1ausgewählte themen des analogen schaltungsentwurfs mos transistor nn pn verarmt leitungsband...
TRANSCRIPT
1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
MOS Transistor
N N
pn
verarmt
Leitungsband
Valenzband
Löcher
Elektronen
Gate
Source Drain
2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Leitungsband
Valenzband
Elektronen Löcher
Valenzelektronen + Donator-IoneValenzelektronen + Anzeptor-Ione
N Silizium P Silizium
3 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
kT
E
kT
EEefe
enen
0
1
1
kT
EE f
e
n
kT
E
kT
EEhef
epen
01
ΔEe
ΔEh
4 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
MOS Transistor
N N
pn
verarmt
Leitungsband
Valenzband
Löcher
Elektronen
Gate
Source Drain
5 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
MOS Transistor – Gate Spannung
pn
Leitungsband
Valenzband
Elektronen
N NN N- q
q
6 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
MOS Transistor
pn
Leitungsband
Valenzband
Elektronen
N NN N- q
q
7 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
MOS Transistor - Inversion
pn
Leitungsband
Valenzband
Elektronen
N NN N- q0
q0
0 ψ0 ~ 0.85 V
n
ψ
ψ0
8 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
MOS Transistor
pn
Leitungsband
Valenzband
Elektronen
N NN N- q0
q0
0 ψ0 ~ 0.85 V
n
ψ
ψ0
9 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Gate Spannung - Kanal
N NN Nψ0
VG=VT0+ΔV
- Δq
- q0
q0+ΔqVG=VT0+ΔV
pn
Leitungsband
Valenzband
Elektronen
10 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Gate Spannung - Kanalladung
N NN Nψ0
VG=VT0+ΔV
- Δq
- q0
q0+ΔqVG=VT0+ΔV
pn
Leitungsband
Valenzband)( 0
'TGox VVCQ
Q‘ ( q/cm2)
Ladung pro Fläche
Oxydkapazität pro Fläche
11 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Gate Spannung – Drain/Source Bias
N NN NΨ0+VS
)('STGox VVVCQ
Q‘ ( q/cm2)
Ladung pro Fläche
Oxydkapazität pro Fläche
- Δq
- q0
q0+ΔqVs Vs
VG=VT0+ΔV
VG=VT0+ΔV
Vs
pn
Leitungsband
Valenzband
)('TGSox VVCQ
12 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Gate Spannung – Drain/Source Bias
N NN NΨ0+VS
)(0 STGox VVVC
Q‘ ( q/cm2)
Ladung pro Fläche
Oxydkapazität pro Fläche
0
- q0
q0+0VDS ΔV
VG=VT0+ΔV
VG=VT0+ΔV
ΔV
VT
pn
Leitungsband
Valenzband
TGS VV
13 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Strom
N NN N
VGS Vds
Vds sehr klein
14 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Strom
N NN N
Vds
dsTGSoxnds
nn VVVCL
W
L
VWQESqI )('
Querschnitt
LadungsdichteMobilität
E-Feld
Breite/Lange des Gates
VGS Vds sehr klein
15 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Strom
N NN N
VdsVGS Vds sehr klein
16 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Strom
N NN N
Vds
eVds
Vds
I
dsTGSoxn VVVCL
WI )(~
VGS
dsn VQL
WI '~
17 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Stromsättigung
N NN N
Vds
eVDB
VdsVdssat=Vgs-VT
Ilim
IsatI
2lim )( TGSoxn VVC
L
WI
2)(2
1TGSoxnsat VVC
L
WI
VT
Pinch off
VGS TGD VV
TGSDS VVV
18 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Stromsättigung
N NN N
Vds
I
Vds
VGS
19 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Stromsättigung
N NN N
Vds
I
Vds
VGS
20 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Stromsättigung
N NN N
Vds
I
Vds
VGS
21 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Stromsättigung
N NN N
Vds
I
Vds
VGS
22 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Rückkopplung
Rückkopplung – ein wichtiges Prozess in der Natur- Ein Teil des Ausgangssignals wird benutzt um das Eingangssignal zu
beeinflussen.- Regelung des Systems – negative Rückkopplung
23 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Rückkopplung (2)
Rückkopplung in Elektronik Vorteile
- Arbeitspunkt des Verstärkers mit Rückkopplung ist unempfindlich für Änderung des Prozessparameter und Temperatur
- Bandbreite ist höher- Linearität besser- Eingangs- und Ausgangsimpedanzen können angepasst werden.
Nachteile- Verstärkung wird kleiner- Gefahr vor Schwingungen- Millereffekt
24 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Einige Größen…
A
β
+Xs Xi Xo
A
β
+Xs Xi XoXi*
io AXX * soi XXX
soo AXAXX
A
AXX s
o 1
ii XX *
A
AA OLF
1
Closed-loop Gain (Gegenkoppelte Verstärkung)
Open-loop Gain (Lerlaufverstärkung)
Loop Gain – Return ratio (Schleifenverstärkung)
25 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Negative und positive Rückkopplung
OLF AA
OLF AA
Negative Rückkopplung
Positive Rückkopplung
A
AA OLF
1
Wenn AOL und βA Realzahlen sind, negative Rückkopplung bedeutet:
0A
ATT
AA OLF
;1
Wir definieren die negative Schleifenverstärkung T
26 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
„Messungen“ von AOL und T
A
β
+Xi XoXi*
A
β
+Xs Xi XoXi*
Test
T
AA OLF
1
s
oOL X
XA
i
i
X
XT
*
V VT
Leerlaufverstärkung Schleifenverstärkung
27 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Empfindlichkeit von AF
A
AAF
1
TA
A
AF
F
1
11
T
TAF
1
1
TA
1
lim F
TA
A (Leerlaufverstärkung) ist groß, aber stark Prozessabhängig. Rückkopplung wird normalerweise mit R und C aufgebaut
Wir rechnen die Empfindlichkeit von der rückgekoppelten Verstärkung auf die Änderung von A
28 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Rückkopplung und Linearität
Xi Xo
Xo
Xi
...2 iio BXAXX
A
B
)cos( 0t )cos( 0tA
)2cos( 0tB
+A
BHD
Ein Verstärker mit schlechter Linearität
Seine Verstärkung ist eine MacLaurinsche Reihe
Rot - Grundfrequenz
Blau – Die Oberwelle
Harmonic Distortion
(harmonische Verzerrung)
29 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Nichtlinearer Verstärker mit Rückkopplung
A
B
+
β
+
Die Rückkopplung verursacht auch die höheren Oberwellen, wir begrenzen unsere Analyse nur auf die erste
30 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Grundfrequenz
A
+
β
+
so XT
AX
1
)cos(1 0tT
AX o
)cos( 0tX s
)cos(1
10tT
X i
Xs
Xo
AT
Xi
31 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Oberwelle
A
B
+
β
+
Xs
Xo
)cos(1
10tT
)2cos(1 0tT
BX S
soo XAXX
T
XX s
o 1
)2cos()1( 02
tT
BX o
)2cos()1(
)cos(1 020 t
T
Bt
T
AX oges
TA
BHD
1
1
A
BHD Ohne RK war
Quelle für die Oberwelle
Eingang für die Quelle, Ergebnis von der letzten Folie
Mit RK
Xi
32 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Kleinsignalmodell
),( ddINOUT Vvfv
dddd
ININ
OUT dVV
fdv
v
fdv
gmvgs
rds
vgs
OUTvINv
ddV
inv
outv
DSDS
DGS
GS
DDS dv
v
idv
v
idi
DSdsGSmDS dvrdvgdi
0
+-
33 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Analyse des Feedbacksystems (Übertragungsfunktion)
PassivesNetzwerk
PassivesNetzwerk
Feedback
Xs Xi Xi* Xo
osi XtXtX 2221
*1211 iso XtXtX
*ii XX
2212
211211
1 tt
ttt
X
XA
s
oF
Signalquelle am Eingang Ausgang
34 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Testschaltungen für Feedbackanalyse
RKA
AAFFA
OL
OLOLF
2
21
1
AOL1 – Gain am Eingangsnetz AOL2 – aktive Verstärkung
RK FF
T - Schleifenverstärkung
Messpunkt - blau
Testquelle - rot
Kurzschluss
T
AAFFA OLOLF
121
35 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ausgangswiderstand
PassivesNetzwerk
PassivesNetzwerk
Feedback
Xi Xi* Xo=Io
osi ItVtX 2221
*1211 iso XtVtI
*ii XX
2212
211211
1
1
tt
ttt
V
I
R s
o
OUT
Xs=Vs
Rout=Vs/Io
112112
2212
11 /1
11
ttt
tt
tROUT
Spannungsquelle am Ausgang
Strom wird gemessen
36 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ausgangswiderstand (t11)
PassivesNetzwerk
PassivesNetzwerk
Feedback
Xi*Io
Vs
112112
2212
11 /1
11
ttt
tt
tROUT
0
0011 *
1R
I
V
tiX
s
Impedanz ohne Verstärkung
Rout=Vs/Io
37 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ausgangswiderstand (t12 t22)
PassivesNetzwerk
PassivesNetzwerk
Feedback
Xi
112112
22120 /1
1
ttt
ttRROUT
00
*2212
ss Vo
i
Vi
o
I
X
X
Itt
Schleifenverstärkung mit kurzgeschlossenem Vs
Xi*
1121120 /1
1
ttt
TRR SC
OUT
2212ttTSC
osi ItVtX 2221
*1211 iso XtVtI
38 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ausgangswiderstand
PassivesNetzwerk
PassivesNetzwerk
Feedback
Xi Xi* Xo=Vo
osi VtItX 2221 ''
*1211 '' iso XtItV
*ii XX
2212
211211
''1
'''
tt
ttt
V
IR
o
sOUT
Xs=Is
2212
11211211 ''1
'/''1'
tt
ttttROUT
Rout=Vs/Io
Stromquelle am Ausgang
Spannung wird gemessen
39 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ausgangswiderstand (t‘11)
PassivesNetzwerk
PassivesNetzwerk
Feedback
Vo
Is
Rout=Vs/Io
0
0
11*
' RI
Vt
iXs
o
Impedanz ohne Verstärkung
2212
11211211 ''1
'/''1'
tt
ttttROUT
40 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ausgangswiderstand (t‘12 t‘22)
PassivesNetzwerk
PassivesNetzwerk
Feedback
Xi
Rout=Vs/Io
00
*2212 ''
ss Io
i
Ii
o
V
X
X
Vtt
Schleifenverstärkung mit offenem Is
Xi*
OCOUT T
tttRR
1
'/''1 1121120 2212 '' ttTOC
2212
11211211 ''1
'/''1'
tt
ttttROUT
osi VtItX 2221 ''
*1211 '' iso XtItV
41 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ausgangswiderstand – die Formel
OCOUT T
tttRR
1
'/''1 1121120
1121120 /1
1
ttt
TRR SC
OUT
OC
SCOUT T
TRR
1
10
PassivesNetzwerk
PassivesNetzwerk
Feedback
Xi Xi* Xi Xi*
42 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ausgangswiderstand
OC
SCOUT T
TRR
1
10
R0 – Ausgangsimpedanz ohne Verstärkung
TOC TSC
Kurzschluss
Kurzschluss
R=?
offene Leitung
Schleifenverstärkungen
43 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ein Beispiel - Sourcefolger
Ausgangswiderstand
UIN
UOUT
RsRg RsRg
Ugs
+
gmUgs
Rd
Ugs*
Xi Xi*
ROUT
44 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ein Beispiel - Sourcefolger
UIN
UOUT
RsRg
gmUgs
Rd
Ugs
45 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ein Beispiel - Sourcefolger
Erste Aufgabe: Xs, Xi und Xo lokalisieren
UIN
UOUT
RsRg
UIN
UOUT
RsRg
Ugs
+
gmUgs
Rd
Ugs*
Xs
Xi Xi*
Xout
gmUgs
Rd
Ugs
XoXs Xi
46 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Signalgain im Eingangsnetz
UIN
UOUT
Rs* = Rd||RsRg
Ugs
+gmUgs
Ugs*Xs
Xi Xi*
Xout
UIN
UOUT
Rg
UgsXs
Xi
Xout
gg
ggOL R
I
RIA 1
0
1
oXs
iOL X
XA
+
47 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Direkte (aktive) Verstärkung
UIN
UOUT
Rs*Rg
Ugs
gmUgs
Xs
Xi Xi*
Xout
UIN
UOUT
Rs*Rg
Xs
Xi
Xout*
*
**
2 Sm
gs
gsSmOL Rg
U
URgA
Ugs*
gmUgs*+ 0
*2
sXi
oOL
X
XA
48 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Schleifenverstärkung
UIN
UOUT
Rs*Rg
Ugs
gmUgs
Xs
Xi Xi*
Xout
UIN
UOUT
Rs*Rg
UgsXs
Xi
Xout*
*
**
Sm
gs
gsSm RgU
URgT
0
*
sXi
i
X
XT
gmUgs*+
Ugs*
49 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Dead System Gain (FF)
UIN
UOUT
Rs*Rg
Ugs
+gmUgs
Ugs*
Xs
Xi Xi*
Xout
0*
iXs
o
X
XFFUIN
UOUT
Rs*Rg
UgsXs
Xi Xi*
Xout
0FF
XoXs
50 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärkung mit RK
*
*
21
11 sm
smgOLOL
IN
OUTF
Rg
RgR
T
AAFF
U
UA
UIN
RsRg
UOUT
51 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ein Beispiel - Sourcefolger
RsRg
Ugs
+
gmUgs
Rd
Ω
*0 || SdS RRRR
Widerstand ohne Verstärkung
52 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ein Beispiel - Sourcefolger
Schleifenverstärkung mit offenem Ausgang
RsRg
Ugs
+
gmUgs
RdUgs*
*gs
gsOL
U
UT
smOL RgT *
53 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Ein Beispiel - Sourcefolger
RsRg
Ugs
+
gmUgs
RdUgs*
*gs
gsSC
U
UT
0SCT
OC
SCOUT T
TRR
1
10
mSm
SOUT gRgRR
1
1
01*
*
Schleifenverstärkung mit kurzgeschlossenem Ausgang
54 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Sourcefolger – wichtige Parameter
UIN
UOUT
Rs
ROUT = 1/gm UOUT/UIN = 1 RIN = ∞
1+
UIN
- UOUT = UIN
+
1/gm
55 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Nichtinvertierender Verstärker
+
UIN
- AUIN
+RIN
ROUT
+
-
OUT
OUT
R1
R2
Xs +
Xo+
XoXs Xi
Xi
56 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Nichtinvertierender Verstärker (Verstärkung)
+
UIN
- AUIN
+
RIN = ∞ROUT = 0
+
-
OUT
OUT
R1
R2
Xs +
Xo+
XoXs Xi
Xi
57 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Signalgain im Eingangsnetz
+
-
OUT
OUT
R1
R2
Xs +
Xo+
Xi Xi*
11 OLA
0
1
oXs
iOL X
XA
+
UIN
- AUIN
+
RIN = ∞ROUT = 0
58 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Direkte (aktive) Verstärkung
+
-
OUT
OUT
R1
R2
Xs +
Xo+
Xi Xi*
+
- AXi*+
AAOL 2
0
*2
sXi
oOL
X
XA
Xi*
59 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Schleifenverstärkung
+
-
OUT
OUT
R1
R2
Xs +
Xo+
Xi Xi*
+
- AXi*+
Xi*
21
1
RR
RAT
0
*
sXi
i
X
XT
60 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Dead System Gain (FF)
+
UIN
- AUIN
+
+
-
OUT
OUT
R1
R2
Xs +
Xo+
Xi Xi*
XoXs
0*
iXs
o
X
XFF
0FF
61 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärkung mit RK
1
21
21
1
21
11 R
RR
RRR
A
A
T
AAFF
X
XA OLOL
S
OF
+
-OUT
R1
R2
Xs +
Xo+
62 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand)
+
UIN
- AUIN
+
ROUT
+
-
OUT
OUT
R1
R2
Xi
Xi
Ω
RIN = ∞
63 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand)
+
UIN
- AUIN
+
ROUT
+
-
OUT
OUT
R1
R2
Xi
Ω
Widerstand ohne Verstärkung
OUTRRRR ||)( 210
64 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand)
Schleifenverstärkung beim offenen Ausgang
+
-
OUT
OUT
R1
R2
Xs +
Xo+
Xi Xi*
+
- AXi*+
Xi*ROUT
OUTOC RRR
RAT
21
1
65 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand)
Schleifenverstärkung beim kurzgeschlossenen Ausgang
+
-
OUT
OUT
R1
R2
Xs +
Xo+
Xi Xi*
+
- AXi*+
Xi*ROUT
0SCT
66 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand)
OC
SCOUTF T
TRR
1
10
OUTOUT
OUT
OUTOUTF
RA
R
R
RR
RRRR
A
RRRR
1
21
21
1
21
1
||)(+
-OUT
R1
R2
Ω
OUT+
- AXi*+
Xi*ROUT
Ausgangswiderstand mit Rückkopplung
67 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Aufgabe Rin=?
Cg Cg Cg
Transistor CS Amplifier SF Amplifier
Z=? Z=?
68 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
TSC
Cg Cg
OC
SCOUTF T
TRR
1
10
SCT
69 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
TOC
Cg Cg
OC
SCOUTF T
TRR
1
10
OCT
70 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
R0
Cg Cg
OC
SCOUTF T
TRR
1
10
0R
71 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Kleinsignalmodell
),( ddINOUT Vvfv
dddd
ININ
OUT dVV
fdv
v
fdv
gmvgs
rds
vgs
OUTvINv
ddV
inv
outv
DSDS
DGS
GS
DDS dv
v
idv
v
idi
DSdsGSmDS dvrdvgdi
0
+-