √(2IоCоμ(W∕L)) – крутизна транзистора

2. Iгр=½Сoµ(W/L)(Uзи-Uпор)² - граничный ток

(3) g=β(Uзи-Uпор)- крутизна в пологовом режиме

Рассчеты

Найдем выражение для коэффициента усиления Ко:

Ко равен произведению коэффициентов усиления первого каскада на второй

Ко=Ко1·Ко2

Для первого каскада

Ко1=2gвх1 ·Rвых1, где gвх1 – крутизна входного транзистора 1-го каскада, Rвых – выходное сопротивление.

Значит, gвх1= g(N1,N2)=√(2IоCоμ(Wвх∕L));

Rвых1=(Rn4┴Rn6)ll[(Rp2llRn2)┴Rp4];

Rвых1=Rn4·(gn6·Rn6)ll[(Rp2llRn2)(gp4Rp4)]; Rвых1=(Rn4·gn6·Rn6(Rp2llRn2)(gp4·Rp4))/(Rn4·gn6·Rn6(Rp2+Rn2)+Rp2·Rn2

·gp4·Rp4);

Для любого транзистора Rвых=1/(λIгр),

где Iгр- граничный ток Iгр=½Сo·µ(W/L)(Uзи-Uпор)², λ- параметр модуляции длины канала. Крутизны найдем по формуле (1).

Для второго каскада

Ко2=gn8·Rвых2 (т.к. N8- входной транзистор второго каскада)

Найдем выходное сопротивление второго каскада Rвых2=Rcи||Rcи(p5) Rси=1/gси=1/(λIгр), но Ip5=In8, также λp=λn => Rси(n8)=Rси(p5)=Rси(n8)/2

Получим общую формулу для вычисления коэффициента усиления:

Ko=[√(2Iо/2Cоμ(Wвх∕L))](Rn4·gn6·Rn6·Rp2·Rn2·gp4·Rp4)/(Rn4·gn6·Rn6(Rp2+)+

+Rn2Rn2· gp4·Rp4 ·Rp2 (Rси(n8)/2)[ √(2IоCоμ(Wn8∕L))];

Она определяется через 2 неизвестных Wвх и Wn8-это входные транзисторы первого и второго каскадов.

Т.к. в данной схеме усиление велико (2 каскада), поэтому возьмем Ко=50000

Будем считать, что превышения над порогом транзисторов P1, P2,P3,P4,N5,N6одинаковы. Тогда можно будет оценить их ширины.

Т.к. все они находятся в пологовой области, то их крутизны g=β(Uзи-Uпор)=√(2Iβ), β=μСоW/L. Можно принять, что Uзи-Uпор= 0.18В (в мВ равно толщине окисла в ангстремах. Тогда W=2I·L/(μCo(Uзи-Uпор)²);

WN≈200мкм; WP≈700мкм

Оценим величины частот, связанных с неосновными полюсами и основным.

Для этого найдем суммарные паразитные емкости для основного и неосновных полюсов. Основной полюс – точка F, неосновные полюса -точки А, B, С, D, E.

Рассмотрим точку А1(A2). Суммарная паразитная емкость ΣСа складывается из емкости Сзи засвор-исток транзистора N5, емкости Сзс затвор- сток тр-ра N3 и диффузной емкости Сдифф.

ΣСа= Сдифф+Сзи(n5)+Cзс(n3)

Найдем диффузную емкость. Она складывается из емкости донной части p-n перехода сток(исток)-затвор и из емкости боковой поверхности p-n перехода сток(исток)- подложка двух тр-ов (N5 и N3).

Сдна =СJn·W(A1+A2+A4)+CJn·W(A1+A2+A4)=2CJn·W(A1+A2+A4)

Сперим=2·СJSWn(W+2(A1+A2+A4);

Сзи(n5)=W·Co(2LD+Lэфф)=W·Co·L; Cзс=Сo·W·LD =>

ΣCa=W·Co·L+Co·W·LD+2CJn·W(A1+A2+A4)+2CJSWn(W+2(A1+A2+A4))

Т.к. L>>LD, W>>A1+A2+A4 то ΣCa≈W·Co·L+2CJn·W(A1+A2+A4)+2CJSW·W

ΣCa≈1e-12Ф/м; 1/ωA=ΣCA/g

1/ωA≈25e-9;

Рассмотрим точку(узел)B1(B2). Суммарная паразитная емкость складывается из затворных емкостей транзисторов N3 и N4 Сзатв_n3+Cзатв_n5 и диффузных емкостей (N5 и P3). Отсюда аналогично точке А найдем ΣСb:

(учитывая, что для P- транзисторов Wp=3Wn=3W)

ΣСb=2W·L·Co+CJn·W(A1+A2+A4)+CJSWn(W+2(A1+A2+A4))+3CJp·W(A1+A2+A4)+CJSWp(3W+2(A1+A2+A4)

ΣСb2≈W·L·Co+CJn·W(A1+A2+A4)+CJSWn·W+3CJp·W(A1+A2+A4)+CJSWp3W

ΣСb≈8e-15 Ф/м; ;1/ ωb= ΣCB/g;

ωb≈5e-11

Рассмотрим точку(узел)С1(C2). Его суммарная паразитная емкость складывается из емкостей Сзи(p3) , Сзс(n2), Cзс(p1) и диффузных емкостей P1, P3 и N2.

Учитывая, что Wp1=6W, Wp3=3W,

аналогично предыдущим емкостям найдем

ΣСс =3W·L·Co+7Co·W·LD+9CJp·W(A1+A2+A4)+ CJSWp(3W+2(3A1+A2+ +A4))+CJSWp(6W+2(A1+A2+A4))+CJn·W(A1+A2+A4)+CJSWn(W+2(A1+A2+

+A4))

ΣСс≈3W·L·Co+9CJp·W(A1+A2+A4)+ CJSWp·3W+CJSWp·6W+CJn·W(A1+A2+A4)+CJSWn·W

ΣСс≈43e-13 Ф/м; найдем теперь частоту неосновного полюса ωс.

ωс =g/ ΣСс;

1/ ωC≈25e-12;

Рассмотрим точку(узел)G. Это неосновной полюс, связанный со вторым каскадом. Найдем частоту ωн(2каскада):

ωн(2каскада)=gвх(2каскада)/(С1+С2+С1С2/Сс)

С1-суммарная паразитная емкость на выходе 1-го каскада

С2-второго каскада

С1 складывается из диффузной емкости тр-ов P4 и N6, емкостей затвор-сток N6 и P4, а также емкости затвора N8 (входного транзистора второго каскада)

С1=Сдифф +Сзс_n6+Cзс_p4+Cзатв_n8

С2 складывается из диффузной емкости тр-ов P5 и N8, емкости затвор-сток P5 и емкости нагрузки.

С2=Cзс_p5+Сдифф+Сн~Сн, т.к Cзс_p5+Сдифф<<Cн;

=> С1 =4W·LD·Co+3CJp·W(A1+A2+A4)+ CJSWp(3W+2(3A1+A2+A4))+ CJn·W(A1+A2+A4)+CJSWn(W+2(A1+A2+A4))+W·L·Co+CJn·W(A1+A2+A4);

С1≈W·L·Co+3CJp·W(A1+A2+A4)+ CJSWp·3W+CJn·W(A1+A2+A4)+CJSWn·W;

С2≈ Сн+3CJp·W(A1+A2+A4)+3CJSWpW+CJn·W(A1+A2+A4)+CJSWn·W;

C1≈1.4e-14

C2≈1e-9

gвх(2каскада)=gN8=√(2IcoμWN8/L); gвх(2каскада)=2.14√WN8

Примем Сс=Сн, тогда получим частоту неосновного полюса, связанного со вторым каскадом: ωн(2каскада)=ωG

ωG = WN8∙20e9

Рассмотрим точку D

ωD=(gN1+gN2)/ΣCD, где ΣСD- суммарная паразитная емкость узла D.

Она складывается из емкостей затвор-сток N7, затвор-исток N2, затвор-исток N1 и диффузных емкостей.

ΣСD=СзсN7+CзиN2+CзиN1+Cдифф

СзсN7=СoWLD; CзиN2= CзиN1=WвхСо(LD+Lэфф); Сдифф=Сдно+Сперим

ΣСD=СoWLD+2WвхСо(LD+Lэфф)+2CJSWN(Wвх+2(A1+A2+A4))+2CJNWвх(A1+A2+A4))+CJSNW(W+2(A1+A2+A4))+CJNW

ΣСD≈2WвхСоL+2CJSWN∙Wвх+2CJNWвх(A1+A2+A4))+CJSNW∙W+CJNW(A1+A2+

+A4)

ΣСD≈Wвх86e-9+8e-8

ωD =√ (Wвх)∙e4/(Wвх86e-9+8e-8)

Теперь найдем частоту основного полюса (точка F)

ωF=ωосн=1/(Rвыхода1каскадаСсRвыхода2аскадаgN8), т.к N8- выходной транзистор второго каскада.

Rвыхода2аскада=RсиN8׀׀RсиP5

Получим ωF=WN86e3

Можно найти частоту единичного усиления ωE:

ωE=2gвх/Сс=2gвх/Сн=√(Wвх/L)∙2IoCoµ/Cн=√(Wвх)e5

Далее находим эквивалентную частоту: 1/ ?экв =2/ωА+1/ωB+2/ωc+1/ωG+1/ωF+1/ωD;

Из условия 1/ωЭКВ=1/(4ωЕ) получаем уравнение с двумя неизвестными, подставляем в него найденное из коэффициента усиления равенство WN8=2.6Wвх, отсюда WN8≈30мкм; Wвх=12мкм

ωэкв=8e5

Запишем выражение для передаточной функции:

Н(jω)=50000/(1-jω/1e3)(1-jω/8e5)[(1+ (ω/1e3)²)( 1-(ω/8e5)²)]

Можно оценить запас фазы:

tgφ≥√3 => tgφ=-ω(1/ωосн+1/ωэкв)/(1-ω²/ωэквωосн)≈-(ω/ωосн)/(1-ω²/ωоснωэкв)=

= Ко/(1-Ко/4)≈4

т.к. ωэкв=4ωЕ; ωосн= ωЕ/Ко; ωосн<< ωэкв

Схема двухкаскадного ИТУН с входом на N-канальных транзисторах и первым каскадом типа ломаный каскод.