PODSTAWY MIKROELEKTRONIKI:  wykład 11 cz. 1


Streszczenie
Wroc

Tranzystor MOS jako wzmacniacz

Zanim przejdziemy do głównego tematu tego wykładu, omówimy najprostszy wzmacniacz z pojedynczym tranzystorem MOS. Składa się on z dwóch elementów: tranzystora pracującego zwykle w zakresie nasycenia (co zapewnia nie pokazane na rysunku napięcie stałe polaryzujące bramkę względem źródła) oraz elementu obciążającego, którym w najprostszym przypadku mógłby być rezystor o rezystancji R.

Prosty wzmacniacz

Najprostszy wzmacniacz z tranzystorem MOS

Zakładamy, że konduktancja wyjściowa tranzystora jest do pominięcia: gds << 1/R. Przyjmijmy, że składowa stała napięcia na wyjściu jest równa połowie napięcia zasilania: Uwy = 0.5 UDD, skąd wynika, że IDR = UDD/2. Składową zmienną prądu w obwodzie wyjściowym można obliczyć mnożąc składową zmienną napięcia wejściowego przez transkonduktancję: ids = vwegm, a składową zmienną napięcia wyjściowego otrzymamy mnożąc składową zmienną prądu przez rezystancję R: vwy = vwegmR. Stąd wynika, że małosygnałowe wzmocnienie napięciowe wynosi: |ku| = vwy/vwe = gmR. Jeśli teraz wyznaczymy wartość transkonduktacji posługując się wzorem W9-5, otrzymamy następujące oszacowanie małosygnałowego wzmocnienia napięciowego: |ku| = UDD/(UGS-UT). A ponieważ UDD jest tego samego rzędu wielkości, co UGS-UT, widzimy, że możliwe do uzyskania wzmocnienie jest bardzo niewielkie. Nie oznacza to, że tranzystor MOS jest bezużyteczny jako wzmacniacz, lecz wskazuje, że obciążenie nie może być liniową rezystancją.

Wzmacniacz różnicowy

Wzmacniacz różnicowy w różnych odmianach i wariantach jest prawdopodobnie najczęściej stosowanym układem wzmacniającym w analogowych układach scalonych. Jest powszechnie stosowany zarówno w wersji bipolarnej, jak i MOS. Oto podstawowy układ wzmacniacza różnicowego:

Wzmacniacze
            roznicowe

Podstawowy wzmacniacz różnicowy: (a) bipolarny, (b) MOS

Ważne: zakładamy, że (nie pokazane na rysunku) układy polaryzacji zapewniają takie wartości napięć na bazach lub bramkach tranzystorów, że pracują one we właściwych zakresach charakterystyk, tj. tranzystory bipolarne w zakresie polaryzacji normalnej (UCB<0, UBE>0), a tranzystory MOS w zakresie nasycenia. Założymy, że układy są dokładnie symetryczne, tj. tranzystory są identyczne i rezystory mają identyczną rezystancję R. Oba układy są zasilane prądem I wymuszonym przez idealne źródło prądowe. Dla Uwe1 = Uwe2 prąd ten dzieli się po połowie między obie gałęzie układu. Spadek napięcia na obu rezystorach jest jednakowy, a różnicowe napięcie wyjściowe Uwy = Uwy2 - Uwy1 jest równe zeru. Jeśli istnieje różnica napięć Uwe = Uwe2 - Uwe1 (zwana różnicowym napięciem wejściowym), to powstaje różnica prądów kolektora lub drenu tranzystorów, spadki napięć na rezystorach są różne i pojawia się różne od zera różnicowe napięcie wyjściowe.

Zależność różnicowego napięcia wyjściowego od różnicowego napięcia wejściowego łatwo otrzymać dla wzmacniacza z tranzystorami bipolarnymi. Prąd kolektora dany jest wzorem (W3-8), zatem dla różnicy prądów IC2 - IC1 mamy

Wzor W11-1   (W11-1)

a równocześnie

Wzor W11-2   (W11-2)

Różnicowe napięcie wyjściowe wynosi

Wzor W11-3   (W11-3)

Z tych zależności można po prostych algebraicznych przekształceniach otrzymać wynik

Wzor W11-4   (W11-4)

Funkcja ta ma następujące właściwości:
Wzor W11-5   (W11-5)

gdzie gm jest transkonduktancją pojedynczego tranzystora dla prądu IC = 0.5*I.

Dla tranzystorów MOS uzyskanie prostego wzoru opisującego całą charakterystykę przejściową Uwy = f(Uwe) nie jest możliwe, bowiem dla dużych wartości różnicowego napięcia wejściowego jeden bądź drugi z tranzystorow przestaje pracować w zakresie nasycenia. Jeżeli ograniczyć się do napięć wejściowych, dla których oba tranzystory znajdują się w stanie nasycenia, to łatwo otrzymać

Wzor W11-6   (W11-6)

skąd dla wzmocnienia napięciowego otrzymujemy

Wzor W11-7   (W11-7)

gdzie gm jest transkonduktancją pojedynczego tranzystora dla prądu ID = 0.5*I .

Jak widać, charakterystyka przejściowa wzmacniacza MOS jest liniowa tak długo, jak długo tranzystory znajdują się w stanie nasycenia. Jednak różnice kształtu obu charakterystyk nie są duże. Obie charakterystyki (otrzymane przy pomocy symulatora), znormalizowane w taki sposób, by obie miały to samo nachylenie i te same wartości napięcia wyjściowego dla dużych wartości napięcia wejściowego, pokazane są poniżej:

Char. wzmacniaczy
            roznicowych

Charakterystyki przejściowe wzmacniaczy różnicowych: bipolarnego i MOS (nierównomierna siatka wynika z nałożenia dwóch wykresów wykonanych w różnych skalach)

Interesującą i wykorzystywaną w praktyce właściwością wzmacniaczy różnicowych jest zależność wzmocnienia napięciowego od prądu źródła prądowego I - liniowa w przypadku wzmacniacza bipolarnego, pierwiastkowa w przypadku wzmacniacza MOS. Jak zobaczymy dalej, umożliwia to wykorzystanie wzmacniacza różnicowego do realizacji pewnych operacji nieliniowych, jak np. operacja mnożenia sygnałów analogowych.

Dużą zaletą wzmacniacza z symetrycznym wejściem i wyjściem jest niewrażliwość na zakłócenia pojawiające się na tle napięcia zasilania. Jeżeli wejściowe napięcie różnicowe jest równe zeru, to i wyjściowe napięcie różnicowe jest równe zeru niezależnie od ewentualnych zakłóceń czy wahań napięcia zasilania. Natomiast napięcie zasilania może mieć wpływ na amplitudę sygnału wyjściowego, jeśli nie jest ona równa zeru, poprzez wpływ na prąd zasilający I. Zastosowanie źródła prądowego o słabej zależności prądu I od napięcia zasilającego pozwala znacznie zredukować tę zależność.

Symetrię układu zawsze zakłócają w jakimś stopniu lokalne rozrzuty produkcyjne. Zasady minimalizacji wpływu rozrzutów lokalnych omówione dla źródeł prądowych obowiązują także dla par tranzystorów we wzmacniaczach różnicowych. Zastosować można topografię pokazaną przy omawianiu źródeł prądowych. Dla uzyskania jeszcze lepszej symetrii stosuje się też topografię zwaną w jęz. angielskim common centroid (brak dobrego polskiego tłumaczenia). Topografia taka polega na podziale każdego z tranzystorów pary różnicowej na dwa tranzystory, i połączeniu ich równolegle na krzyż. Zachować trzeba przy tym pozostałe reguły: identyczność wszystkich szczegółów topografii każdego z czterech tranzystorów, symetrię wszystkich połączeń itp. Te wymagania powodują, że topografia common centroid zajmuje dużo więcej miejsca, niż najprościej zaprojektowana para tranzystorów.

Common centroid

Zasada budowy topografii typu common centroid. Tranzystory T1 i T2 pary różnicowej są podzielone na T1A i T1B oraz T2A i T2B, a następnie połączone równolegle na krzyż.

Wroc
Dalej

sem. 14Z