Oulun yliopisto Sähkötekniikan osasto Analogiapiirit III Harjoitus 3. Keskiviikko 11.12.2002, klo. 12.15-14.00, 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 0.986 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) -1.05 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.
Kuva 1. Taulukko 1. Transistoreiden koot (µm)
Kuva 2. Kuva 3.
Oulun yliopisto Sähkötekniikan osasto Analogiapiirit III Harjoitus 3. Keskiviikko 11.12.2002, klo. 12.15-14.00, 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 + 2 3 --W 5 L 5 C ox + W 5 CGSO 0.35 10 9F 2 --- ( 300µm + 300µm + 60µm) + -- 60µm 1.6µm 0.986 mf ------- m 3 294 ff m 2 Dominoiva resistanssi tässä solmupisteessä aiheutuu transkonduktanssista g m5 g m5 W 2K p( pmos) ---- L I 2 35 µa 60 ------ ------ 50µA 362µS d5 1.6 Toinen napa syntyy siis taajuudelle: V 2 ω 2 g m5 362µS -------- --------------- 1.23 10 9rad -------- 294 ff s C p2 ω f 2 ----- 2 196 MHz 2π b) 70 asteen vaihevaraa varten (Johns, Martin: s. 237): f ----- t tan( 90 70 ) f t f 2 71.3MHz nyt 2K W g pnmos ( ) ---- I 2 100 µa 300 ------ C m1 L d1 V 2 -------- 100µA 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 34.7----- V µs
SR clamp-transistoreiden kanssa (harjoitus1 tehtävä 5): SR I d4 198µA ------- ------------------ 45.8----- 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 -------------- 0.82V 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.