Основы схемотехники / Вступление / Lec4-1version

Реализация биквада на ПК (интуитивный подход).

Предположим, что резисторы имитируются переключаемым конденсатором (ПК) с частотой переключения F_s, много большей наивысшей частоты сигнала, поступаемого на вход фильтра. Тогда R_EFF =1/C_s*F_s. Здесь R_EFF – номинал эквивалентного резистора; С_S – переключаемый конденсатор; F_S – частота переключения. Заменим каждый резистор на ПК, причем любой резистор с именем R_i заменим на ПК с именем С_Si.

Отметим , что все ПК не изолированы друг от друга . У некоторых ПК (C_S1 и С_S2), левые обкладки имеют одинаковый потенциал в любом из положений ключей ( 1 или 2) , что позволяет объединить "местные" ключи принадлежащие одному из ПК , в один общий , обслуживающий несколько ПК. Одинаковый потенциал имеют правая обкладка C_S1 и левая обкладка C_S4, правые обкладки C_S2 и C_S3 и левая обкладка C_S5, правые обкладки C_S4 и C_S5. Благодаря этому счастливому обстоятельству, схему можно перерисовать в виде:

Отметим значительную экономию количества ключей . В результате данная схема имеет каноническую конфигурацию биквада на ПК.

Вернемся к замечанию по поводу знака передаточной функции биквада. Если передаточная функция имеет вид : ,то после преобразований получим:

Как можно видеть , отрицательной величиной теперь является не только резистор величины , но и конденсатор величины . И если отрицательный резистор можно реализовать просто в виде инвертирующего ПК , то для реализации отрицательного конденсатора в любом случае последовательно с ним должен находиться инвертор. Это обстоятельство затрудняет реализацию неинвертирующего биквада, если использовать классические ОУ, т.е. с одним выходом. При использовании нового класса полностью дифференциальных ОУ дополнительный инвертор не нужен (см. рисунок ниже).

В полностью дифференциальных ОУ выходным напряжением является не напряжение между выходом и аналоговой землей, а между выходами, т.е. удваивается. При этом (см. далее):

• 2 раза увеличивается отношение сигнала с собственному шуму схемы;

• ввиду симметричной внутренней структуры ОУ теоретически устраняются все внешние наводки;

• увеличивается быстродействие ОУ.

Изложенные достоинства перекрывают недостаток, заключающийся в необходимости иметь в схеме почти в 2 раза больше ПК и интегрирующих конденсаторов.

Классические формулы для длинноканального MOST.

Крутая область: (1)

; - толщина подзатворного окисла (если это – не окисел, то значение заменить на требуемое); - подвижность носителей в канале (в этих формулах =const); - эффективные ширина и длина канала. - потенциалы затвора, истока и стока соответственно. Обозначают: (не путать с коэффициентом усиления по току в биполярном транзисторе). Также: - напряжение между затвором и истоком; - напряжение между стоком и истоком. Тогда:

Простейший КМОП усилительный каскад.

Общее положение, применяемое к любым усилителям класса А , имеющим достаточно высокий коэффициент усиления: размах входного сигнала , как правило, много меньше постоянного смещения на входе (т.е. постоянной составляющей входного напряжения , жизненно необходимого для любого усилителя , для того , чтобы при заданных характеристиках нагрузки рабочая точка на выходе находилась в середине диапазона изменения выходного сигнала). При этом изменение крутизны входного транзистора много меньше её значения при наличии на входе только постоянного смещения. Можно сказать, что крутизна входного транзистора в каскаде с достаточно высоким коэффициентом усиления постоянна и не зависит от входного напряжения. Такой режим работы усилителя называется режимом малого входного сигнала.

Итак , если у усилительного каскада статический (низкочастотный) коэффициент усиления К₀ достаточно велик , то ввиду ограниченности диапазона V_ВЫХ изменения выходного напряжения , диапазон V_ВХ изменения входного сигнала также ограничен , мал по величине и равен: малая величина при большом К₀ (при этом предполагается, что входной сигнал достаточно низкочастотный, т.е. медленно изменяется во времени. О зависимости коэффициента усиления усилителя K(f) от частоты f – в дальнейших лекциях). Пусть , где - постоянная составляющая входного напряжения, или входное смещение. - переменная составляющая входного напряжения, или сигнал. Тогда V_ВЫХ также имеет постоянную составляющую , или рабочую точку и переменную составляющую , или выходной сигнал.

На величину рабочая точка отличается от . - постоянная составляющая тока I_Rн в нагрузочном резисторе R_н и МОSТ или режимный ток. Переменная составляющая является малой величиной ввиду малости : . Здесь g- крутизна MOST для данного режимного тока . Выходной cигнал, т.е. . Примечание: Увеличивать R_н целесообразно лишь до величины, сравнимой с R_DS, дифференциальным сопротивлением MOST в пологой области при протекании через него режимного тока (см. дальнейшие лекции). Для увеличения К₀ можно увеличить R_н (см. Примечание), однако при этом растёт . Очевидно, что должно быть приблизительно равным , т.е. должно быть.Итак, получается, что чтобынадо ,но при этом уменьшается крутизна и уменьшается усиление каскада К(f) на высоких частотах (см. след. лекции). Концепция активной нагрузки позволяет преодолеть этот недостаток.