Da se podsetimo - leda.elfak.ni.ac.rsleda.elfak.ni.ac.rs/education/elektronika/predavanja/prethodna/07. Diferencijalni i... · 1 26. novembar 2013. Višestepeni poja čava či Simbol

126. novembar 2013. Višestepeni pojačavači

Simbol nMOSFET tranzistora:

Da se podsetimo

22

Diferencijalni pojačavači


Sadržaj

1. Zašto?

2. Princip rada

3. Osobine

4. Realizacija sa MOS

5. Realizacija sa BJT


Zašto diferencijalni ?

Naziv „diferencijalni“ šta zna či?

Pojačavaju razliku signala.

Zašto razliku, a ne zbir? - diferencijalni

- poništavanje smetnji

Uz to:

- mala temperaturska osetljivost, mali temperatuski

drift

- veliko pojačanje

- laka realizacija u IC


Zašto diferencijalni ?

Poništavanje smetnji:

1V 1V

1V 1V

1V 1V

2V 2V

2V 2V

1V 1V

-1V -1V-1V-1V

2V 2V

A A

B B

A-B A-B


Dva ZE (ZS) stepena sa E (S) vezanim za isti čvor

pobuđena invertovanim signalima vu1= -vu2=vu/2

Princip rada

vu1 vu2 vu1 vu2

vi=vC1-vC2

vC1 vC2

Simetričan izlazvi=vD1-vD2

vD1 vD2


Moguće kombinacije:

Princip rada

Asimetrični ulaz Asimetrični izlaz

vD1 vD2 vD2

+ vu1/2 - vu1/2


Želja:Što veće pojačanje razlike ulaznih signala.

Što manje pojačanje srednje vrednosti ulaznih signala.

Što veća ulazna otpornost.Što manja izlazna otpornost.

Osobine

Osobine diferencijalnih pojačavača:

Solidno pojačanje razlike ulaznih signala (kao ZS/ZE).Malo pojačanje srednje vrednosti ulaznih signala(veliko potiskivanje srednje vrednosti).

Veća ulazna otpornost nego ZS/ZE.Veća izlazna otpornost nego ZS/ZE.


Primer MOS pojačavač:Realizacija sa MOST

Dva simetrična ulaza

Dva simetrična izlaza

Ulazni signali:

Korisni: signal razlike (diferencijalni)

Neželjeni: signal srednje vrednosti

R0

21

2121 )(

ggudUD

gGgGGGUD

vvvv

vVvVvvv

−==

+−+=−=

( ) ( )( )

UCUCMgg

GUS

gGgGGGUS

vvvv

Vv

vVvVvvv

≡≡+

+=

+++=+=

2

2/)(2/

21

2121

vg1vg2

Za vg1=-vg2 je vd1=-vd2( )

GUC

UCUCMUSUS

ggGUS

VV

VVVv

vvVv

=≡≡=

++=

221


Primer MOS pojačavač:Realizacija sa MOST

Dva simetrična ulaza:

vg1=-vg2=vg/2; vud=vg,

VG1=VG2=VG=VUS=VCM

R0

vg1vg2

22/

22/

2

1

gCMudUCG

gCMudUCG

vVvvv

vVvvv

−=−=

+=+=gm1, ro1

gm2, ro2


Izlazni signali na D1 i D2

Realizacija sa MOST

R0

idddddDDID

dDdDDDID

vvvvvVVv

vVvVvvv

=−=−+−=+−+=−=

212121

221121

)()(

)(

( )( )

( )ICICM

ddDIS

dDdDIS

DDIS

vvvv

Vv

vVvVv

vvv

≡≡++=

+++=+=

2

2/)(

2/

21

2211

21vg1 vg2

Za identične tranzistore i RD1=RD2

VD1=VD2=VD

0

Za vg1=-vg2 , RD1=RD2 i identične tranzistore je vd1=-vd2

DICMICM VVv ==

gm1, ro1

gm2, ro2


Izlazni signali na D1 i D2, diferencijalni izlaz

Realizacija sa MOST

R0

vg1 vg2

21

21

gg

dd

ud

idd vv

vv

v

vA

−−==

021 →−==CM

dd

uc

idc V

vv

v

vA

Faktor potiskivanja srednje vrednosti

CMRR (Common Mode Rejection Ratio):

Pokazuje koliko puta je pojačanje razlike veće od pojačanja srednje vrednosti

c

d

A

A=ρ

gm1, ro1

gm2, ro2


Za RD1=RD2=RD i identične tranzistore:

diferencijalno pojačanje jednako pojačanju ZS

DmDo

Domd Rg

Rr

RrgA −≈

+−=

===

µom

io

m

rg

Rr

Sg

Realizacija sa MOST

RS

DiDDi

Dd RRSR

RR

RA >>−≈

+−= za ,

µµµµ

Videti petu nedelju predavanja „Jednostepeni MOSFET pojacavaci“ slajd 25

gm1, ro1

gm2, ro2



pojačanje srednje vrednosti jednako je pojačanju ZS sa otpornikom 2RS u sorsu (degeneracija u sorsu).

SomDo

Domc RrgRr

RrgA

)1(2 +++−=

===

µom

io

m

rg

Rr

Sg

Realizacija sa MOST

RS

SDi

Dc RRR

RA

)1(2 +++−=

µµµµµµµµ

gm1, ro1

gm2, ro2



CMRR veće za veće RS

izvor konstantne struje umesto RS.

Realizacija sa MOST

Do

Som

Rr

Rrg

++

+=)1(2

1ρρρρ

R0

Di

S

RR

R

++

+=)1(2

1µµµµρρρρ

gm1, ro1

gm2, ro2


izvor konstantne struje umesto R0.

Realizacija sa MOST

R0

gm1, ro1

gm2, ro2



Za simetrični izlaz

Ac=0.

Ad=-gmRD.

ρρρρ→∞

Realizacija sa MOST



Izlazna otpornost

Realizacija sa MOST

DDDo

oi RRR

I

VR 221 =+==

~Vo

I o

+ -

Dva puta veća nego

kod pojačavača sa ZS


Realizacija sa MOSTDomaći 7.1:

U kolu sa slike upotrebljeni su identični tranzistori sa Vt=0.5V, µµµµnCox’W/L=2A=4mA/V2, λλλλ=0.

Poznato je I=0.4mA, VDD=VSS=1.5V i RD=2.5kΩΩΩΩ.

a) Za VUS =0V odrediti VS , ID1, ID2, VD1 i VD2.(VS=-0.82V, ID1 =ID2=0.2mA, VD1 =VD2=1V)

b) Ponoviti postupak pod a) za VUS=-0.2V. (VS=-1.02V, ID1 =ID2=0.2mA,VD1=VD2=1V)

c) Ponoviti postupak pod a) za VUS =0.9V. (VS=0.08V, ID1 =ID2 =0.2mA, VD1=VD2=1V)

d) Koliko iznosi najveći napon VUS pri kome je I=0.4mA, a

tranzistori rade u oblasti zasićećnja? (VUSmax=1.5V)

e) Odrediti Ad, Ac i CMMR. (gm=1.25mA/V, Ad =-3.125V/V, Ac =0, CMRR →∞)

vUS

E7.120


Primer BJT pojačavač:Realizacija sa BJT

RE

Za one koji žele da nauče više


Za potpuno simetrično kolo sa velikimRE (izvor konstantne struje).

Za h12E =0 i h22E =0.

Smatra se da su Rg1=Rg2=0.

CmCE

Ed RgR

h

hA −=−=

11

21

)2

1(2 112111

21

E

EEEE

CEc

Rh

hhR

RhA

++−= Pojačanje sa ZE

pojačanje srednje vrednosti jednako pojačanju ZE sa otpornikom 2R0 u emitoru (degeneracija u emitoru).

Realizacija sa BJT

E

C

R

R

2−≈

RE



Realizacija sa BJT

Za tipi čne vrednosti h-parametara kao što su h11E=2 kΩ h21E=150 i h22E=1/R0=25 µA/V, dobija se ρ = 6000.

Faktor potiskivanja ne zavisi od RC nego od RE. Manja I c ili bolji strujni izvor (Wilsonov) → veće RE.

)2

1(2 11

2111 E

EE

E

E

R

hh

h

R ++=ρρρρ

EmEE

E Rghh

R2)1(

21 21

11≈++=ρρρρ

RE


2326. novembar 2013.

Realizacija sa BJT

Wilsonov strujni izvor - veće RE.

Višestepeni pojačavači

V



Realizacija sa BJT

Ulazna otpornost

~

Eu hI

VR 112==

VI

2x veća nego kod ZE


RE



Realizacija sa BJT

Izlazna otpornost

~21 CCi RR

I

VR +==

VZa RC1=RC2

2x veća nego kod ZE




Realizacija sa MOST

Domaći 7.0 :

U kolu sa slike upotrebljen je

tranzistor sa αααα=1, VBE=0.7V.

Poznato je I=1mA, VCC=15V i

RC=10kΩΩΩΩ, vBE1=5+0.005sin(ωωωωt)V

vBE2=5-0.005sin(ωωωωt) V.

Odrediti

a) iC1, iC2, (iC1=0.5+0.1sin(ωωωωt) mA, iC2 =0.5-0.1sin(ωωωωt) mA)

b)vC1, vC2. (vC1=10-1sin(ωωωωt) V, vC2=10+1sin(ωωωωt) V)

c) Ad. (Ad =200V/V)



Realizacija sa BJT

MOS v.s. BJT

RuMOS > RuBJT

gmMOS < gmBJT

MOST teže se uparuje od BJT

Višestepeni pojačavači28


Prenosne karakteristike

zavisnost trenutne vrednosti izlazne veličine od trenutne vrednosti ulazne veličine.

Statička –

za spore signale – bez reaktivnih elemenata

Dinamička –

za VF – sa reaktivnim elementima

Diferencijalni poja čavači


Prenosne karakteristike MOSTStrujna

Statička prenosna karakteristika sa MOST

ID1 + ID2 = I o

VG1 raste, T1 provede:ID1 , ID2 VDS1 , VDS2

VG1 menjamo VG1 malo, T1 zakočen.Za VG2> Vt , ID2=I o , VDS1max=VDD

ID1max = I o za VGS1-Vt=(Io/A)1/2

VDS1min = VDD – I oRD

VDS2max= VDD

ID1 ID2

gm1, ro1

gm2, ro2


Prenosne karakteristike MOSTStrujna

Statička prenosna karakteristika sa MOST

ID1 + ID2 = I o

VG2 raste, T2 provedeID2 , ID1 VDS2 , VDS1

Sličnom analizom za VG2 malo, T2 zakočen.ID1=I o , VDS2max=VDD

ID2max = I o za VUD=-(Io/A)1/2

VDS2min = VDD – I oRD

VDS1max= VDD

ID1 ID2

gm1, ro1

gm2, ro2


Raspon (dinamika) izlaznog signala

Statička prenosna karakteristika MOST

∆∆∆∆Viz =(Vizmax) – (Vizmin)=2RDI o

Raspon (dinamika) izlaznog signala proporcionalna sa RD i I o.

Vizmax =(VDS2max- VDS1min) = VDD–(VDD -I oRD)

Vizmax =IoRD

Vizmin =(VDS2min- VDS1max) = (VDD-I oRD) –VDD

Vizmin =-IoRD


Raspon (dinamika) ulaznog signala?


linearna oblast∆∆∆∆Vu =2(I o /A)1/2 ~0.5V

∆∆∆∆Vu =2(I o /A)1/2 ~0.5V

gm nagib

Za Vud = (I o /A)1/2 → ID1 = I o , ID2 =0

Za Vud = -(I o /A)1/2 → ID1 = 0, ID2 = I o



Naponska

nagib


Strujna

Statička prenosna karakteristika sa BJT

IE1 + IE2 = -I o

VBE1 raste, T1 vodi → IC1 VCE1 ; IC2 , VCE2

VBE1 menjamo: VBE1 malo, T1 zakočen →VCE1=VCC , IC2=I o

IC1 + IC2 ≈ I o

za velikoVBE1, IC1max = I o, VCE1min = VCC - I oRC



Raspon (dinamika) izlaznog signala

∆∆∆∆Viz =(Vizmax) – (Vizmin)=2RCI o

Raspon (dinamika) izlaznog signala proporcionalna sa RC i I o.

Statička prenosna karakteristika BJT Za one koji žele da nauče više


Raspon (dinamika) ulaznog signala?

1

linearna oblast

∆∆∆∆Vu =4VT ≈ 100mV

∆∆∆∆Vu =4VT ≈ 100mV

Statička prenosna karakteristika BJTZa one koji žele da nauče više


1

linearna oblast

∆∆∆∆Vu =4VT ≈ 100mV

nagib gm =I o/4VT

Pojačanje direktno zavisi od struje I o

Veće I o, veće pojačanje

StrujnaStatička prenosna karakteristika BJT



Statička prenosna karakteristika BJT

Naponska

nagib

mdCT

oC

BBBB

iz

gRVI

RA

VVVV

VA

⋅−=

=

=−∂∂

=

24

2

)( 2121



Statička prenosna karakteristika BJT

Povećanje dinamičkog opsega ulaznog napona postiže se ugradnjom emitorskih otpornika u oba tranzistora (negativna povratna sprega)




Poboljšanje performansi

Veće pojačanje zahteva veće RC (RD)

Rešenje – strujni generatori kao dinamičko opterećenje


Veće pojačanje – bolji osnovni pojačavači

Rešenje – kaskodna sprega



Veće pojačanje – tranzistori sa većim ββββVeća ulazna otpornost

Rešenje – Darlingtonov par



Parametri realnih diferencijalnih poja čavača

1. Naponska razdešenost - ofset (offset)

2. Strujna razdešenost - ofset (offset)

3. Faktor potiskivanja napona napajanja

(Power Supply Rejection Ratio- PSRR).



1. Naponska razdešenost - ofset

Postoji napon na izlazu i kada je VUD=0.

Zašto?


VIZ=VC1-VC2=RC(IC1-IC2)

- Posledica različitih IC

pri VBE1=VBE2


Da bi se izjednačile struje, na jedan ulaz treba dovesti određeni napon VOS

Vrednost ovog napona poznata je kao naponska razdešenostili naponski ofset(x mV)

Naponska razdešenost - ofset

∆∆∆∆IC


Da bi se izjednačile struje, na jedan ulaz treba dovesti napon VOS


∆∆∆∆IC


VBE zavisi o temperature, tako da i naponska razdešenostzavisi od temperature.

Ovaj parametar zove se drift ofset napona

∆∆∆∆VOS/∆∆∆∆T (x µV/K )


∆∆∆∆IC

VOS2 4826. novembar 2013. Višestepeni pojačavači

Kompenzacija naponskog ofseta Naponska razdešenost - ofset


Strujna razdešenost - ofset

Strujni ofset

Usled nesavršenosti proizvodnje, diferencijalni par imaće različito ββββ.

Zato će se razlikovati IC čak i kada su IB iste.

Tipi čna vrednost strujnog ofseta iznosi 10% nominalne vrednosti struje baze.

I zbog toga je potrebno da IB budu male (znači: Ru veliko, tranzistori sa velikim ββββ)

IOS zavisi od temperature50


Strujna razdešenost - ofset

Kompenzacija strujnog ofseta


Diferencijalni poja čavač

Faktor potiskivanja napona napajanja

(Power Supply Rejection Ratio – PSSR)

Koliko promene napona napajanja utiču na odziv?




2DmRg

PSRR ≈

Da bi se povećao faktor potiskivanja napona napajanja treba povećati Ad, odnosno treba povećati RD.

To je moguće uz ...

primenu aktivnog opterećenja u drejnu.



Bolji PSRR, Ad i ρρρρ uz primenu aktivnog opterećenja u drejnu

Gde je ovde ulaz? Izlaz?

54Višestepeni pojačavači

Diferencijalni poja čavač

Frekvencijska karakteristika

Definisana parazitnim kapacitivnostima

Za Ad ista kao kod pojačavača ZE (ZS)

Za Ac treba zameniti RS sa ZS (RS||CS)

Z0 = (R0||C0)

)/(1/1 v

Dm

v

Dmd ffj

Rg

s

RgA

+−=

+−=

ω

)1(22 SS

S

D

S

Dc RsC

R

R

Z

RA +−=−≈

SSZ RC

fππππ2

1=))/(1(

2 ZS

Dc ffj

R

RA +−=

26. novembar 2013.


Frekvencijska karakteristika diferencijalnog pojačavača

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

2

Zv

Sm

ffjffj

Rg

++=ρρρρ

)/(1 v

Dmd ffj

RgA

+−=

))/(1(2 Z

S

Dc ffj

R

RA +−=

56



Sadržaj

1. Zašto višestepeni?• Da li smo do sada pominjali neke višestepene?

2. Kako se realizuju?

3. Osobine idealnih i realnih višestepenih pojačavača• Pojačanje • Frekvencijska karakteristika

5830. novembar 2010 Višestepeni pojačavači

Zašto višestepeni pojačavači?

Da bi se dobili BOLJI pojačavači.Koji su bolji?

Sličniji idealnim:veće pojačanjeoptimalna ulazna otpornostoptimalna izlazna otpornostbolje frekvencijske kakrakteristike (ALI...)

Za naponske pojačavače to znači:• Veće pojačanje napona• Ulazna otpornost ...• Izlazna otpornost ...

VEĆAMANJA

5930. novembar 2010 Višestepeni pojačavači

Zašto višestepeni pojačavači?

Jedan pojačavački stepen obično nije dovoljan da bi se postiglo željeno pojačanje

od generatora do potrošača. Veće pojačanje može da se postigne spregom više

osnovnih pojačavačkih stepena.

Kaskadna veza pojačavača


Princip povezivanja višestepenih pojačavača

Za prvi stepen vezuje se pobudni generator čija je unutrašnja otpornost Rg.

Za izlaz poslednjeg stepena vezuje se potrošač Rp.

Vezuju se za isti napon napajanja

Rp

Iu1

Vi1

I i1A1Vu1

Vu1

VgRg

Iu2

Vi2

I i2A2Vu2

Vu2

Iuk

Vik

I ikAnVuk

Vuk

...


Princip povezivanja višestepenih pojačavača

Idealno: DC radna tačka svakog stepena postavlja se nezavisno za savaki stepen posebno.

Ovo implicira da su pojedini stepeni međusobno razdvojeni za jednosmerne signale (Međutim ...).

Mora da postoji sprega za naizmenične signale.

Kolo za spregu?

Vi1

I i1A1Vu1

Vu1

RgIu2

I i2A2Vu2

Vu2

...Rp

VgIu1

Vi2


Kako se realizuju višestepeni pojačavači

Kako razdvojiti DC a ne oslabiti AC?

Šta čini kolo za spregu “S”?

VgIu1

Vi1

I i1A1Vu1

Vu1

RgIu2

Vi2

I i2A2Vu2

Vu2

S S


Vrste sprege:

Kapacitivna

Induktivna

Transformatorska

Direktna

A1 A2

A1 A2

A1 A2

A1 A2

Kako se realizuju višestepeni pojačavači


Osobine višestepenih pojačavača

Idealno kolo za spregu ne slabi naizmenične, a blokira jednosmerne signale.

Tada za naizmenične signale važi:

VgIu1

Vi1

I i1

Rp

A1Vu1

Vu1

RgIu2

Vi2

I i2A2Vu2

Vu2

Iu(k)

Vi(k)

I i(k)AkVu(k)

Vu(k)

)()1(21 , ... , kukiui VVVV == −


Pojačanje

VgIu1

Vi1

I i1

Rp

A1Vu1

Vu1

RgIu2

Vi2

I i2A2Vu2

Vu2

Iuk

Vik

I ikAnVuk

Vuk

∏=

−−

===

==k

iikk

u

i

i

i

kiuk

ik

u

ik AAAAAVV

VV

VVV

VV

A1

1211

1

1

2

)1(1......


Vi(k-1)

Pojačanje u dB?

][][][...][][][1

121 dBAdBAdBAdBAdBAdBAk

iikk ∑

=− =++++=


Realni:

Pojačanje pojedinih stepena nije jednako pojačanju neopterećenih pojačavača!

Svaki prethodni stepen opterećen je ulaznom otpornošću narednog.

Svaki naredni stepen pobuđuje se preko izlazne otpornosti prethodnog.



Za naizmenični signal,m-ti stepen u pojačavačkom lancu okarakterisan je pojačanjem Am

(naponskim/strujnim), ulaznom otpornošću Rum i izlaznom otpornošću Rim.

Za naponski:iu1

vimVu(k)

Ao(k)vu(k)vi(k) Rp

Rg

vg


ii(k)

Rim

iim

Ri(k)

vum

ium

Rum

Aomvum

Ruk...Ru(m+1)

Ao(m-1)vu(m-1)

Ri(m-1)

vu1

Ru1 ...

immu

mum

um

imm RR

RA

VV

A+

==+

+

)1(

)1(0

Realni:

0 00 0


Ukupno pojačanje

g

u

u

i

u

i

ku

kiu

g

u

u

i

i

i

ki

ki

g

kiu

V

V

V

V

V

V

V

VA

V

V

V

V

V

V

V

V

V

VA

1

1

1

2

2

)(

)(

1

1

1

1

2

)1(

)()(

...

...

=

==−


gu

ukku RR

RAAAAA

+= −

1

1121...

iu1

vimVu(k)

Ao(k)vu(k)vi(k) Rp

Rg

vg

ii(k)

Rim

iim

Ri(k)

vum

ium

Rum

Aomvum

Ruk...Ru(m+1)

Ao(m-1)vu(m-1)

Ri(m-1)

vu1

Ru1 ...

Realni:

0 00 0



Ukupno pojačanje

+

++=

++++=

∏∏= −=

−−

k

i iiiu

iuk

ioi

kip

p

gu

uu

gu

uo

iu

uko

kiku

kuko

kip

pu

RR

RA

RR

R

RR

RA

RR

RA

RR

RA

RR

RA

RR

RA

2 )1()(

)(

1)(1

1

1

11

12

2)1(

)1()(

)()(

)(

...


iu1

vimVu(k)

Ao(k)vu(k)vi(k) Rp

Rg

vg

ii(k)

Rim

iim

Ri(k)

vum

ium

Rum

Aomvum

Ruk...Ru(m+1)

Ao(m-1)vu(m-1)

Ri(m-1)

vu1

Ru1 ...

Realni:

0 00 0




Vu1

I u1

vi1Ao1Vu1

Zuk Rp

Rg

VgZu2

...Vuk

I ik

AokVuk

Vk

Ukupno pojačanje pri VF

+

++= ∏∏

= −=

k

i iiiu

iuk

iiov

kip

p

gu

uuv ZZ

ZsA

ZR

R

RZ

ZsA

2 )1()(

)(

1)(

)(1

1 )()(

Realni:

00 00

Rik

I ukI i1

Zi1

Zu1


71


Neka su svi pojačavački stepeni identični sa realnim ulaznim i izlaznim impedansama i

viv

iiov j

A

j

AsA

ωωωω /1/1)( 0

)(

)(0)( +

=+

=


( )kv

kk

vuv

j

AK

j

AKsA

ωωωω /1/1)( 00

+=

+=

gde je

2−

+++=

k

iu

u

ip

p

gu

u

RR

R

RR

R

RR

RK


Realni:Za one koji žele da nauče više

72


gornja granična frekvencija definisana je sa


( ) 2/1)( 00

k

kvuv

k

uvuv

KA

j

AKA =

+=

ωωω

Ukupno pojačanje rastesa k-tim stepenom!

Ukupni propusni opsegse sužava - smanjuje!

Ukupni propusni opseg manji je od najužeg propusnog opsega pojedinačnog pojačavača

12 −= kvuv ωω < vω


Realni:

73

Ukupno pojačanje pri VF za 1, 2 i 4 stepenaOsobine višestepenih pojačavača

1 2 3 4 5 6 70

50

100

150

200

10 10 10 10 10 10 10f1f2f4

A4

A2

A1

( ) ;/1

)(1

11 fjf

AA

+=ω

( ) ;/1

)()()( 21

21

112 ωωωωω

j

AAAA

+==

( ) ;/1

)()()()()( 41

41

11114 ωωωωωωω

j

AAAAAA

+==


Realni:

[?]


Pojedini pojačavački stepeni mogu biti upotrebljeni za prilagodjenje (naponsko ili strujno) sa generatorom i/ili potrošačem izmedju kojih treba da se nadje osnovni pojačavač čija je glavna namena pojačanje napona.

Stepen sa zajedničkim emitorom/sorsom ima zadatak da obezbedi potrebno naponsko pojačanje, dok se stepen ZB/ZG koristi za strujno a ZC/ZD za naponsko prilagođenje.

Kolike su vrednosti ulazne/izlazne otpornosti ZB/ZG i ZC/ZD?

Osobine višestepenih pojačavačaRealni:

Videti petu i šestu nedelju predavanja



Kapacitivna sprega: povezuje Ri(n-1) i Ru(n) preko C zato se zove i RC sprega

Ri(n-1)

A0(n-1) Vu(n-1)

Ru(n)

Vi(n)

CC

Realni:


RC sprega

Uticaj elemenata za spregu na amplitudsku karakteristiku

Razmotrimo spregu između 1. i 2. stepena.Pri NF reaktansa kondenzatora nije zanemariva.Za f=0, XCs→∞; prekid za DC

I u1

Vi1

I i1

Ru1

Ri1

Ao1Vu1

Ru2Vu2

CC

Realni:

0

77

0


RC sprega

Uticaj elemenata za spregu na amplitudsku karakteristiku pri NF

Ri1

Ru2

1

21

21

1

2

uS

i

uo

u

un

RCj

jR

RA

V

VA

++==

ω

)(1 21

21

uiC

uCon RRCj

RCjAA

++=

ωω

)(1

)(

)( 21

21

21

21

uiC

uiC

ui

uon RRCj

RRCj

RR

RAA

+++

+=

ωω

10

C

Cn j

jAA

ωτωτ

+=

/1

/0

n

nn j

jAA

ωωωω

+=

CC

Ao1Vu1

Vu2



1

)( 0

n

n

f

fj

f

fj

AfA+

=

[ ] log200

dBA

A

nf

f

/1

)( 0ns

sAsA

ω+=

)(

1

21 uiCn RRC +

=ω

Doprinos kondenzatora za spregu odgovaradoprinosu filtra propusnika visokih frekvencija.

RC sprega

Ri1

Ru2

Ao1Vu1

CC



/1

/0

k

n

nun j

jAA

+=

ωωωω

Pretpostavimo da jek pojačavača vezano kaskadno ida su pojačavači identični tako da je:

RC sprega

Uticaj elemenata za spregu na amplitudsku karakteristiku pri NF

...21 nnknn ωωωω ====

Tada će granična frekvencija biti:

12 −=

k

nun

ωω

[ ] log200

dBA

A

nf

f> nω

Realni:


RC sprega

Potrošač priklju čen za pojačavač preko CS2

)(22 piCC RRC +=τ )(11 ugCC RRC +=τ

)(1)(1 2

2

1

11

ipC

Cp

guC

Cu

g

pvn RRCj

CjR

RRCj

CjRA

V

VA

++++==

ωω

ωω

11 2

2

1

11

C

C

C

Cn j

j

j

jAA

ωτωτ

ωτωτ

++=



RC sprega

Pojačavač saC u sorsu/emitoru(CS ili CE)na NF

)(11 ugCC RRC +=τ

)(22 piCC RRC +=τ

[ ]dBv

v

g

i

Ima tri pola, dominantni uz CS (CE)

/2 mSp gC=τ

( ) )1/(2 eEBeEp rCRrC ≈++= βτ

MOSFET

BJT



RC sprega

Uticaj elemenata za spregu na amplitudsku karakteristiku pri VF može da se zanemari.

Na VF utiču parazitne kapacitivnosti (Milerov efekat).

Dolazi do izražaja kompleksni oblik Zu i Zi.

Tranzistori se ne ponačaju unilateralno.

Na Zu utiče opterećenje -Zu narednog stepena.

Na Zi utiče Z iz pobude -Zi prethodnog stepena.

Zato je analiza veoma složena i obavlja se uz pomoć računara.

Realni:

83

Primer:

Dvostepeni MOSFET pojačavač

RC sprega


Rg

I2RG

VDD VDD

0

RD

RPRGI1

VSS

CC3

CS2VSSCS1

CC1

RD

CC2

Q2MOSFET N

Vg

Q2MOSFET N

84

0

RD

RG

CC1

Vg RG

CC3

CS1

RD

CC2Q2

RP

Rg

CS2

Q2


Vu1Vu2

Ao1Vu1 AonVu2

Vi2

RC sprega


85

0

VgRp

12

Rg12

CC2

12

CC1 CC3

12

12

12


Vu1 Vu2

Ao1Vu1 Ao2Vu2

VpRu1

Ri1Ru2

Ri2

RC sprega

26. novembar 2013. Višestepeni pojačavači86

0

VgRp

12

Rg12

CC2

12

CC1 CC3

12

12

12


SF

Vu1 Vu2

Ao1Vu1 Ao2Vu2

VpRu1

Ri1Ru2

Ri2

212

2

1

121

1

11

12

22

2

1

1

2

2

ip

p

iu

u

gu

uoo

gu

uo

iu

uo

ip

pu

g

u

u

u

u

p

g

pu

RR

R

RR

R

RR

RAA

RR

RA

RR

RA

RR

RA

V

V

V

V

V

V

V

VA

+++=

+++=

==

RC sprega


87


SF

( )Dp

p

DG

G

gG

GDmu

DoDii

Guu

Dmoo

RR

R

RR

R

RR

RRgA

RrRRR

RRR

RgAA

+++=

≈====

−==

2

21

21

21

RC sprega

0

VgRp

12

Rg12

CC2

12

CC1 CC3

12

12

12

Vu1 Vu2

Ao1Vu1 Ao2Vu2

VpRu1

Ri1Ru2

Ri2

Za RG>>Rg, RD

Rp>>RD

( )2DmRg≈

88

232

1212

2

11

1

1

1

2

2

/1/1/1 ocip

po

ciu

u

cgu

uu

g

u

u

u

u

p

g

pu

ACjRR

RA

CjRR

R

CjRR

RA

V

V

V

V

V

V

V

VA

ωωω ++++++=

==


NF

RC sprega

0

VgRp

12

Rg12

CC2

12

CC1 CC3

12

12

12

Vu1 Vu2

Ao1Vu1 Ao2Vu2

VpRu1

Ri1Ru2

Ri2


89

)(1)(1)(1 3

3

2

2

1

121

DpC

pC

DGC

GC

gGC

GCoou RRCj

RCj

RRCj

RCj

RRCj

RCjAAA

++++++=

ωω

ωω

ωω

)(1)(1)(1 23

3

122

22

11

1121

ipC

pC

iuC

uC

guC

uCoou RRCj

RCj

RRCj

RCj

RRCj

RCjAAA

++++++=

ωω

ωω

ωω


NF

RC sprega

0

VgRp

12

Rg12

CC2

12

CC1 CC3

12

12

12

Vu1 Vu2

Ao1Vu1 Ao2Vu2

VpRu1

Ri1Ru2

Ri2


CCCC

Smpp

pDmoo

CCCC

Cgj

jRgjAjA

===

=+

−≈=

321

22

221 ;/ ;

)/(1

)/()()( ω

ωωωω

ωω

( ) ( ) 2

2

2

2

232

)/(1

)/(

)(1

1

)1(

++++≈

p

p

DpCGC

pGCDmu j

j

RRCjRCj

RRCjRgA

ωωωω

ωωω

RC sprega


NF

0

VgRp

12

Rg12

CC2

12

CC1 CC3

12

12

12

Vu1 Vu2

Ao1Vu1 Ao2Vu2

VpRu1

Ri1Ru2

Ri2


91

0

RD

RG

CC1

Vg RG

CC3

CS1

RD

CC2Q2

RP

Rg

CS2

Q2

RC sprega


VF

Kapacitivnosti za spregu CC1 i CC2 i CS predstavljaju kratak spoj na VF.

Dominiraju parazitne kapacitivnosti tranzistora.

Vu1

Vu2

Ao1Vu1 AonVu2

Vi2


RC sprega


VF

0

Vu1Vu2

gmVgs1

RG RDCgs

Cgd

VpgmVgs2

RG RDCgs

Cgd

Rp

Tranzistor nije unilateralan usled Cgd


93

RC sprega


VF

0

Vu1Vu2

gmVgs1

RG RDCgs

Cgd

VpgmVgs2

RG RDCgs

Cgd

Rp

Analiza na VF je složena jer tranzistori nisu unilateralni, tako da Zu zavisi od opterećenja na izlazu, a Zi od opterećenja na ulazu.


Direktna sprega - primena u IC

Problemi – izazovi

• polarizacija aktivne komponente u narednom stepenu (radna tačka u aktivnoj oblasti, a jednosmerni signal na ulazu je veliki jer je definisan radnom tačkom na izlazu prethodnog stepena).

Direktna sprega


95

Direktna sprega - primena u IC

Problemi – izazovi

• nestabilnost jednosmernih nivoa na izlazu usled

međusobne zavisnosti DC nivoa (svi su u vezi sa

svima).

Direktna sprega


Klju čno je stabilizovati prvi stepen jer ga ostali “prate” i poja čavaju efekte

96

Dvostepeni ZSDirektna sprega

Velika razlika između napona na drejnu prvog i gejtu drugog “skida” se preko razdelnika napona



97

Dvostepeni ZSDirektna sprega

Velika razlika između napona na drejnu prvog i gejtu drugog “skida” se ubacivanjem rednih dioda



98

Direktna sprega

Uobičajeno je da se koristi dinamička otpornost MOS tranzistora umesto R.

U CMOS IC, RT svakog stepena (grane) podešava se preko izvora referentnih napona i struja.

Izvore konstantne struje smo pominjali.

Pojedinim granama podešava se RT korišćenjem složenijih strujnih ogledala.

Za definisanje referentne struje i RT* neophodno je obezbediti polarizaciju preko izvora referentnog napona.

(* Npr. za ZG kod kaskodnih pojačavača)

99

Direktnom spregom može da se se postigne veće ββββ i veća ulazna otpornost tranzistora

Darlingtonova sprega

Direktna sprega

21βββ =e

NPN PNP 26. novembar 2013. Višestepeni pojačavači

100

Darlingtonova spregaDirektna sprega

ZC-ZC veza

Velika ulazna, mala izlazna otpornost

I obezbeđuje da Q1 radi u oblasti sa velikim ββββ


101

Direktna sprega

Blok šema operacionog pojačavača

Kolo zakompenzaciju

Diferencijalnitranskonduktansni

pojačavač

Izlaznibafer

Kolo zapolarizaciju

Pojačavačkistepen


Primer:Direktna sprega

Strujno ogledalo(I 0)

aktivno opterećenje za DP

Drugi stepen ZS

aktivno opterećenje za ZS

Realizacija jednostavnogoperacionog pojačavača

Diferencijalni par

prvi stepen

103

Primer realizacije operacionog pojačavačaDirektna sprega

Kolo za polarizaciju



Realizacija sa MOSTDomaći 7.2:

•U kolu sa slike upotrebljeni su

tranzistori sa µµµµnCox=160µµµµA/V2,

Vtn=0.7V, µµµµpCox=40µµµµA/V2, Vtp=-0.8V,

VAn= -VAp =-10V.

Dimenzije tranzistora date su u tabeli.

Poznato je IREF=90µµµµA, VDD=VSS=2.5V.

Dopuniti podatke u Tabeli i naći ukupno naponsko pojačanje.

Sugestija: Najpre odrediti pojačanje svakog stepena posebno. Q1 Q1 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8

W/L 20/0.8 20/0.8 5/0.8 5/0.8 40/0.8 10/0.8 40/0.8 40/0.8

ID(µA)

VGS(V)

gm(mA/V)

ro(kΩ)

E7.3

105

Šta smo naučili?

• Zašto se koriste višestepeni pojačavači?

• Elektri čna šema, princip rada i osobine diferencijalnog pojačavača (MOS ili BJT).

• Višestepeni pojačavač napona: blok šema, ukupno pojačanje pojačavača pobuđenog iz realnog izvora.

• Frekvencijske karakteristike višestepenih pojačavača sa RC spregom.

Na web adresi http://leda.elfak .ni.ac.rs

> EDUCATION > ELEKTRONIKA

slajdovi u pdf formatuJednostepeni MOSFET pojačavači

Jednostepeni pojačavači sa MOST

26. novembar 2013.106

Jednostepeni MOSFET pojačavači

Jednostepeni pojačavači sa MOST

Ispitna pitanja?

1. Varijante realizacije diferencijalnih pojačavača (ulazno izlazni priklji čci, polarizacija i dinamičko opterećenje)

2. Diferencijalno i pojačanje srednje vrednosti ulazni signala diferencijalnih pojačavača (MOS ili BJT).

3. Uticaj degeneracije u sorsu/emitoru (RS /RE) na osobine diferencijalnog pojačavača.

4. Parametri diferencijalnih pojačavača (CMRR, strujni i naponski ofset, PSRR, uzroci efekti i korekcija)

5. Naponsko pojačanje m-tog pojačavača u kaskadnoj vezi.

6. Načini realizacije kola za spregu pojačavača.

7. Frekvencijska karakteristika dvostepenog pojačavača sa zajedničkim sorsom povezanih preko kondenzatora za spregu.

8. Problemi vezani za direktnu spregu pojačavača u integrisanim kolima.

9. Elektri čna šema i jednostavnog CMOS operacionog pojačavača.

26. novembar 2013.


Sledećeg časa

Pojačavači sa negativnom povratnom spregom


108

Rešenje 6:Izračunati napon na potrošaču od Rp=10ΩΩΩΩ ako je pobuđen iz generatora Vg=10mV i Rg=10k u

slučaju da je povezan:a) Direktno;b) preko pojačavača sa zajedničkim kolektorom čiji su parametri: RE=5k, RB=100k, h11E=1k,

h12E=0, h21E=100, h22E=0;c) preko pojačavača sa zajedničkim emitorom čiji su parametri: RC=5k, RB=100k, h11E=1k,

h12E=0, h21E=100, h22E=0;d) preko kaskadne veze pojačavača sa zajedničkim emitorom iz tačke c) (ulaz vezan za

generator) i pojačavača sa zajedničkim kolektorom iz tačke b) (izlaz vezan za Rp).

Pojačavač sa zajedničkim kolektorom

Jednostepeni pojačavači sa BJT26. novembar 2013.

109

Rešenje 6 (nastavak):


Jednostepeni pojačavači sa BJT

b) preko pojačavača sa zajedničkim kolektorom čiji su parametri: RE=5k, RB=100k, h11E=1k, h12E=0, h21E=100, h22E=0;

26. novembar 2013.110



Jednostepeni pojačavači sa BJT

c) preko pojačavača sa zajedničkim emitorom čiji su parametri: RC=5k, RB=100k, h11E=1k, h12E=0, h21E=100, h22E=0;

26. novembar 2013.

111



Jednostepeni pojačavači sa BJT26. novembar 2013.

d) preko kaskadne veze pojačavača sa zajedničkim emitorom iz tačke c) (ulaz vezan za generator) i pojačavača sa zajedničkim kolektorom iz tačke b) (izlaz vezan za Rp).


RC sprega

Pojačavač sa C u sorsu/emitoru (CS ili CE)na NF

[ ]dBv

v

g

i

Izrazi postaju još glomazniji.

Mogu da se pojednostave samo uz pretpostavku da sve vremenska konstante unose podjednaki doprinos:

ττττC1=ττττC2=ττττp2

ili da samo jedan dominira:

ττττC1>ττττC2>>ττττp2

Realni: #79Za one koji žele da nauče više

113

Dvostepeni ZE

Direktna sprega kod BJT


#88Za one koji žele da nauče više

114

Dvostepeni ZE

Projektovanje:

Pretpostavka: Tranzistori imaju identi čne karakteristike

Direktna sprega kod BJT


#88 Za one koji žele da nauče više

115

Dvostepeni ZEDirektna sprega kod BJT

Odvojeno posmatramo svaki stepen

0.7VV69.0 ≈=BVZaključi se na osnovu ulaznih karakteristika

0.11V

80µµµµA


116


Prvi stepen



117


Prvi stepen

nagib RP -Usvojeno RT:


118


Prvi stepen

∆∆∆∆IC∆∆∆∆IB

25020

5

1

1

1

11 ==

∆∆≈=

A

mA

I

I

i

iA

B

C

b

ci µ



119


Prvi stepen

20 1

2 ==b

bi i

iA



120


Drugi stepen

Kolika je jednosmerna komponenta IB2?



121


Drugi stepen

T2 u zasićenju!!!26. novembar 2013. Višestepeni pojačavači


122


Drugi stepen

Kako smanjiti IB2?

IB2


123


StabilnostZa BJT GENERALNO VAŽI

•VBE smanjuje se za 2.5 mV pri porastu T za 1 K,

• inverzna struja zasićenja kolektorskog spoja IC0

udvostručava se pri porastu T od 10 K;

• koeficijent strujnog pojačanja β raste za 0.7% pri porastu T za 1 K.



124


StabilnostZa

stepen sa zajedničkim emitorom VAŽI



125


StabilnostPorastu ∆∆∆∆T=20Kodgovara∆∆∆∆IC od 2.5 mA.

V‘ CE1 = 0.7 V V‘ BE1 = 0.65 V

µA35.361375

65.07.0´´´

1

11 =−=−=B

BECEB R

VVI

I’ B


126


Klju čno je stabilizovati prvi stepen jer ga ostali “prate” i poja čavaju efekte

Direktna sprega ima ograničenu primenu u temperaturnom opsegu bez dodatne kompenzacije



127

Izvori referentnog naponaDirektna sprega

Klju čni parametar jeste osetljivost na promenu VDD.

Izvor referentnog napona je bolji ukoliko je stabilniji.


< 1


128

Izvori referentnog napona BJTDirektna sprega



129

Izvori referentnog napona sa MOST Direktna sprega


[ ]AR

VtVDDARVVV tGSr 2

1)(41 +−−−==

AR

VVV DD

tr +≈=

DDt

VV VARV

S DDGS /1

5.0

+≈=


130

Izvori referentnog naponaDirektna sprega



Documents

Da se podsetimo - leda.elfak.ni.ac.rsleda.elfak.ni.ac.rs/education/elektronika/predavanja/prethodna/07. Diferencijalni i... · 1 26. novembar 2013. Višestepeni poja čava či Simbol