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

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

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

1


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 pojačavača...2.8 PSRR2.9 Polarizacija operacionih pojačavača 2.9 Polarizacija operacionih pojačavača 2.10 Kaskodni operacioni pojačavači


3

Lejaut analognih modula

2 9 Polarizacija operacionog pojačava


2.9 Polarizacija operacionog pojačava2.9.1 Izvori konstantne struje2.9.2 Strujna ogledala2.9.3 Izvori referentnog napona i strujeg p j2.9.4 Band-gap izvori referentnog napona:http://www eecg toronto edu/ kphang/papers/2001/lo bandgap pdfhttp://www.eecg.toronto.edu/~kphang/papers/2001/lo_bandgap.pdf


4


2 9 Polarizacija operacionog pojačava


2.9 Polarizacija operacionog pojačava.

K lKolo zakompenzaciju

Diferencijalnitranskonduktansni

pojačavač

Izlaznibafer

Pojačavačkistepen

pojačavač

Kolo zapolarizaciju

LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/30.03.2011. 5


2 9 1 Izvori konstantne struje


2.9.1 Izvori konstantne strujeDvopol koji daje konstantnu struju nezavisno

d d ti k j iod vrednosti napona na krajevima. Osnova MOS u zasićenju(source – izvor VDD)

(sink – uvor VSS)(sink uvor VSS)





2.9.1 Izvori konstantne struje





2.9.1 Izvori konstantne strujeKako povećati rout?(zajednički gejt)


peca

Typewriter

ponor

Edited by Foxit Reader Copyright(C) by Foxit Corporation,2005-2010 For Evaluation Only.

Lejaut analognih modulaILWKg OUTm

14810100)1101102(

)/´2(66

=

−−


Lejaut analognih modulagm 14810100)1101102( 661 μ=⋅⋅⋅⋅⋅= −−

2.9.1 Izvori konstantne strujePrimer: VT0= ±0.7V, Kn´=110 μA/V2, Kp´=50 μA/V2, λ 0 04 λ 0 05 I 100 A W /L W /L 1λn=0.04, λp=0.05, Iout=100μA, W1/L1=W2/L2=1

Ω=== − kI

rout 25010100040

116λ ××IOUTn 1010004.0 6λ





2.9.1 Izvori konstantne strujePrimer: VT0= ±0.7V, Kn´=110 μA/V2, Kp´=50 μA/V2, λ 0 04 λ 0 05 I 100 A W /L W /L 1λn=0.04, λp=0.05, Iout=100μA, W1/L1=W2/L2=1

122 dsdsmout grgr =

VAg

ILWKg

m

OUTnm

/10010100)110502(

)/´2(66

2

222

μ=⋅⋅⋅⋅⋅=

=

−−

Ω=××

== − kI

rOUTn

ds 2501010004.0

1161 λ

gm )(2 μ

Ω=××

== − kI

rOUTp

ds 2001010005.0

1162 λ

ΩM5102501020010100 336LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/30.03.2011.

Ω=⋅⋅⋅⋅⋅== − Mgrgr dsdsmout 5102501020010100 336122

10




2.9.1 Izvori konstantne strujeKako smanjiti VMIN?





2.9.1 Izvori konstantne strujeGeneralna pravila primenjena za polarizaciju t i ttranzistora

Za redno vezane tranzistore (kaskodno) važi:

( ) ( ) 22

22

2221

1

111 2

´2

´DONOND iV

LWKV

LWKi ===

( ) ( )2222

11

ONON VLWV

LW

= ( ) ( )21112

2 //

ONON VLWLWV =

21 LL 22 / LW

Ovo važi i kada ne postoji galvanska veza M1 i M2LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/30.03.2011.

Ovo važi i kada ne postoji galvanska veza M1 i M212




2.9.1 Izvori konstantne strujeGeneralna pravila primenjena na polarizaciju t i ttranzistora

Za tranzistore sa istim VGS važi: ( ) ( )222

1 ONON VV =

2

2

2

2

1

1

1

1

´2

´2

WL

Ki

WL

Ki DD ⋅

=⋅

12

21

WiWi DD =

2211

12

21 L

iL

i DD

Ovo važi i kada ne postoji galvanska veza M1 i M2LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/30.03.2011.

Ovo važi i kada ne postoji galvanska veza M1 i M213




2.9.1 Izvori konstantne strujeSmanjenje VMIN: S1=S2=S3=S4





2.9.1 Izvori konstantne strujeSmanjenje VMIN: S1=S2=S3=S4

VDS2 je smanjeno za V i još uvek je uVT i još uvek je u zasićenju!

Da li može da se smanji i VDS1?





2.9.1 Izvori konstantne strujeSmanjenje VMIN: S1=S2=S3=4·S4=1

S4 =1/4; I4=I3=IREF;

LW ( )ONON VWL

LWV 3

4

4

3

34 =

ONONON VVV 22 34 ==

ONTGG VVVV 224 +==

VV 2=ONTGD VVVV 222 =−=

LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/30.03.2011.

ONOUT VV 2=

16




2.9.1 Izvori konstantne strujeSmanjenje VMIN:





2.9.1 Izvori konstantne strujePrimer: VT0= ±0.7V, Kn´=110 μA/V2, λn=0.04, Iout=100μA.Odrediti W/L tako da VMIN=1V

VON =VOUT/2=0,5V;

( )22

´ON

nOUT V

LWKI =

2´2

ON

OUT

VKI

LW

⋅=

ONn VKL

27.725010110

1010026

6

=⋅⋅

=−

LW82.1

414 ==

LW

LW


25.010110 6 ⋅⋅ −L44 LL

18




2.9.1 Izvori konstantne strujeID1 razlikuje se od ID3 jer im VDS nisu isti ( d l ij k l )(modulacija kanala)





2.9.1 Izvori konstantne strujeModifikacija za smanjenu potrošnju (jedna grana

j )manje)





2.9.1 Izvori konstantne strujePrimer: VT0= ±0.7V, Kn´=110 μA/V2, λn=0.04, Odrediti W/L svih tranzistora u kolu sa slike i R, tako da Iout=250μA i VMIN=0,5V.

( )125.010110102502

26

6

⋅⋅⋅⋅

=−

−

LW

2´2

ONn

OUT

VKI

LW

⋅=

73.72=L

W

18.1841

4

4 ==L

WLW


4

21




2.9.1 Izvori konstantne strujePrimer: VT0= ±0.7V, Kn´=110 μA/V2, λn=0.04, γ=0.4 V1/2

Odrediti W/L svih tranzistora u kolu sa slike, tako da Iout=250μA i VMIN=0,5V.

R=?REF

GG

IVVR 34 −=

VBS2 =VBS4=-0,25V;( ) V7550=++= VVVVV γ ( ) V755.0000 =−+⋅+= TTBSTTH VVVVV γ

4 ++= ONONTHG VVVVLEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/30.03.2011.

V255.125.025.0755.04 =++=GV22




2.9.1 Izvori konstantne strujePrimer: VT0= ±0.7V, Kn´=110 μA/V2, λn=0.04, Odrediti W/L svih tranzistora u kolu sa slike, tako da Iout=250μA i VMIN=0,5V.

V95.025.07.01

11

=+=+=

G

ONTG

VVVV

1G

−= 34

IVVR GG

Ω=−

= − 122010250

95.0255.16R

IREF


⋅10250 6

23


2 9 2 Strujna ogledala


1 1 12.9.2 Strujna ogledala

2

2

2212 1´ DSTGSo VVVWLKI ⋅+⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ −⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=λII kontrolišuća

1 1 1

11211 1´ DSTGSI VVVLWKI ⋅+⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ −⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ λ

´´ VVVVKK

Io kontrolisana, izlazna struja.

21WLIo =

; ´,´ 212121 DSDSTT VVVVKK ===

21LWII

=





2.9.2 Strujna ogledala

21WLIo =21LWII

=

Postoje tri uzroka koji utiču na razdešenost struja II i Io :1. Modulacija dužine kanalaj2. Razdešenost tehnoloških parametara:VT , K´3. Razdešenost geometrije (neuparenost)3. deše os geo e je ( eup e os )





2.9.2 Strujna ogledala1. Modulacija dužine kanala

21 DSDS VV ≠

221

11 DSo

VV

LWWL

II

+⋅+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

λλ

za⎞⎛

121 1 DSI VLWI ⋅+⎟⎠

⎜⎝ λ

1

2

2

2

1

1

1

2

21

21

11

111

DS

DS

DS

DS

I

o

VV

LW

LW

za

VV

LWWL

II

⋅+⋅+

====⋅+⋅+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

λλ

λλ


21 LL

26




2.9.2 Strujna ogledala1. Modulacija dužine kanala

Greška manja za manje λ.

Greška manja za većerDS

(manja razlika V )(manja razlika VDS)





2.9.2 Strujna ogledala2.a Razdešenost napona praga (tipično ≈10mV)

1

2

2

1

2

21

21

1

2

11

´´

DS

DS

TGS

TGS

I

o

VV

VVVV

LWWL

KK

II

⋅+⋅+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

λλ

11211 DSTGSI ⎠⎝⎠⎝

111 ;1 ;1

´´ 2212 =

⋅+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= DS

VV

LWWL

KKza

λλ

2

⎟⎞

⎜⎛ −VVI

1´ 1211 ⋅+⎟⎠

⎜⎝ DSVLWK λ

1

2⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=TGS

TGS

I

o

VVVV

II





2.9.2 Strujna ogledala2.a Razdešenost napona praga (tipično ≈10mV)

2

1

2⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=TGS

TGS

I

o

VVVV

II Za K´(W/L)=110μA/V2

VT=0.7V1 ⎠⎝ TGSI

j lik ć Imanja razlika za veće ID





2.9.2 Strujna ogledala2.b Razdešenost VT i K´

2

1

2

1

2

´´

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=TGS

TGS

I

o

VVVV

KK

II ´)´(5.0´ ´;´´ 2112 KKKKKKza +=−=Δ

)(5.0; 2112 TTTTTT VVVVVVza +=−=Δ11 ⎠⎝ TGSI )(5.0 ; 2112 TTTTTT VVVVVVza +Δ

To VKI ΔΔ 21 Z (ΔK´/K´) ±5%TGS

T

I

o

VVKI −−+≅

´1 Za (ΔK´/K´)=±5%

ΔVT/(VGS-VT)=±10%T ( GS T)

Io/II=1±(-0.15)LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/30.03.2011. 30




2.9.2 Strujna ogledala3. Razdešenost geometrije (neuparenost)

Važe sva pravila o uparivanju tranzistora!!!Specifičnost: Io=nII.Primer: Io=4II , L1=L2=L, W1=5μm, ΔW=0.05μm

W2 =W1(Io/II )=20μmD1=G1D22 1( o I ) μ

W1 = 5μm ±0.05μmG1

SG2

S W2 = 20μm ±0.05μm

Io/II=(20μm ±0.05μm)/(5μm ±0.05μm)= 4 ±0.05

S1S2


Io/II (20μm 0.05μm)/(5μm 0.05μm) 4 0.05

31




2.9.2 Strujna ogledala3. Razdešenost geometrije (neuparenost)

Primer: Io=4II , L1=L2=L, W1=5μm, ΔW=0.05μmPodela na segmente

M W2 =W1(Io/II )

W1 = 5μm ±0.05μm

D1=G1

D2a D2b D2c D2d

M2a M2b M2c M2d

W2 = 4(5μm ±0.05μm)

SG2a G2b

G1G2c G2d

S S S S

I /I 4(5 m ±0 05 m)/(5 m ±0 05 m) 4

S1S2a S2b S2c S2d


Io/II=4(5μm ±0.05μm)/(5μm ±0.05μm)= 432




2.9.2 Strujna ogledalaOsnovni nedostatak malo riz, to ali i druge

f b ljš k k dperformanse poboljšava kaskodna veza.





2.9.2 Strujna ogledalaWilson-ovo strujno ogledalo (primenjena NPS)






Poboljšano Wilson ovoPoboljšano Wilson-ovo strujno ogledalo

222

22 1 ds

dsm

dsM r

rgrr ≈

+=

33112 dsmdsmdsout rgrgrr =






Poboljšano Wilson ovoPoboljšano Wilson-ovo strujno ogledalo

32dsmout rgr ∝



2 9 3 Izvori referentnog napona i struje


2.9.3 Izvori referentnog napona i strujeNapon/struja ne zavisi od VDD, T 0 ,0 == REFREF

DD

VT

VV SS

Principi:

VRV 2= DDREF VRR

V21 +

=

12 == DDV VRS REF 121

=+

=REF

V VRRS REF

DD





2.9.3 Izvori referentnog napona i struje

VDD =10V, BV=6.5VVDD 10V, BV 6.5V

rz=100Ω, R=35kΩV 0044.0=REF

DD

VVS






Za I=1mA, Is=10-15A 0362.0=REF

DD

VVS











VDD =5V,

W/L=2,

R=35kΩ

283.0=REF

DD

VVS


DD

41





V =5V W/L=2 R=100kΩVDD =5V, W/L=2, R=100kΩ

1/R(dR/dT)=1500ppm/oCV2811=V

CV/ 10189.1 o3−⋅−=dT

dVREF

V281.1=REFV

Cppm/928 oTCLEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/30.03.2011.

dT Cppm/ 928−=FTC

42





Bootstep (threshold)Bootstep (threshold)

reference circuit

1

1111 ´

2WKLIVV TGS +=

21 IRVGS ⋅=

I2 =I1






111

11 ´2 IR

WKLIVV TGS ⋅=+=

11 121 VVI TT

1WK

2211

12

1

1

RRRRI TT

Q βββ+++=

! )( DDQ VfI ≠






VDD =5V, (W/L)1=20, R=100kΩ,

Κ´ 110 A/V2 2 3 V/ CΚ´=110μA/V2 α=2.3mV/oC

1/R(dR/dT)=1500ppm/oC

A 75,7 μ=QI

Cppm/ 4790 o−=FTC






1ln IRIVV ⋅=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

= 111 ln IRI

VVs

TBE =⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=

VBE =0.6V, R=100kΩ,VBE 0.6V, R 100kΩ,

1/R(dR/dT)=1500ppm/oC

Cppm/ 2333 o−=FTC

DOVOLJNO ?LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/30.03.2011.

DOVOLJNO ?

46<10ppm/oC


2 9 4 Band gap izvori referentnog napona


2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaIzvori referentnog napona proporcionalni energiji

b j l d ikzabranjene zone poluprovodnika

Za Si 1 205eVZa Si 1.205eV





2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaKarakteristika: TCF<10ppm/oC

Princip: Zbir VBE [sa negativnim temperaturskim koeficijentom (dVBE/dT)=-2.2mV/oC] i PTATj ( BE ) ]napona : Proportional To Absolute Temperature

(dV /dT)=+0 085mV/oCkT (dVt/dT) +0.085mV/ Cq

kTVt =





2.9.4 Band-gap izvori referentnog napona

tBEREF KVVV +=

kTVt = qt





2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaTeorijska osnova

VG0 = 1.205V za SiT0 = 300KVBE0 =VBE (na T0) = 26 mV k B lt k t tk - Boltzmanova konstantaq – naelektrisanje elektronaJC – gustina struje kolektorskog spojaJC gustina struje kolektorskog spojaJC0 – JC pri T0

γ – temperaturski koeficijent ≈3LEDA - Laboratory for Electronic Design Automation http://leda.elfak.ni.ac.rs/

γ temperaturski koeficijent 3

30.03.2011. 50




2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaTeorijska osnovaRazlika izmedju VBE dva BJT različitih dimenzija (JC)

C KVJV ⎟⎞

⎜⎛ 1l t

C

Ct KV

JV =⎟⎟

⎠⎜⎜⎝

=2

1ln

VVKVVV Δ+=+=

Cilj

BEBEtBEREF VVKVVV Δ+=+=

VddVdV BEBEREF )(0 Δ+==j

dTdTdT0





2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaTeorijska osnova

VddVdV )(ΔCilj dTVd

dTdV

dTdV BEBEREF )(0 Δ

+==

)( VVVKV γα 0)(

0

0

0

00

0

0 =−

+−

+T

VT

VVT

KV tGBEt γα0000 )( tBEGt VVVKV αγ −+−=

)( 000

tGtBEREF VVKVVTT

V αγ −+=+==


0TT

52




2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaTeorijska osnova )( 00

0tGtBEREF VVKVV

TTV αγ −+=+=

=Za γ=3.2, α=1 i T0=300K

VREF=1.262V

0

REF





2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponarealizacija





2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponarealizacija

Efekti drugog reda:1. Ofset

2. dVos/dT3. dR/dT4. Neuparenost BJT β i rB


5. dVG0/dT




2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaPrimer: Odrediti R2/R1 tako da se dobije dVREF/dT=0

P j A 10APoznato je AE1=10AE2VEB2=0.7V, R2 =R3, Vt=26mV

1. Za usvojeno VREF=1.262 V, j REF ,izračunati K

+= tBEREF KVVTT

V

0

−

=

BEREF

tBEREF

VTT

V

TT

62.21 0 ==

=tVTTK





2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaPrimer: Odrediti R2/R1 tako da se dobije dVREF/dT=0

P j A 10APoznato je AE1=10AE2VEB2=0.7V, R2 =R3, Vt=26mV

2. izračunati R2 / R1 iz2 1 z

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

2

1

3

2

1

2 ln E

E

AA

RR

RRK

( ) 39.910ln62.21

1

2 ==RR

( )1R

3. Po potrebi uračunati VOS i k i ti V


korigovati VREF

57


2 9 4a Band gap izvor referentne struje


2.9.4a Band-gap izvor referentne struje





2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaPoboljšane verzije: TCF≈10 ppm/oC





2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaPoboljšane verzije: TCF≈10 ppm/oC





2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaPoboljšane verzije: TCF=5.5 ppm/oC

TCF(WC)=13 ppm/oC





2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaRealizacija PNP tranzistora u n-well CMOS t h l ijitehnologiji





2.9.4 Band-gap izvori referentnog naponaRealizacija PNP tranzistora u n-well CMOS t h l ijitehnologiji


Lejaut analognih modulaLejaut analognih modula

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

1 Osnovna kola za polarizaciju1. Osnovna kola za polarizaciju operacionog pojačavača?

2 Osnovni parametri izvora2. Osnovni parametri izvora konstantne struje?

3 Koje uslove moraju da ispune izvori3. Koje uslove moraju da ispune izvori referentnog napona/struje?


64

Lejaut analognih modulaŠta se očekuje da znamo?


1. Koja veza postoji između napona VON i W/L dva tranzistora izrađena u istoj tehnologiji ukoliko su im j g jstruje jednake?

2. Kako se povećava izlazna otpornost izvora konstantne struje?j

3. Kakva relacija postoji između W/L i struja tranzistora koji čine osnovno strujno ogledalo?

4. Objasniti osnovne uzroke neuparenosti strujnih j p jogledala?

5. Osnovna struktura i princip rada bandgap izvora referentnog napona.referentnog napona.

6. Koji efekti drugog reda utiču na stabilnost bandgap izvora konstantne stuje?

65


65

Lejaut analognih modulaLejaut analognih modula

Sledeće nedeljej

? 2.10 Kaskodni operacioni pojačavači? j j S ( 18 206)? Projektovanje modula sa MS (str. 187-206)


66

Documents

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