FÖRELÄSNING 3. Förstärkaren. Arbetspunkten. Olika lastresistanser. Småsignalsschemat. Föreläsning 3

Transkript

1 FÖRELÄSNING 3 Förstärkaren Arbetspunkten Olika lastresistanser Småsignalsschemat Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 1(36)

2 Förstärkaren (S&S4 1.4, 5.2, 5.4, 5.5, 5.6/ S&S5 1.4, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 2(36)

3 FÖRSTÄRKARSTEGET, IGEN spänningen över resistansen R V R = I D R R spänningen på utgången = V DD I D R strömmen I D beror av insignalen utsignal insignal Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 3(36)

4 FÖRSTÄRKARSTEG R Utsignalen beror av insignalen, men hur? G D S strömmen I D beror av insignalen 2 V DS I D = k ( V GS V T )V DS Linjära området I D I D = = k - ( V 2 GS V T ) 2 k - ( V 2 GS V T ) 2 ( 1 + λv DS ) Mättade området Mättade området med kanallängdsmodulation Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 4(36)

5 DE TVÅ TRANSISTORTYPERNA NMOS PMOS V GS G D V DS I D V GS är 0 V eller negativ G S I D S D V DS är 0 V eller negativ 2 V DS I D = k ( V GS V T )V DS V SD I D = k ( V SG V T )V SD I D = k - ( V 2 GS V T ) 2 I D = k - ( V 2 SG V T ) 2 Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 5(36)

6 I-V KARAKTERISTIK + R:S BELASTNINGSLINJE Notera att följande kurvor endast visar på principer. (De är ritade på frihand.) I V DD R = 5 V = 4 V D G S I V DD = 5 V = 3 V = 2 V R I = 1 V V DD = 5V Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 6(36)

7 FÖRHÅLLANDET MELLAN ( ) förstärkning = lutning 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 7(36)

8 FÖRSTÄRKNING AV SIGNAL t t Ju mindre del av kurvan som man låter insignalen svänga sig kring, desto större chans att denna avbildas linjärt på utgången. Vi talar om en liten signal - småsignalsbeteende. Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 8(36)

9 PRINCIPSKISS ÖVER ( ) FÖR ETT FÖRSTÄRKARSTEG Mättade området för transistorn, d.v.s. > V T och < + V T Linjära området för transistorn, d.v.s. >= + V T Förstärkning hög och linjär Här vill vi vara med vår småsignal begränsas av spänningsdelning mellan R och R MOS V T V DD Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 9(36)

10 PRINCIPSKISS ÖVER I D ( ) FÖR ETT FÖRSTÄRKARSTEG I D MOS:en befinner sig i sitt mättade område, d.v.s. > - V T eller < + V T Linjära området V DD R Transkonduktansen g m är ett mått för förstärkningen för en småsignal, d.v.s. I D = g m R I D ges av V DD I D R, d.v.s. är proportionell mot I D Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 10(36)

11 SIMULERING - OVAN ( ), NEDAN I D ( ) Voltages (lin) Params (lin) u Voltage X (lin) (VOLTS) SPICE-exempel: SIMULERING AV FORSTARKARSTEG.MODEL N NMOS LEVEL=1 VT0=0.7 + KP=110U GAMMA=0.4 + LAMBDA=0.04 PHI=0.7.PARAM SUPPLYV=5V.OPTIONS POST R1 UT VDD 5K MN1 UT IN 0 0 N W=5U L=1U VVDD VDD 0 DC SUPPLYV VIN IN 0 DC SUPPLYV.DC VIN 0 SUPPLYV 0.1.PROBE IVDD=PAR('-I(VVDD)').END Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 11(36)

12 Arbetspunkten (S&S4 5.4, 5.5, 5.6/ S&S5 4.3, 4.4, 4.5) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 12(36)

13 TRANSISTORNS ARBETSPUNKT I D Detta är arbetspunkten. I D Det är det viloläge för strömmar och spänningar som råder i en krets när insignalen består enbart av en (konstant) likspänning. t t Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 13(36)

14 KRETS FÖR ATT SÄTTA UPP ARBETSPUNKTEN De seriekopplade resistanserna leder till en likspänningsarbetspunkt för. Kapacitansen fungerar som en blockad, så att den likspänning som etableras på inte rinner ut till vänster. Signalen som ska förstärkas är en växelspänning, och därför leder kopplingskapacitansen bra. t 0 V t AC-signalen överlagras DC-signalen Vi har en småsignal som överlagras arbetspunkten! Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 14(36)

15 VAL AV ARBETSPUNKT - LINJARITET I D När man väljer arbetspunkt måste man tillse att ( ) är tillräckligt linjär, för hela det signalintervall som kan hamna på ingången. Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 15(36)

16 VAL AV ARBETSPUNKT - UTGÅNGSAMPLITUD I D 2. kan öka och minska med utan att :s amplitud begränsas. maxamplitud Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 16(36)

17 VAL AV ARBETSPUNKT - FÖRSTÄRKNING 1(2) I D 3. man uppnår tillräckligt stor småsignalsförstärkning, genom att g m är så stor som behövs. g m = I D Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 17(36)

18 VAL AV ARBETSPUNKT - FÖRSTÄRKNING 2(2) g m I D = = di D d, vilket medför att g m d k = - ( V. d 2 in V T ) 2 = k ( V in V T ) Alltså: Ändrar man ändras förstärkningen, vilket betyder att vi inte får en linjär funktion mellan och. Begreppet småsignal visar sin betydelse! Vi kan också se att g m = k ( V T ) = 2 k I D, vilket betyder att stora g m sammanfaller med stora strömmar genom transistorkanalen. Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 18(36)

19 LÅT OSS TITTA NÄRMARE PÅ TRANSKONDUKTANS g m = k ( V T ) = µ C W --- ox ( L V T ) Även med ett som vi kan kontrollera väl, för att hålla g m konstant, så har vi källor till variationer i g m vilket leder till konstruktionsosäkerheter: - V T kan variera. - W och L kan variera. - µ kan variera (genom temperaturen). k Notera att när I D = - ( V påverkas g m : 2 GS V T ) 2 ( 1 + λv DS ) g m = µ C W --- ox (. L V T )( 1 + λv DS ) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 19(36)

20 Olika lastresistanser (S&S4 5.6, 5.7.4/S&S5 4.5, 6.5.1, 6.5.2) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 20(36)

21 LASTRESISTANSEN En resistans R, genom vilken transistorströmmen passerar, ger oss ett enkelt sätt att avbilda I D på. Lätt att lära ut! Problem: När det gäller integrerade kretsar, så kan man inte tillverka resistanser effektivt (de blir stora och/eller onoggranna). Vad göra? R I D = V DD I D R Använd transistorer som laster... + tar liten plats. I D - är inte linjära!! Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 21(36)

22 ICKE-LINJÄRA LASTRESISTANSER 1(2) Diodkopplad NMOS: V gs = V ds följande gäller alltid: V ds > V gs - V T lasten är mättad: dess V gs styr strömmen. Lasten börjar leda ström när V gs > V T, och eftersom V g = V DD är det som styr när lasten är på: Vi har att < V DD - V T för att ström ska ledas genom lasten. För växer strömmen i proportion till ( V gs V T ) 2 = (( V DD ) V T ) 2. Diodkopplad NMOS G D S PMOS-diod Not: Jag låter V gs betyda total tidsvariant spänning: V gs = V GS + v gs G S D Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 22(36)

23 I-V KARAKTERISTIK + BELASTNINGSLINJER 2(2) I Resistor Diodkoppling: = V DD - V gs V DD - V T V DD Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 23(36)

24 ICKE-LINJÄRA LASTRESISTANSER 1(2) Alltid gäller att V gs = V B - V DD (B = bias = arbetspunkt ). V ds < V gs - V Tp PMOS:en är i sitt mättade område. Strömgenerator Vi kan skriva V ds = - V DD samt V gs = V B - V DD - V DD < V B - V DD - V Tp för PMOS:ens mättnad < V B - V Tp. Alltså, när < V B - V Tp = V B + V T är PMOS:en mättad. Givet att PMOS:en håller sig inom sitt mättade område, kallar man denna lastresistans (konstant)strömgenerator eftersom den lämnar en ström som är oberoende av. V B Vut Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 24(36)

25 I-V KARAKTERISTIK + BELASTNINGSLINJER 2(2) I Resistor Mättade området Linjära området Strömgenerator V B + V T V DD Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 25(36)

26 SKISSAT FÖRHÅLLANDE MELLAN Vut(Vin) Diodkoppling ger låg förstärkning. Resistans ger medelhög förstärkning. Strömgenerator ger hög förstärkning. Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 26(36)

27 SIMULERING AV OLIKA LASTRESISTANSER resistans R n-diod (notera bodyeffekten) p-diod strömgenerator 1 500m 0 Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 27(36)

28 OLIKA MOSFET-SYMBOLER MOSFET:en har egentligen fyra stycken terminaler: gate, source, drain... och en fjärde. Den som sitter i materialsubstratet! Digital NMOS-symbol Analog NMOS-symbol Denna symbol innehåller mer information, vilket kan vara användbart! Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 28(36)

29 NMOS:ENS BODY ÄR JORDAD! polykisel Al n + n + p + N-well p + p - P-substrat Substrat och source; vi har nu två terminaler vars naturliga förkortningar är S: Därför säger vi body (B) om transistorns substratsterminal. Det P-dopade substratet omfattar hela chipset (den N-dopade well en är lokal). PMOS:ars body har valfri spänning, medan NMOS:ars body måste alla jordas, annars kortsluter substratmaterialet alla anslutna spänningar. Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 29(36)

30 BODYEFFEKTEN PÅVERKAR TRÖSKELSPÄNNINGEN! 1: Spänningen på source för den övre NMOS:en i kretsen till höger följer, och ligger alltid ovanför DC-jord. 2: Men NMOS:ens body är ju alltid ansluten till DC-jord. 1+2: Nu uppstår en positiv spänning mellan source och body! Bodyeffektens inverkan på V T(0) är G D B S V T = 2qε N a ( 2φ F + V SB 2φ F ) C ox Detta beskriver förändringen av V T för en NMOS-transistor, när V SB > 0. - N a står för dopningen i substratet och ges i antal dopatomer/cm 3. Såväl φ F som N a beskrivs mer utförligt i SPICE-övning 2. Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 30(36)

31 Småsignalsschemat Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 31(36)

32 VAD ÄR ETT SMÅSIGNALSSCHEMA? Ett småsignalsschema är en representation av en krets med avseende på dess småsignalsegenskaper. Som vi kommer märka upprepade gånger under kursen, antar vi gärna ett förenklat synsätt på olinjära halvledare: Vi tänker oss att spänningar och strömmar rör sig så begränsat i amplitud att vi kan betrakta (modellera) t.ex. en transistor som en komponent som förstärker en insignal på ett linjärt sätt. Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 32(36)

33 EXEMPEL PÅ SMÅSIGNALSSCHEMA 1(4) Vi tar en mycket förenklad krets som exempel: Strömkällans ström styrs med småsignalen v in förstärkningen kan då anses vara konstant (= a). R I 0 + a v in Utsignalen 0, för v in = 0, ligger på en nivå som bestäms av strömmen i arbetspunkten, nämligen I 0 : 0 = V DD R I 0. Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 33(36)

34 EXEMPEL PÅ SMÅSIGNALSSCHEMA 2(4) När den varierande insignalen har en liten amplitud (= är en småsignal, v in ) kan vi alltså anta att strömkällans förstärkningsfaktor a är konstant. Detta innebär att en liten, linjär ökning av v in ger en linjärt ökande ström genom strömkällan, vilket leder till att spänningsfallet över resistansen R ökar och att faller. På samma sätt ger en minskning av v in upphov till ett ökande. Vi kan sammanfatta dessa båda beteenden som: = V DD R ( I 0 + a v in ). Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 34(36)

35 EXEMPEL PÅ SMÅSIGNALSSCHEMA 3(4) Variationen i insignalen, och dess effekt på utspänningen, kan representeras som nedanstående småsignalsschema, där (lik)spänningsförsörjningarna bundits samman till en signaljord. Kontrollera nu hur en variation i insignalen slår igenom i schemat och påverkar utsignalen när den senare också är representerad som en småsignal. Begreppet signaljord är problematiskt att förstå om man inte noggrant analyserar exemplet jag just gav! + a v in R v ut - Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 35(36)

36 EXEMPEL PÅ SMÅSIGNALSSCHEMA 4(4) Sammanfattning: Alltså, i schemat till höger finner vi att v ut = R ( a v in ). + a v in R v ut - Ovanstående uttryck beskriver den småsignalsvariation som sker inom uttrycket för totala spänningen på utgången på kretsen till höger = V DD R ( I 0 + a v in ). I 0 + a v in R Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 36(36)