Analogiapiirit III. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet

Transkriptio

1 Oulun yliopisto Sähkötekniikan osasto Analogiapiirit III Harjoitus 3. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet 1. a) Laske kuvan 1 käännetty kaskadi (folded-cascode) -operaatiovahvistimen toisen navan taajuus,jonka oletetaan aiheutuvan transistorien Q1 ja Q2 nieluilla näkyvistä hajakapasitansseista. Jätä liitoskapasitanssit huomiotta. C ox mf/m 2, I bias1 5µA, I bias2 200 µa ja transistoreiden koot löytyvät taulukosta1. b) Mikä tulisi kuormakapasitanssin olla,jotta saavutettaisiin 70 o vaihevara? Mikä olisi tällöin vahvistimen yksikkökaistanleveys f t ja lähdön nousunopeus SR? 2. Oleta,että kuvan 2 yhteismuotoisen signaalin takaisinkytkentäpiirin (CMFB) käyttöjännitteet ovat +/- 2.5 V,ja että virtalähteiden yli on oltava vähintään 0.5 V,jotta kaikki transistorit toimisivat aktiivisella alueella. Mikä olisi pmos-transistoreiden V eff oltava,jotta signaalin amplitudi olisi mahdollisimman suuri? Mikä on signaalin maksimi vaihtelualue ennen kuin CMFB-piirin vahvistus putoaa nollaan ja miksi? Itselaskettavat tehtävät 3. Jos tehtävän 1 operaatiovahvistinkytkennässä halutaan käyttää lead-kompensoitia, a) mikä tulisi kuormakapasitanssin olla, jotta saavutettaisiin 70 o vaihevara? b) Kuinka suuri olisi kompensointivastus? c) Mikä olisi nyt vahvistimen f t ja lähdön nousunopeus? Oleta,että seurauksena syntyvän nollan taajuus ω z 1.2ω t parantaa f t :tä 20 % ja vaihevaraa 30 o. {Vast. C load 1.1 pf,r comp 516 Ω,f t 280 MHz,SR 136 V/µs ilman clamp-transistoreita ja SR 180 V/µs clamp-transistoreiden kanssa} 4. Laske tehtävä 2 uudelleen,mutta oleta nyt että pmos-transistorien altaat on kytketty positiiviseen käyttöjännitteeseen V dd. Ota body-efekti huomioon. {Vast. V out+(min) V ja V out+(max) 1.05 V} 5. Laske kuvan 3 differentiaalisen folded-cascode-operaatiovahvistimen lähdön nousunopeus positiiviseen ja negatiiviseen suuntaan yksipäisenä,kun kuormakapasitanssi molempien lähtöjen ja maan välillä on 10 pf. Oleta, että I bias 200 µa ja a) I d3 I d4 200 µa {Vast. SR + 10V/µs ja SR - -10V/µs} b) I d3 I d4 150 µa {Vast. SR + 10V/µs ja SR - -5V/µs} Oleta,että CMFB-piirin ohjaamien biasvirtatransistorien Q7 ja Q9 virta ei muutu transienttien aikana ja että kaikki transistorit toimivat aktiivisella alueella.

2 Kuva 1. Taulukko 1. Transistoreiden koot (µm)

3 Kuva 2. Kuva 3.

4 Oulun yliopisto Sähkötekniikan osasto Analogiapiirit III Harjoitus 3. Keskiviikko , klo , TS128. Operaatiovahvistinrakenteet Ratkaisut: 1. a) Jättämällä liitoskapasitanssit huomiotta (jätetään Q13 myös huomiotta, koska se on pieni), kokonaiskapasitanssi Q2:n nielulla on C p2 C gd( Q2) + C gd( Q4) + C gs( Q5) W 2 CGDO + W 4 CGDO W 5 L 5 C ox + W 5 CGSO F ( 300µm + 300µm + 60µm) µm 1.6µm mf m ff m 2 Dominoiva resistanssi tässä solmupisteessä aiheutuu transkonduktanssista g m5 g m5 W 2K p( pmos) ---- L I 2 35 µa µA 362µS d5 1.6 Toinen napa syntyy siis taajuudelle: V 2 ω 2 g m5 362µS rad ff s C p2 ω f MHz 2π b) 70 asteen vaihevaraa varten (Johns, Martin: s. 237): f t tan( ) f t f MHz nyt 2K W g pnmos ( ) ---- I µa C m1 L d1 V µA 1.6 l ω t 2π f t 2π 71.3MHz 4.32 pf SR ilman clamp-transistoreita: SR I d4 150µA C l 4.32 pf V µs

5 SR clamp-transistoreiden kanssa (harjoitus1 tehtävä 5): SR I d4 198µA V C l 4.32 pf µs 2. a) Maksimiarvo V eff :lle ennen kuin I b -transistori siirtyy triodi-alueelle on V eff 2V V tp 1.16V Tällä jännitteellä kaikki virta kulkee joko transistorin Q1 tai Q2 kautta. Siispä I K pp ( V eff ) 2 K pp ( 1.16V ) 2 Kun (V out+ 0 V): I 2 -- K 2 pp V eff V eff 1.16V V 2 Transistori Q1 sulkeutuu kun V sg1 V tp 0.84V. Tässä pisteessä V s1 2V ja virta I b kulkee Q2:n kautta 2V 0.84V 1.16V V out + ( max) Kun V out+ menee pienemmäksi kuin 0,V s1 (tasapainotilanteessa V s1 V sg1 V eff1 +V tp 1.66V) alkaa pudota,kunnes se saavuttaa transistorin kynnysjännitteen 0.84V,jolloin Q2 menee kiinni ja virta I b kulkee transistorin Q1 läpi 0.84V 2V 1.16V V out + ( min) Huomaa,että V eff (bias) joka on suurempi kuin optimiarvo (0.82V) saa aikaan sen,että I b -transistori saavuttaa triodialueen alemmalla V out+ -jännitteellä. Alhaisempi V eff (bias) myös sulkee transistorin Q1 alhaisemmalla V out+ -jännitteellä. Molemmissa tapauksissa V out+ :n lineaarinen toiminta-alue rajoittuu.