Analogiapiirit III. Tentti

Transkriptio

1 Oulun yliopisto Elektroniikan laboratorio nalogiapiirit III Tentti Piirrä MOS-differentiaalipari ja johda lauseke differentiaaliselle lähtövirralle käyttäen MOS-transistorin virtayhtälöä (huom. epälineaarinen). Miten voisit parantaa differentiaaliparin lineaarisuutta? 2. Vertaile MOS- ja bipolaaritransistoreiden ominaisuuksia analogisessa signaalinkäsittelyssä. Esitä molemmille transistorityypeille sopivia käyttökohteita perusteluineen. 3. Piirrä ja mitoita gyraattoreihin perustuva aktiivinen RLC-resonaattori, jonka f 0 = 10MHz ja Q = Laske kuvan 1 käännetyn kaskadivahvistimen jännitevahvistus 0 kaistanleveys GBW SR tulon yhteismuotoisen jännitteen lineaarinen alue (input CMR) koko kytkennän virrankulutus kun biasvirta Ibias = 10µ, molempien lähtöjen kuormakapasitanssi on 1pF ja kaikki transistorit toimivat saturaatioalueella. Body-efektiä ei tarvitse ottaa huomioon. Vdd=5V W=10µ Ibias M7 vb2 = 3 V vb3 = 2 V vb4 = 1.4 V inp W=60µ 0 1 W=60µ inn v3p v3n W=36µ W=72µ 3 7 M8 8 M6 M9 outp W=40µ W=36µ cmfb W=72µ 4 outn W=40µ Kuva 1.

2 Taulukko 1: 2 µm:n n-allas CMOS-prosessin sähköiset (spice) parametrit. nfet CGSO (F/m) 0.5e-9 CGDO (F/m) 0.5e-9 CGBO (F/m) 0.1e-9 CJ (F/m 2 ) 0.4e-3 MJ 0.5 CJSW (F/m) 0.4e-9 JS (/m 2 ) 0.03e-3 PB (V) 0.8 RSH (Ω/ ) 50 LMBD (1/V) 0.1e-6/L TOX (m) 35e-9 XJ (m) 0.06e-6 VT0 (V) 1 NSUB (1/cm 3 ) 50e15 MJSW 0.1 NEFF 5 UO (cm 2 /(Vs)) 500 KF (V 2 F) 1e-27 GMM (V 1/2 ) 1 PHI (V) 0.6 LD (m) 0.3e-6 Taulukko 2: 2 µm:n n-allas CMOS-prosessin sähköiset (spice) parametrit. pfet CGSO (F/m) 0.5e-9 CGDO (F/m) 0.5e-9 CGBO (F/m) 0.1e-9 CJ (F/m 2 ) 0.4e-3 MJ 0.5 CJSW (F/m) 0.4e-9 JS (/m 2 ) 0.03e-3 PB (V) 0.8 RSH (Ω/ ) 100 LMBD (1/V) 0.2e-6/L TOX (m) 35e-9 XJ (m) 0.1e-6 VT0 (V) -1 NSUB (1/cm 3 ) 20e15 MJSW 0.03 NEFF 2 UO (cm 2 /(Vs)) 150 KF (V 2 F) 5e-28 GMM (V 1/2 ) 1 PHI (V) 0.6 LD (m) 0.3e-6 Lisäksi K p (nmos) = 49 µ/v 2 ja K p (pmos) = 15 µ/v 2.

3 Oulun yliopisto Elektroniikan laboratorio nalogiapiirit III Tentti Mitä ongelmia käyttöjännitteiden alentaminen aiheuttaa analogiaelektroniikassa? 2. Esitä eri menetelmiä differentiaaliparin lineaarisuuden parantamiseksi. 3. Piirrä kuvan 1 mukaisen OP-vahvistimen piensignaalimalli. Johda kaava ja ratkaise vahvistus GBW SR tulon CMR lähdön lineaarinen toiminta-alue ja virrankulutus 4. Johda kuvan 2 SC-kytkennän siirtofunktio. Vdd 5 W=60U L=10U W=60U L=10U W=100U L=10U 10µ Vinn W=40U L=10U Vinp Vout Cc W=30U L=10U M6 M7 W=30U L=10U 2pF M8 W=100U L=10U Kuva 1.

4 Cf C2 C1 v i v o Kuva 2. Taulukko 3: 2 µm:n n-allas CMOS-prosessin sähköiset (spice) parametrit. nfet CGSO (F/m) 0.5e-9 CGDO (F/m) 0.5e-9 CGBO (F/m) 0.1e-9 CJ (F/m 2 ) 0.4e-3 MJ 0.5 CJSW (F/m) 0.4e-9 JS (/m 2 ) 0.03e-3 PB (V) 0.8 RSH (Ω/ ) 50 LMBD (1/V) 0.1e-6/L TOX (m) 35e-9 XJ (m) 0.06e-6 VT0 (V) 1 NSUB (1/cm 3 ) 50e15 MJSW 0.1 NEFF 5 UO (cm 2 /(Vs)) 500 KF (V 2 F) 1e-27 GMM (V 1/2 ) 1 PHI (V) 0.6 LD (m) 0.3e-6 Taulukko 4: 2 µm:n n-allas CMOS-prosessin sähköiset (spice) parametrit. pfet CGSO (F/m) 0.5e-9 CGDO (F/m) 0.5e-9 CGBO (F/m) 0.1e-9 CJ (F/m 2 ) 0.4e-3 MJ 0.5 CJSW (F/m) 0.4e-9 JS (/m 2 ) 0.03e-3 PB (V) 0.8 RSH (Ω/ ) 100 LMBD (1/V) 0.2e-6/L TOX (m) 35e-9 XJ (m) 0.1e-6 VT0 (V) -1 NSUB (1/cm 3 ) 20e15 MJSW 0.03 NEFF 2 UO (cm 2 /(Vs)) 150 KF (V 2 F) 5e-28 GMM (V 1/2 ) 1 PHI (V) 0.6 LD (m) 0.3e-6 Lisäksi K p (nmos) = 49 µ/v 2 ja K p (pmos) = 15 µ/v 2.

5 Oulun yliopisto Elektroniikan laboratorio nalogiapiirit III Tentti Mikä on gyraattori? Esitä gyraattorin rakenne lohkokaaviotasolla ja johda sen siirtofunktio. Mihin ja miksi käyttäisit gyraattoria? 2. Piirrä 2-asteisen Miller-kompensoidun puskuroimattoman operaatiovahvistimen (OP) piirikaavio. Merkitse piirikaavioon myös kohinalähteet. Johda lauseke lähdön kokonaiskohinalle vahvistimen kaistanleveyttä pienemmillä taajuuksilla. 3. Ratkaise kuvan 1 translineaaripiiristä I W käyttäen translineaari-periaatetta. Oleta, että β on ääretön. 4. Johda kuvan 2 SC-kytkennän siirtofunktio.

6 I W I x Q1 Q3 Q4 Q5 I y Q2 Q7 Q6 Kuva 1. C2 v o v i C1 Kuva 2.

7 Oulun yliopisto Elektroniikan laboratorio nalogiapiirit III Tentti Esitä MOS-transistorin eri toiminta-alueet ja vertaile ominaisuuksia. 2. Esitä signaalin reitti piirilevyltä integroidulle piirille. Mitä hajasuureita on matkalla ja mitä haittaa niistä on? Esitä matalalla taajuudella toimivan analogia-i/o-solun rakenne. Mihin ja miksi I/O-solua tarvitaan? 3. Tehtävänäsi on suunnitella kuvan 1 mukainen OT-vahvistin. Spesifikaatioissa on annettu slew-rate, vahvistus, GBW, tulon CMR ja lähdön lineaarinen toiminta-alue. Missä järjestyksessä mitoitat virrat ja transistorit ja mitä kaavoja käytät mitoituksessa? (Käy läpi vaihe vaiheelta ja kirjoita jokaisessa vaiheessa käytettävä kaava.) Piirrä vahvistimen piensignaalimalli ilman kapasitansseja. 4. Osoita, että kuvan 2 SC-vahvistimessa operaatiovahvistimen offset-jännite U off ei vahvistu lähtöön.

8 Vdd 5 W 1 L 1 V5 W 2 L 2 W 3 L 3 V1 I bias Vinn W 4 L 4 M6 Vinp W V3 V4 7 W 8 W 9 W 10 L 7 M7 M8 L 8 L 9 M9 0 L 10 V2 W 5 L 5 W 6 L 6 C load Vout Kuva 1. C2 C1 v in M6 v out U off Kuva 2.

9 Oulun yliopisto Elektroniikan laboratorio nalogiapiirit III Tentti Mitä tarkoittaa lähdön yhteismuotoisen jännitteen takaisinkytkentä? Missä, milloin ja miksi sitä tarvitaan? Esitä toteutus, kun käytössäsi on MOS-transistoreita, vastuksia, kondensaattoreita, kytkimiä ja kellogeneraattori. Mitkä ovat esittämäsi kytkennän hyvät ja huonot puolet? Mitä asioita on huomioitava käytännön toteutuksessa? 2. Vertaile MOS- ja bipolaaritransistoreiden ominaisuuksia analogisissa sovelluksissa. Piirrä NMOS- ja NPN-transistorien symboli, piirikuvio, halkileikkaus ja piensignaalimalli. 3. Osoita, että kuvan 1 SC-vahvistimessa operaatiovahvistimen offset-jännite U off ei vahvistu lähtöön (ratkaise siirtofunktio). 4. Tehtävänäsi on suunnitella kuvan 2 mukainen OT-vahvistin. Spesifikaatioissa on annettu slew-rate, vahvistus, GBW, tulon CMR ja lähdön lineaarinen toiminta-alue. Missä järjestyksessä mitoitat virrat ja transistorit ja mitä kaavoja käytät mitoituksessa? (Käy läpi vaihe vaiheelta ja kirjoita jokaisessa vaiheessa käytettävä kaava.) Piirrä vahvistimen piensignaalimalli ilman kapasitansseja.

10 C2 C1 v in M6 v out U off Kuva 1. Vdd 5 W 1 L 1 V5 W 2 L 2 W 3 L 3 V1 I bias Vinn W 4 L 4 M6 Vinp W V3 V4 7 W 8 W 9 W 10 L 7 M7 M8 L 8 L 9 M9 0 L 10 V2 W 5 L 5 W 6 L 6 C load Vout Kuva 2.

11 Oulun yliopisto Elektroniikan laboratorio nalogiapiirit III Tentti Esitä a) MOS-transistorin ja b) bipolaaritransistorin tärkeimmät kohinalähteet ja piirrä kohinalähteet transistorien piensignaalimalleihin. Kirjoita kohinalähteiden kaavat (1/f-kohinan kaavaa ei tarvitse kirjoittaa). 2. Esitä Σ -D/-muuntimen rakenne ja toiminta. 3. Piirrä kuvan 1 kaskadilähtöasteisen OT-vahvistimen piensignaalimalli. Johda kaava ja ratkaise vahvistus GBW SR tulon CMR lähdön lineaarinen toiminta-alue ja virrankulutus Transistorin 1 body-efektiä ei tarvitse ottaa huomioon. 4. Mitoita kuvan 2 SC-integraattori siten, että sen taajuusvaste vastaa operaatiovahvistimella toteutetun integraattorin taajuusvastetta (C1, C2 ja kellotaajuus). Signaalin taajuus on 2 khz...20 khz. Johda SC-integraattorin siirtofunktio. (Kytkinten resistanssin oletetaan olevan 0 Ω)

12 5 Vinn Vinp Vout Cload 10pF M9 I1 Vdd M6 0 M8 M7 V1 V2 V3 V4 V5 1 2 vb1=3v vb2=2v 2.5µ W=34µ W=34µ W=5µ W=5µ W=30µ W=30µ W=5µ W=5µ W=10µ W=30µ Kuva 1. C2 v i v o C1 2pF v i v o 1MΩ Kuva 2.

13 Oulun yliopisto Elektroniikan laboratorio nalogiapiirit III Tentti Miten suunnittelet integroidut komponentit, esim. vastukset, kondensaattorit, MOS-transistorit, niin, että komponenttien sovitus on mahdollisimman hyvä? 2. Esitä suoran SC-integraattorin rakenne. Johda siirtofunktio. 3. Ratkaise kuvan 1 translineaaripiiristä I W käyttäen translineaari-periaatetta. Oleta, että β on ääretön. 4. Tehtävänäsi on suunnitella kuvan 2 mukainen OP-vahvistin. Spesifikaatioissa on annettu slew-rate, vahvistus, GBW, tulon CMR, lähdön lineaarinen toiminta-alue ja vaihevara. Missä järjestyksessä mitoitat virrat, transistorit ja kompensointikondensaattorin C C ja mitä kaavoja käytät mitoituksessa? (Käy läpi vaihe vaiheelta ja kirjoita jokaisessa vaiheessa käytettävä kaava.) Piirrä vahvistimen piensignaalimalli ilman kapasitansseja.

14 I W I x Q1 Q3 Q4 Q5 I y Q2 Q7 Q6 Kuva 1. Vdd 5 W W 1 2 L L 1 2 W 3 L 3 Ibias Vinn W 4 L 4 W 5 L 5 Vinp Cc Vout W 6 W 7 W 8 L 6 M6 M7 L 7 M8 L 8 C load Kuva 2.