Integrisana kola sa mešovitim signalimaIntegrisana kola sa ...leda.elfak.ni.ac.rs/education/PEK_stari/literatura...Integrisana kola sa meIntegrisana kola sa mešovitim signalimaovitim

Integrisana kola sa mešovitim signalimaIntegrisana kola sa mešovitim signalima

Prof. Dr Predrag Petković,o . ed ag e ov ć,Dejan Mirković

Katedra za elektronikuElektronski fakultet Niš

1

LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/


Sadržaj:I Uvod - osnovni pojmoviI. Uvod - osnovni pojmoviII. Lejaut analognih modulaIIa Projektovanje CMOS operacionogIIa Projektovanje CMOS operacionog

pojačavačaIII. Projektovanje modula sa mešovitim

signalimaIV. Planiranje rasporeda modulaV VHDL AMSV. VHDL - AMS

2



Sadržaj:IIa Projektovanje CMOS operacionog

pojačavačap j2.4 Struktura CMOS operacionog pojačavača2.5 Faze projektovanja CMOS OpAmpap j j p p2.6 Projektovanje dvostepenog CMOS

operacionog pojačavača2.7 Kompenzacija OpAmpa2.8 PSRR

3


Lejaut analognih modula

2 4 Struktura CMOS operacionog pojačava


2.4. Struktura CMOS operacionog pojačava.

K lKolo zakompenzaciju

Diferencijalnitranskonduktansni

pojačavač

Izlaznibafer

Pojačavačkistepen

pojačavač

Kolo zapolarizaciju


4


2 7 Kompenzacija kod CMOS OpAmp


2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpOpAmp se ne koristi bez povratne sprege.

Važno je obezbediti da vraćeni signal ne bude u fazi sa ulaznim signalom.

Ukoliko se to desi na DC, pojačavač će ući u pozitivno ili negativno zasićenje.p g j

Ukoliko se dogodi pri drugoj frekvenciji, pojačavač će oscilovati.će oscilovati.

LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/23.03.2011. 5

Lejaut analognih modulaOpterećenje

Vi (s)V l (s) + V (s)


V (s)

Viz(s)

Vul (s)=0

Vul (s) + Vr (s)

Vr (s)

B(s)Opšta struktura oscilatora

A(s)(s)(s)A iz ==

V

Kolo povratne spregeB(s)Opšta struktura oscilatora

Za B(s)A(s)=1 )()(

∞→=V

sVrA iz(s)

B(s)A(s)1(s)(s)rA

ul −==

V

Za B(s)A(s) 1 )(sVrul

B(s)A(s)=1 Barkhauzenov kriterijum oscilovanja

Oscilatori prostoperiodičnih oscilacija 6




2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpUslov

1dB dB =))A(jB(j oo ωω

Odnosno[ ] o

dBdB 0=− ))A(jB(jArg ωω[ ]dBdB 0))A(jB(jArg oo ωω

[ ] o0>))A(jB(jA [ ] o0>− ))A(jB(jArg ωω





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpUslov stabilnosti je da

dB 0log20 dBdB =))A(jB(j ωω

pre nego što [ ] o0=− ))A(jB(jArg ωω

mera stabilnosti je margina faze

[ ] 0))A(jB(jArg oo ωω

[ ][ ]))A(jB(jArg ooM dB dB ωωφ −=Veličina faze pri ω0 dB





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmp

Margina faze


9




2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpPostoji veza između margine faze i premašenja u

d i i l f k ij kodzivu na impulsnu funkciju u vremenskom domenu.






Grafički prikazGrafički prikaz relacije između premašenja ipremašenja i margine faze u slučaju funkcijeslučaju funkcije drugog reda.


11




2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpMalosignalni model nekompenzovanog pojačavača

d ddrugog reda





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpPojačavača drugog reda bez kompenzacije

gds2+gds4=GI;CI≈Cds2+Cds4;

gmI=gm2=gm1;

gds6+gds7=GII;CII≈CL; g =g

LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/23.03.2011.

CII≈CL; gmII=gm6

13




2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpFrekvencijske karakteristike nekompenzovanog

j č č d d t j tljipojačavača drugog reda u zatvorenoj petlji sa vrlo nepovoljnom povratnom spregom B=1:Polovi su daleko od 0 i međusobno (relativno) blizu.Margina faze veoma mala – neophodna kompenzacijap j





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmp2.7.1 Milerova kompenzacija

Kondenzator između izlaza i ulaza drugog stepena.





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpMalosignalni model kompenzovanog pojačavača

d ddrugog reda






d ddrugog reda

)/1)(/1()/1(

)()(

21 pspszsA

sVsV o

in

o

−−−

=))(()( 21 ppin






d ddrugog reda)/1()( zsAsV oo −

=)/1)(/1()( 21 pspssVin −−

11− II Cg−11 '11 p

RgCRRgp

ImIIcIIImII

=≅cIcIIIII

cmII

CCCCCCCgp++

≅2

Za CII>>CI i Cc>> CI22 ')( pRg

Cgp IImII

II

mII =−

≅






d ddrugog reda

)/1()( zsAsV −)/1)(/1(

)/1()()(

21

1

pspszsA

sVsV o

in

o

−−=






d ddrugog reda






d d

Bez kompenzacije

drugog redaKompenzovan

Bez kompenzacije

Margina fazeKompenzovan





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpZadatak kola za kompenzovanje jeste da drugi pol

i št d lj d k di t č tkpomeri što dalje od koordinatnog početka, odnosno da bude na frekvencijama većim od GB i t k b b di ć i f ti iGB i tako obezbedi veću marginu faze, a time i stabilnost.





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpUticaj Cc ? Preslikava se na ulaz drugog stepena, shodno

Milerovoj teoremi:

II

IImIIceq

gCRgCC =

II

mIIceq G

gCC =

)( 76

6

dsds

mceq gg

gCC+

=





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpZamena konkretnih vrednosti za GI, GII, gmI, gmII:

LCC =2





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpDrugi pol morao bi da bude najmanje na p2=GB

Kako nastaje taj „izlazni“ pol?

Na frekvenciji GB C je kratak spojNa frekvenciji GB Cc je kratak spoj





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpZa AC, Cc kratkospaja D6 i G6, M6 se ponaša

kao dioda sa odvodnošću gm6

mgp 6−

L

m

Cp 6

2 =





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpOK ubacivanjem Cc, p1 i p2 pomerani ALI

Zašto je to loše?NULA U DESNOJ POLURAVNI!!!

j

pojačanje:pojačanje:

faza:

ruši stabilnost





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpNULA U DESNOJ POLURAVNI – (NDP)!!!Kako nastaje?

Na frekvenciji z1Na frekvenciji z1

oba signala imaju u fazi

iste amplitude a

t fsuprotne fazeu protivfazi





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpNULA U DESNOJ POLURAVNI - NDP!!!Nastala usled direktnog puta ulaz → izlaz

Rešenje? sprečiti takav put => ubaciti baferRešenje? sprečiti takav put => ubaciti bafer





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpAnuliranje NDP baferom

Nema NULE !!!LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/23.03.2011. 30




2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpAnuliranje NDP baferom

Za marginu 45o

treba p2> GB

Polovi ostali gde su biliZa marginu 60o

treba p2 > 1 73GBLEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/

g

23.03.2011.

treba p2 > 1.73GB

31




2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpAnuliranje NDP baferom sa izlaznom otpornošću

detaljna analiza pokazuje da NDP može da se anulira ili preslika u NLP upotrebom Rz na red sa Cc .





2.7. Kompenzacija kod CMOS OpAmpAnuliranje NDP rednim otpornikom

Za čvor IZa čvor I

)(t sCVZa čvor out 0)(

1=−

++++ Iout

zc

coutII

II

outImII VV

RsCsCVsC

RVVg











Za Rz<RI, RII

Vrednost z1 može da se kontroliše!

I to u širokom opsegu!!!LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/23.03.2011.

I to u širokom opsegu!!!

35





ŽŽelimo da poništimo p2 sa z1,p2 = z1p2 1






jω σ

Uslov stabilnosti:

-p4 -p1

Uslov stabilnosti:

Zamenom Rz uz uslov da je CII>>Cc


Odlično za fiksno CL. 23.03.2011.

Zašto nije dobro?37




Praktična realizacija anuliranja NDP rednim otpornikom

Režim radaRežim rada M8 ?

V d t?Vrednost?

Dimenzije?Dimenzije?





Vrednost?Praktična realizacija anuliranja NDP rednim otpornikom

=





Dimenzije?Praktična realizacija anuliranja NDP rednim otpornikom

j

Cilj je kontrola nad VGS8Cilj je kontrola nad VGS8preko nezavisne graneM9, M10, M11

BA VV =

M9, M10, M11To je moguće ukoliko je

BA

?LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/23.03.2011.

?

40





j

Za VA=VBZa VA VB treba obezbediti

VGS11=VGS6VGS11 VGS6

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ 61111 WIW

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=6

6

6

11

11

11

LIL






j

?






j

N I i SNepoznato I10 i S10

Usvoji se I10=I1 i proizvoljno izabere S10 (može S10=1)Koje su dimenzije za M11?

⎟⎞

⎜⎛= 6101111 )( WIIW

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

6

6

6

1011

11

11 )(LW

III

LW





Primer: U dvostepenom pojačavaču iz primera sa prošlog časa anulirati drugi pol rednim otpornikom. g p pDimenzionisati tranzistore M8, M9, M10 i M11.





Rešenje:1 Obezbediti VA=VB:1. Obezbediti VA VB:

VGS11=VGS6

2 Izaberemo I11=I10=I9=I1=15μA2. Izaberemo I11 I10 I9 I1 15μA3. Proveriti da li je VDS9=VDD-(VGS11+VGS10)>VDS9(sat)

I4.

5 S može slobodno da se izabere biramo S =1

3)6)(30/15(55

99 === S

IIS


5. S10 može slobodno da se izabere, biramo S10=1.

23.03.2011. 45




Rešenje:

6 I č i S6. Izračunati S8





Rešenje:7. Proveriti da li je7. Proveriti da li je

poništen p2:

7 1 Izračunati R :7.1 Izračunati Rz:

7 2 I č ti

=4.590kΩ

7.2. Izračunati z1:rad/sec 23.94

1031

121 −=×

−= −z

7.3 Izračunati p2:10950

103)103)(1059.4( 6123

××

−×× −−


7.3 Izračunati p2:

23.03.2011. 47




Rešenje:

8. Konačne dimenzije za L=0,5μm:





Alternativna realizacija Rz M6B u zasićenju

A

za prethodniprimer:primer:




Lejaut analognih modulaA

Alternativna realizacija Rz

1. Izaberemo

2. Iz

Sledi: 66

2

6D

AcB ILW

CCC

LW

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 6

66D

ALcB LCCL ⎟⎠

⎜⎝

⎟⎠

⎜⎝ +





Povećanje vrednosti izlaznog pola p2

Položaj pola p2 može da se pomeri dalje od kordinatnog j p p2 p j gpočetka ukoliko se u povratnu petlju sa Cc ubaci dodatno pojačanje:p j j











skoro ostao isti

cdsmcIIImII CrgCRRgp 2

61

61 −=

−≅






pomeren






Uvedena još jedna nula sa leve strane i udaljena sa desnej j j

cdsm Crg 26

6−






6−

cdsm Crg 26



2.8. Potiskivanje napona napajanja kod CMOS OpAmp










Približni model za PSRR+

Kako se Vdd preko Ccprenosi na izlaz?





Približni model za PSRR+1. M7 održava konstantnu

struju ID6 za konstantno VSS. Zato je VSG6 konstantno Ukoliko se V menja promena se prenosi na G6Ukoliko se VDD menja, promena se prenosi na G6.

2. Vdd (naizmenična komponenta) preko gejta M6 i Cci i lprenosi se na izlaz

3. Takođe, Vdd preko CGD6 vezana za drejn M6.Cc prenosi VDD na izlaz.Treba ga eliminisati


Treba ga eliminisati.

23.03.2011. 60




Približni model za PSRR+

Na višim frekvencijama reaktansa Cc mala, tako da se kompletna promena Vdd preslikava na izlaz.M6 se ponaša kao dioda i prenosi sva premašenja VDDna izlaz.





Približni model za PSRR-

Veza preko Cgd7slaba






Veza preko Cgd7gslaba, jača je preko rds7






Šta je Zout ?






p=

PSRR- mnogo bolji od PSRR+LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/23.03.2011.

Poboljšava se kaskodnom spregom65

Lejaut analognih modulaLejaut analognih modula

Šta smo naučili? Šta se očekuje da znamo?Šta se očekuje da znamo?

1 Zašto se uvodi kompenzacija kod1. Zašto se uvodi kompenzacija kod operacionog pojačavača?

2 Uticaj nule u desnoj poluravni na2. Uticaj nule u desnoj poluravni na stabilnost OpAmpa?

3 Osnovni načini za poništavanje nule3. Osnovni načini za poništavanje nule u desnoj poluravni?

66



Šta se očekuje da znamo?


Šta se očekuje da znamo?

1. Objasniti nastanak nule u desnoj poluravni?1. Objasniti nastanak nule u desnoj poluravni?2. Poništavanje NDP baferom?3. Poništavanje NDP baferom sa izlaznom3. Poništavanje NDP baferom sa izlaznom

otpornošću? 4. Poništavanje NDP rednim otpornikom?4. Poništavanje NDP rednim otpornikom?5. Dimenzionisanje tranzistora koji ima

funkciju rednog otpornika.funkciju rednog otpornika.6. Uporediti PSRR+ i PSRR-

67


67

Lejaut analognih modulaLejaut analognih modula

Sledeće nedeljej

? Izvori konstantnog napona i struje u CMOS i i j č čioperacionim pojačavačima

? Kaskodni CMOS operacioni pojačavači? Projektovanje modula sa MS (str 187-206)? Projektovanje modula sa MS (str. 187-206)

68


Page:2 / 4

Page:3 / 4

Page:4 / 4

Documents

Integrisana kola sa mešovitim signalimaIntegrisana kola sa ...leda.elfak.ni.ac.rs/education/PEK_stari/literatura...Integrisana kola sa meIntegrisana kola sa mešovitim signalimaovitim