Московский Государственный Институт Электронной Техники
(Технический Университет)
кафедра “Телекоммуникационные системы”
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
По курсу «Основы схемотехники»
Тема : “ИТУН типа «усилитель тока» с входом на
N-канальных транзисторах. Микромощная схема”.
Выполнил: студент гр. МП-39
Минаев Дмитрий
Проверил: Круглов Ю.В.
Москва 2002г.
Содержание:
-
Цель проекта
-
Основные формулы и параметры
-
Расчет токов в ветвях и параметров транзисторов
-
Расчет полюсов и нулей передаточной функции
-
Вычисление коэффициента усиления схемы и частоты
единичного усиления
-
Расчет запаса фазы
-
Реакция схемы на большой сигнал
-
Вычисление размаха выходного напряжения
-
Цель проекта
В данном проекте передо мной была поставлена задача разработать и просчитать схему источника тока, управляемого напряжением (ИТУН) типа «усилитель тока» с входом на Р - канальных транзисторах, обладающего наибольшим быстродействием при заданном токе потребления (наибольшая частота единичного усиления и наибольшая скорость изменения выходного напряжения в режиме большого сигнала).
В результате расчетов нужно получить:
-
Полюса передаточной функции
-
Низкочастотный коэффициент усиления схемы (не менее 10000)
-
Частота единичного усиления
-
Параметры транзистора
-
Запас фазы (не менее )
-
Скорость изменения выходного напряжения в режиме большого сигнала
-
Размах выходного напряжения
-
Основные формулы и параметры
SPICE – параметры моделей МОП – транзисторов :
Имя параметра |
ПАРАМЕТР |
Размерность |
Значение параметра |
|
N - МОПТ |
P – МОПТ |
|||
VTO |
Пороговое напряжение при нулевом смещении подложки |
В |
|
|
TOX |
Толщина подзатворного окисла |
М |
||
UO |
Подвижность носителей в инверсном слое канала |
|||
LD |
Длина области перекрытия затвором диффузионной области истока или стока |
м |
||
Lambda |
Параметр модуляции длины канала |
1 / В |
|
|
CJ |
Удельная емкость донной части p-n перехода сток (исток) – подложка на ед. площади при нулевом смещении |
Ф / м |
||
CJSW |
Удельная емкость боковой поверхности p-n перехода сток (исток) – подложка на ед. площади при нулевом смещении |
Ф / м |
Основные формулы, применяемые для расчета усилителя:
-
Ток стока транзистора в пологом режиме:
()
-
Ток стока транзистора в крутом режиме:
-
Крутизна транзистора:
()
-
Расчет токов в ветвях и параметров транзисторов
На рисунке приведена схема ИТУНа типа «усилитель тока» с входом на Р – канальных транзисторах. Суммарный ток потребления схемы 100 мкА, емкость Конденсатора нагрузки Сн = 5 пФ, число, выражающее превышение над поро-гом (Vзи - Vt) в милливольтах транзисторов, у которых исток соединен с питанием, а напряжение затвора управляется каким – либо током должно быть не менее толщины подзатворного окисла в ангстремах ,пусть это будет 180 мВ .
Суммарный ток потребления делится в следующем соотношении:
20% на схему смещения, 80% - на схему усилителя, из них 1/3 идет на 1-ый каскад, 2/3 – на второй. Итого получаем:
-
режимный ток транзистора Р7 и токи в обеих ветвях выходного
каскада:
-
токи в ветвях 1 – го (входного) диф-каскада:
Длины каналов L всех транзисторов равны 0.8 мкм.
Транзисторы Р3 и Р4 выходного каскада находятся в пологом режиме, превышение над порогом равно 200 мВ, из формулы для тока транзистора в пологом режиме находим ширину транзистора:
Транзисторы Р5 и Р6 того же каскада находятся в крутой области, исходя из топологических соображений можно считать, что ширины каналов транзисторов Р4 и Р6 равны ширинам Р3 и Р4 :
Wp5,p6 = Wp3,p4 =1.63мм
Ширины N-канальных транзисторов выходного диф – каскада найдем аналогично, подставив в формулу для тока соответствующую подвижность:
WN3,N4,N5,N6 = WP3/3.6 = 0.45 мм
Транзисторы N1 и N2 входного каскада находятся в пологом режиме , из формулы тока находим ширины:
Ток, идущий на схему смещения равен 0.8 мА, он делится следующим образом:
10 мкА – на 1-ю ветвь (опорный ток);
по 105 мкА – на 2-ю и 3-ю ветви; по 290 мкА – на 4-ю и 5-ю
Транзистор N1b находится в крутой области, ток в нем определяется по формуле:
Из формулы для тока находим ширину транзистораN1B:
Аналогичные рассуждения проводим для транзисторов Р1В и Р2В.
Ширина канала транзистора Р1В равна:
-
Расчет полюсов и нулей передаточной функции
Действительный полюс i-го узла определяется по формуле:
;
где Сi – емкость i-го узла, gi – крутизна транзистора, отвечающего за полюс.
-
Узел I – отвечает за неосновной полюс, его емкость определяется суммой паразитных емкостей узла :
CI = Cзс(N3) + Cзс(Р5) + Cз(Р5,Р4) + Cдна + Cперим
Сзс(N3) = Cox*WN3*LDN =
Сзс(Р5)=Сox*WP5*LDN=
Cз(Р3)=Сox*Wp3*L=
Cз(Р4)=Сox*Wp4*L=
Cдно(N3)=CJN*WN3*(L+2*LDN)=
Cпер(N3)=CJSWN*WN3*(2*L+4*LDN)= Ф
Сдно(Р5)=CJP*WP3*(L+2*LDp)=
Cпер(Р5)=CJSWP*WP5*(2*L+4*LDP)=
-
Узел II –отвечает также за неосновной полюс. Его емкость равна:
CII = Cзс(Р1) + Cз(N6) + Cдна + Cперим
Сзс(P1) = Cox*WP1*LDP =
Сз(N6,N1) = Cox*WN1*L =
Cдно(N1)=CJN*WN1*(L+2*LDN)=
Cпер(N1)=CJSWN*WN1*(2*L+4*LDN)= Ф
Сдно(Р1)=CJP*WP1*(L+2*LDp)=
Cпер(Р1)=CJSWP*WP1*(2*L+4*LDP)=
Данный узел отвечает также за нуль передаточной функции, его частота находится из следующего выражения:
-
Узел III, его емкость находится из следующего выражения:
CШ = Cзс(Р3) + Cзи(Р5) + Cдна + Cперим
Сзс(P3) = Cox*WP3*LDP =
Сзи(P5) = Cox*WP5*(L – LDP) =
Сдно(Р3,Р5)=CJP*WP3*(L+2*LDp)=
Cпер(Р3,Р5)=CJSWP*WP3*(2*L+4*LDP)=
-
Узел IV. Отвечает за неосновной полюс:
CIV = Cзи(N3) + Cзc(N5) + Cдна + Cперим
Сзи(N3) = Cox*WN3*(L – LDN) =
Сзс(N5) = Cox*WN5*LDN =
Cдно(N1,N5)=CJN*WN1*(L+2*LDN)=
Cпер(N1)=CJSWN*WN1*(2*L+4*LDN)= Ф
-
Узел «ВЫХОД». Данный узел отвечает за основной полюс. Частота основного полюса находится по формуле:
-
Вычисление коэффициента усиления и частоты единичного усиления
-
Расчет запаса фазы
-
Реакция схемы на большой сигнал
В режиме большого сигнала, когда на один из входов подается большое положительное, а на другой – большое отрицательное напряжение, весь режимный ток течет в одном из входных транзисторов : Р1 или Р2.
Допустим весь ток течет через Р1. В режиме малого сигнала ток через транзистор N1 равен , а ток через N6 равен ширина канала N6 в 2 раза больше ширины N1. В режиме большого сигнала . Ток через Р4 равен , значит емкость нагрузки будет перезаряжаться разностью токов, протекающих в N6 и Р4:
-
Вычисление размаха напряжения