dsd11-12 / dsd-12=Проектирование РЧ КМОП ИС / Лекция 5

Лекция 5. Широкополосные усилительные каскады

Условия низкого напряжения питания в современных СБИС накладывают дополнительные требования на электрические схемы устройств. Во-первых, нежелательно использование в любой ветви “земля-питание” более двух транзисторов (основного и нагрузочного). Во- вторых, повышение линейности схем не должно проходить за счет увеличения напряжения смещения транзисторов. При этом желательна минимизация влияния технологического разброса параметров транзисторов на основные характеристики схем.

Этим требованиям удовлетворяет базовое звено на рис.1.

Рис.1 Базовое звено

Геометрические размеры транзисторов Т1 и Т2 в базовом звене должны быть одинаковыми. Опорное напряжение Uоп1 выбирается из условия максимизации динамического диапазона звена при заданном напряжении питания. Ниже приведены соотношения, связывающие выходное напряжение сигнала базового звена, со входными сигналами, полученные в результате анализа малосигнальной эквивалентной схемы:

г де

и

З десь g и G – крутизна и выходная проводимость транзисторов в заданном режиме; С_gd, C_gs- емкости затвор исток и затвор-сток транзисторов; C₁ и R₁ –емкость и сопротивление нагрузки.

Область средних частот, в которой коэффициенты передачи слабо зависят от частоты, лежит в пределах gC₁>>>>1/RC. Наиболее эффективно базовое звено работает при коэффициентах передачи, близких к единице. Для этого необходимо выполнение следующих условий:

C>>(C_gs+2C_gd);

gR₁>>1.

На рис.2 приведена схема широкополосного усилительного каскада на основе базового звена.

Напряжение входного сигнала, которое было инвертировано первым базовым звеном, войдет в выходное напряжение с коэффициентом K₂K₁². Напряжение входного сигнала, которое было инвертировано вторым базовым звеном войдет в выходное напряжение с коэффициентом K₂K₁¹, третьим – K₂.

Общий коэффициент усиления составит

K=K₂(1+K₁+K₁²).

В общем случае для N- базовых звеньев

K(N)=K₂(1+K₁+K₁²+…+K₁^(N-1))=K₂(1-K₁^N)/(1-K₁).

В предельном случае, при N->, K=K₂/(1-K₁).

Рис.2 Широкополосной усилительный каскад.

Рис.3 Широкополосной усилительный каскад с

пониженным уровнем шума.

Рис.4 Дифференциальный усилительный каскад

На рис.4 показан дифференциальный каскад, построенный на основе перекрестного включения базовых звеньев. Ниже приведены выражения описывающие дифференциальный каскад на базовых звеньях.

U_вых1=K₁U_вх1-К₂ U_вх2,

U_вых2=K₁U_вх2-K₂U_вх2.

U_вых2 -U_вых1=( K₁+ K₂)( U_вх2- U_вх1),

U_вых2 +U_вых1=( K₁- K₂)( U_вх2+ U_вх1).

Коэффициент усиления дифференциального сигнала составляет

K_D=K₁+K₂,

а коэффициент ослабления синфазного сигнала составляет

К_оос=( K₁ +K₂)/(K₁-K₂).