Добавил:

nyan Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Предмет:

Схемотехника

Файл:

Аналоговая схемотехника

.pdf

Скачиваний:

548

Добавлен:

12.05.2017

Размер:

1.97 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 / 1511 12 13 14 15 > Следующая >>>

Рис.6.18. ДУ на МОП-транзисторах с активной нагрузкой

Для расчета рабочей точки по постоянному току необходимо выполнить условие

UВЫХDC = UИП -UЗИ4 для соблюдения баланса токового зеркала в плечах дифференциального каскада.

Определим диапазон синфазного входного напряжения:

UВХ+

=UИП+

+UПОРn -UЗИ4 =

= U +

I0 / 2

;

ПОРn

mpCОК æW ö

ПОРp

ИП

L ø

U −

ЗИ2

СМ

-U

ПОРn

I0 / 2

СМ

ВХс

æW ö

ОК

L ø

Определим диапазон дифференциального входного напряжения:

U +

= -U

−

= U + +U

ПОРn

I0 / 2

ПОРp

ВХd

ИП

m pCОК æW ö

L ø

Тогда входное напряжение можно представить как

UВХ1

= UВХd +UВХс; UВХ2

-UВХd

+UВХс.

Эквивалентная схема ДУ приведена на рис.6.19.

gСИ4

gm1(UВХ1–U1)

gСИ3

gm2U2

UВЫХ

gСИ2

gm2(UВХ2–U2)

gСИ1

Рис.6.19. Малосигнальная эквивалентная схема ДУ

101

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Из эквивалентной схемы получим коэффициенты усиления по дифференциальному и синфазному сигналам:

UВЫХd

@ g

−1

СИ2

−1) =

gm2

;

UВХd

СИ4

gСИ4 + gСИ2

= UВЫХc

@ -

g0 gСИ2

UВХc

2gm2 (gСИ4 + gСИ2 )

Коэффициент подавления синфазного сигнала CMRR и выходное сопротивление равны:

СMRR =	AUd	@	2gm2 gm2			;
	A
			g	g	СИ2
	Uс		0

rВЫХ = (gСИ2 + gСИ4 )−1;

gmi = 2kI0 ,

где gСИ2 , gСИ4 , gm2 - выходные и передаточные дифференциальные проводимости

транзисторов М2 , М4 .

= I

= k(U

-U

k =

Если

то

ЗИ

ПОР

2(UЗИ -UПОР )

IC2

I0 / 2

g f =

× I0

gСИ2

ЗИ

-U

ПОР

×2×2

2(UЗИ -UПОР )

U A

n−МОП

n−МОП ,

gСИ4

IC4

0 / 2

U A

p−МОП

U A

p−МОП .

После подстановки в выражение

ВЫХ

2g f

UВХ

gСИ2−1

gСИ4−1

получим, что коэффициент усиления по напряжению не зависит от тока

(UЗИ -UПОР )−1

AU (0)=

2(UЗИ -UПОР )

(U A−1

+U A−1

)

(U An−МОП

+U Ap−МОП )

n−МОП

p−МОП

Например, при

ЗИ

- U

ПОР

=1 В

U An

МОП

=U Ap

−

МОП

= 60 В

получим

A (0)= 30

−

Коэффициент усиления ДУ на МОП-транзисторах значительно меньше коэффициента усиления ДУ на биполярных транзисторах AU (0)=1000 .

102

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

6.13. Дифференциальный усилитель с р-МОП-нагрузкой

На рис.6.20 приведена схема дифференциального усилителя с нагрузкой, выполненной на p-МОП-транзисторах. Транзисторы в схеме должны быть согласованы

М1/М3 и М2/М4.

Рис.6.20. ДУ на МОП-транзисторах с p-МОП-нагрузкой

Для анализа может быть использован метод расчета полсхемы. Коэффициент усиления дифференциального и синфазного сигнала равен:

UВЫХd

= −

gm1

−

gm1

;

UВХd

gСИ1 + gm3 + gСИ3

gm3

UВЫХс

= −

gСИ5

−

gСИ5

Uс

UВХс

2(gСИ1 + gm3 + gСИ3)

2gm3

Коэффициент усиления по синфазной составляющей может быть AUс <1 .

Коэффициент подавления синфазного сигнала и выходные сопротивления по дифференциальному и синфазному сигналам равны:

СMRR =

AUd

2gm1

;

СИ5

Uс

;

ВЫХd

gСИ3

gСИ1

gm3

ВЫХс

gСИ4

gСИ1

gm4

103

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

6.14.Схема дифференциального усилителя

синжекцией тока на р-МОП-транзисторе

На рис.6.21 приведена схема ДУ с повышенным быстродействием, которое достигается за счет дополнительной инжекции тока на p-МОП-транзисторах М7 и М8.

Необходимо выполнение условия IC1 = IC3 + IC7

Рис.6.21. ДУ на МОП-транзисторах с инжекцией тока на p-МОП

и	I	C2	= I	C4	+ I	C8	. Для сбалансированного усилителя	IC1 = IC2	= I0	2 , поэтому

gm1 = gm2 . Выходное сопротивление транзисторов М3, М4, включенных по схеме с ОС,

определяется как gm3 = gm4 . Уменьшив его в 1/ 2 раз при условии, что IC3 = IC4 , получим увеличение AUd в 2 раз.

6.15. Дифференциальный каскодный усилитель

Усилитель, показанный на рис.6.22, имеет высокий коэффициент усиления AUd ,

который достигается с помощью использования токовой нагрузки и дополнительных транзисторов М3 и М4, повышающих

104

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

½I0	½I0
	+UВЫХ–

UСМ

M3 M4

M1 M2

–UИП

Рис.6.22. Дифференциальный каскодный усилитель на МОП-транзисторах

выходное дифференциальное сопротивление усилительных транзисторов М1 и М2 за счет каскодного включения. Схема критична к использованию низкого напряжения

питания, так как UИП+ −UИП− может быть не достаточно для поддержки всех транзисторов в режиме пологой области.

6.16.Дифференциальный свернутый каскодный усилитель

Особенностью ДУ, приведенного на рис.6.23, является то, что выходное напряжение

	+UИП
IDD		IDD
		UСМ
M1	M2	M3	M4
M1	M2		M4
Ud
		+UВЫХ–
	ISS	IL	IL

–UИП

Рис.6.23. Дифференциальный свернутый каскодный усилитель

105

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

изменяется практически в диапазоне напряжения питания. Для оптимального

проектирования и сохранения характеристик каскодного усилителя необходимо обеспечить

IDD = ISS ;

IL = 12 ISS .

6.17. Дифференциальный усилитель на р-МОП-транзисторах

На рис.6.24 приведена схема ДУ, выполненного на р-МОП-транзисторах.

Рис.6.24. Дифференциальный усилитель на p-МОП-транзисторах

Такой ДУ имеет, во-первых, пониженный шум (1/f) вследствие использования менее шумящих p-МОП-транзисторов, а во-вторых, пониженное выходное напряжение постоянной составляющей.

6.18. Дифференциальный усилитель на полевом транзисторе с затвором Шоттки

На рис.6.25 приведена схема ДУ, выполненного на нормально-открытых полевых транзисторах с затвором Шоттки (ПТШ). Рассчитаем дифференциальную передаточную проводимость этого каскада.

106

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

IС1IС2

В1 В2

Рис.6.25. Дифференциальный усилитель на ПТШ

Считаем, что транзисторы идентичны. Так как транзисторы работают в пологой области, ток стока выражается уравнением

ЗИ

+ U

ö2

= I

ç1

p ç

U p

Ut =U B -U p

I p

WmND2 q2a3

U p =

qNDa2

< U

< 0

6ee

2ee

где

ЗИ

;

ток

смещения;

1 -

UЗИ + UB

IС

UЗИ

=U p

ç1 -

IС

÷ -U B

напряжение отсечки,

I p ÷

В состоянии покоя при Ud = 0

I1 = IС1 = I0 / 2 и I2 = IС2 = I0 / 2 , т.е. равны.

При

включении

дифференциального

входного

напряжения Ud ¹ 0

токи стока

изменяются на

I :

I = I0

+ DI;

= I0

- DI,

т.е.

+ DI

UЗИ1 =U p ç1-

÷ -UB;

I p

- DI

UЗИ2 =U p ç1-

÷ -UB.

I p

Тогда

107

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

+ DI

- DI

Ud =UЗИ1 -UЗИ2

= -U p ç

÷ =

I p

= -U p

DI ÷

÷.

I p è

I0 ø

При малой разности токов DI << I0 можно использовать аппроксимацию

(1+ x)12 = 1+ x

2 .

Тогда

2 + DI

- DI

Ud = UЗИ1 -UЗИ2

= -U p ç

÷ =

I p

ö æ

DI öö

2DI

= U

ç1

- ç1

÷÷

2I0

ø è

0 øø

UН = -U p

I p , или

где

2DI

Ud = -U p

= -U p

2 × I0

2I0 I p

I p

I1/I0, I2/I0

1,0

I1/I0

0,5 gf

I2/I0 Ud/UН

–1,0

–0,7

0,7

1,0

Рис.6.26. Передаточная характеристика дифференциального усилителя на ПТШ

Передаточная характеристика дифференциального усилителя на ПТШ представлена на рис.6.26.

	DI		(2I0I p )12	æ	I0I p ö12		1
g f =		=		ç		÷
				ç		÷
	Ud		- 2U p	= ç	2	÷	-U p .
Следовательно,	Ud		- 2U p	è	2	ø	-U p .

108

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

6.19.Напряжение смещения полевого транзистора

сзатвором Шоттки и его температурный дрейф

В1,

В2 -

полевые

транзисторы

затвором

Шоттки

(см.

рис.6.25).

Если

ЗИ1

-U

ЗИ2

» 0

, то

IС1 = I p ; IС2 = I p + DI p ,

где

DI p

- разность между начальными

токами стока.

Чтобы уровнять токи, к затворам прикладывается небольшое дифференциальное

напряжение - напряжение смещения:

ЗИ

= U

СМ ;

I p = g fd DUЗИ

= g fdUСМ

или, решая относительно U СМ , получаем

UСМ = -

DI pU p

2I p .

DI p

= 0,01

U p = 4 В

I p

При

отличии токов

отсечки

на 1%

получим,

что

. Тогда

UСМ = 0,01

= 20 мВ

Напряжение

смещения

U СМ ПТШ

примерно

в 60

раз

больше,

чем у БТ.

Температурный дрейф

СМ определяется температурным дрейфом

U p

, который, в свою

очередь, является следствием зависимости от температуры контактной разности потенциалов:

СМ = -

I p

dU p

СМ

dU p

СМ ×

dT .

2I p

U p

dyК

»1мВ/oС

ТКНUСМ = UСМ ×1мВ/oС

Так как dT

U p

При U СМ = 20 мВ и U p = 4 В получим ТКНUСМ = 204 мВВ ×1 мВ/oС = 5 мкВ/oС , тогда как

у БТ ТКНUСМ = 3 мкВ/oС .

109

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

7. Операционный усилитель

Операционные усилители (ОУ) представляют собой усилители постоянного тока с

низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время преобразование сигнала схемой на ОУ почти

исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически

идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому ОУ почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем («кирпичиков») во многих областях аналоговой схемотехники.

7.1. Структура операционного усилителя

На рис.7.1 дано условное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем при необходимости будем обозначать неинвертирующий вход знаком «+»

Цепь коррекции

ВХ1 (ИНВ. ВХ)

+UИП

–

ВЫХ

ВХ2 (НЕИНВ. ВХ)

–UИП

Рис.7.1. Условное обозначение ОУ

(positive - положительный), а инвертирующий знаком «–» (negative - отрицательный). Выходное напряжение UВЫХ находится в одной фазе с разностью входных напряжений:

UВЫХ = AUUd = AU (UВХ2 −UВХ1) ,

где AU - коэффициент усиления по напряжению ОУ, включенного без обратной связи.

Цепи коррекции используются для коррекции частотной характеристики ОУ.

110

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 / 1511 12 13 14 15 > Следующая >>>