Для магистратуры / CMOS_IC

90

VDS2 = VDS3 = VG5 − VGS1 = VG5 − (nVGt + Vtn )= V0 (9.11)

Таким образом, транзисторы М2 и М3 находятся в насыщении и из (9.11)

Полагая n = 1, имеем значение минимального выходного напряжения

По ряду соображений (неидеальность ВАХ, влияние подложки, разбросы параметров и др.) размер транзистора М5 необходимо выбирать меньше,

т.е. при n = 1 , (L/W)5 > 4.

Рассмотрим работу схемы при (L/W)5 = K > 4, В таком случае V01

= V02 = V03 = V04 = V0 и V05 = V0 K1/2. Введем величину VX = VD – V0, ко-

торая показывает превышение напряжения на стоке над V0, т.е. запас схемы по насыщению.

Напряжение смещения М3 равно напряжению на стоке М4, т.е.

Эффективное напряжение М5 равно сумме эффективного напряжения М4 и напряжения на стоке М3

Токи через все транзисторы одинаковы и квадратично зависят от эффективного напряжения V0 . Из (9.14) и (9.13) следует

Отсюда, поскольку VX положительно, имеем ограничение на величину К: 4 < K < [(Vt/V0) + 1]2

Если потребовать, чтобы запас по насыщению М3 и М4 был одинаков VX3

= VX4 = VX, то

И выходное напряжение

с возрастанием К падает от 2 Vt до величины близкой к Vt.

91

Описанный способ формирования напряжений смещения каскода широко используется при построении источников питания. Очевидно, что для формирования смещения рМОП токовое зеркало строится на рМОП транзисторах, запитываемых тем же самым током.

9.3. Стабилизированные источники тока и напряжения

Стабилизация источника тока. В простейших токовых зерка-

лах, рис.9.1, ток задается соотношением величин резистора и входного МОП транзистора и в, первом приближении, определяется соотношением

Из приведенного выражения следует, что ток зависит от колебаний напряжения питания и от изменений порогового напряжения с температурой. Для его стабилизации используют специальные схемы.

Источник тока с резистором. В источнике тока, стабилизированным резистором, последний включен в цепь истока токозадающего транзистора, рис.9.6. При достаточно высоких напряжениях питания и протекании через схему тока все транзисторы находятся в режиме насыщения. Одинаковые верхние транзисторы М5 и М6 задают один и тот же ток I через все транзисторы. Одинаковые средние транзисторы М3 и М4, как истоковые повторители, задают одинаковые напряжения на стоках нижних транзисторов М1 и М2. В результате

Выражая эффективные напряжения через токи, имеем

Выражая β через ток, получим

Из формулы (9.22) следует, что крутизна, а значит и ток, транзистора М2 определяется только величиной сопротивления и топологическими размерами транзисторов М1 и М2.

Так, при (W/L)1/(W/L)2=4 проводимость М2 становится равной проводимости резистора (gm2=1/R), а ток I =1/(2β R2). При одинаковых транзисто-

93

Он позволяет не вводить в состав КМОП ИС дополнительных элементов, а воспользоваться уже имеющимся в составе структуры паразитным биполярным pnp-транзистором.

Схема содержит три одинаковых по току цепи, что достигается

идентичностью n-МОП М2, М3, М3, М4 и p-МОП М6, М7, М8, М9. Транзистор М10 обеспечивает каскодный режим верхних источников тока. Выбо-

ром соотношения размеров М1 и М2 (β1>>β2) обеспечивается линейный режим транзистора М2 и величина диодного (а значит и общего) тока I, при этом на эмиттере биполярного транзистора установится напряжение

VQ.

Левая и центральная цепь тока образуют усилитель с положительной обратной связью. Чтобы он оставался в линейном режиме потребуем равенство напряжений на стоке М1 и М3:

С учетом ВАХ диода I = IS (eVQ ϕT −1)получим

Из (9.24) вытекает соотношение между β1 и β2, обеспечивающее исходное требование.

Эффективное напряжение в выбранном режимеМ1 V01 примерно

равно

А стабилизированный ток в цепях схемы

Как и у источника с резистором из-за наличия петли положительной обратной связи источник с диодом может быть в непроводящем состоянии (нулевой потенциал на стоке М1 и питание на стоке М3), и должна быть предусмотрена система его начального запуска.

Широкодиапазонный источник напряжения. Объединение широкодиапазонного токового зеркала со стабилизированным источни-

94

ком тока и с запускающей схемой, рис.9.8 позволяет построить источник напряжения для питания каскодных усилителей различного типа. Источник формирует следующие стабилизированные напряжения:

Vbn – смещение нижнего пМОП каскода, Vcn – смещение верхнего пМОП каскода, Vcp – смещение нижнего рМОП каскода, Vbp – смещение верхнего рМОП каскода.

Широкодиапазонное токовое зеркало на пМОП состоит из транзисторов М1 – М4 и цепи смещения на транзисторе М5 в диодном включении. Пара транзисторов М3 и М4 работает как диодный транзистор на входе зеркала. Выходной ток приходит от М1. Напряжения на затворах М1 и М4 задаются со стока М5, а он запитывается через транзисторы М10 и М11.

Широкодиапазонное токовое зеркало на рМОП состоит из транзисторов М6 – М9 и цепи смещения на транзисторе М14 в диодном включении. Пара транзисторов М8 и М9 работает как диодный транзистор на входе зеркала. Выходной ток приходит от М6. Напряжения на затворах М6 и М9 задаются со стока М14, а он запитывается через транзисторы М12 и

М13.

Рис.9.8. Широкодиапазонный источник напряжения для питания каскодных усилителей.

Запускающая схема состоит из транзисторов М15 – М18. Если источник подключен к питанию, но не формирует выходные напряжения (на п-выходах нулевые напряжения, а на р-выходах – напряжение питания), то происходит его принудительное включение. При низком напря-

95

жении на стоке М5 – выход питания пМОП каскода, на затворах М15 и М16 появляется положительное отпирающее напряжение. Их стоки привязываются к нулевому потенциалу, открывая рМОП М6 – M9 и запуская таким образом схему.

9.4. Источник опорного напряжения

Источник опорного напряжения должен формировать выходное напряжение, которое не зависит (или зависит очень слабо) от напряжения источника питания и от температуры. Поскольку параметры КМОП приборов зависят от температуры, то единственным способом снизить ее, является комбинация приборов с разными по знаку коэффициентами температурной зависимости. Принцип работы такого источника показан на рис.9.9. В источнике использован так называемый PTAT генератор – источник напряжения пропорционального абсолютной температуре (Т).

Рис.9.9. Функциональная схема источника опорного напряжения.

Сформулированный принцип может быть реализован различными схемами. Использование высокоомных каскодных генераторов тока позволяет снизить зависимость опорного напряжения от источника питания,

рис.9.10.

96

Рис.9.10. Схема источника опорного напряжения.

Идентичность транзисторов М5–М7 и М8–М10 обеспечивает равенство токов всех трех ветвей схемы. Одинаковые истоковые повторители М1 и М2 задают равные потенциалы на истоках. Поэтому разница напряжений на эмиттерах биполярных транзисторов приложена к сопротив-

За счет выбора параметров схемы xln(n)=2/0.087≈23 можно минимизировать температурную зависимость опорного напряжения. Само опорное напряжение

98

(рис.10.1,а). В такой схеме общий коэффициент усиления Acom зависит от усиления ОУ (А) и коэффициента обратной связи (β)

и при больших βA он равен 1/β, т.е. не зависит от А.

Для устойчивости схемы с обратной связью необходимо, чтобы при частоте единичного усиления фазовая задержка ОУ была меньше 180˚. Каждый усилительный каскад, обладая инерционностью, вносит фазовый сдвиг до 90˚, и допустимое количество усилительных каскадов ограничено.

Обычно в состав ОУ входят (рис.10.1,б):

1)входной дифференциальный каскад;

2)промежуточный каскад с высоким усилением;

3)выходной каскад;

4)источник опорных напряжений;

5)цепь компенсации.

Выходной каскад предназначен для работы на большую внешнюю нагрузку и его коэффициент усиления обычно меньше единицы. У операционных усилителей, нагруженных только на емкостную нагрузку (внутри кристалла), выходной каскад может отсутствовать. Более того, они могут содержать только один каскад с высоким выходным сопротивлением. Подобные усилители преобразуют (трансформируют) входное напряжение в выходной ток и их часто называют операционными трансформирующими усилителями (ОТУ). Фактически ОУ состоит из ОТУ и выходного каскада (рис.10.1,в) согласованных по режиму и диапазонам сигналов, имеющих общий источник опорных напряжений. Во входном каскаде и/или в промежуточном могут использоваться каскодные схемы.

В некоторых применениях в ОУ используют более двух усилительных каскадов, но в этом случае ситуации приходится усложнять цепь компенсации.

10.2. Двухкаскадный ОУ

Основные характеристики ОУ рассмотрим на примере схемы с дифференциальным каскадом на p-МОП-транзисторах на входе и истоковым линейным истоковым повторителем на выходе, рис.10.2. Обычно, такой ОУ считают двухкаскадным, по числу усилительных каскадов.

99

Рис.10.2. Двухкаскадный ОУ с p-МОП на входе.

10.2.1. Коэффициент усиления

Коэффициент усиления ОУ равен произведению коэффициентов усиления составляющих каскадов

В соответствии с рис.10.2 коэффициент усиления первого дифференциального каскада

Коэффициент усиления третьего каскада – истокового повторителя

где GL – проводимость внешней нагрузки.

В простейшем случае при одинаковых напряжениях Эрли всех МОП и при одинаковых эффективных напряжениях на затворах, полагая А3 ≈ 1, имеем