1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs MOS Transistor NN pn verarmt Leitungsband...

1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

MOS Transistor

verarmt

Leitungsband

Valenzband

Löcher

Elektronen

Source Drain

Leitungsband

Valenzband

Elektronen Löcher

Valenzelektronen + Donator-IoneValenzelektronen + Anzeptor-Ione

N Silizium P Silizium

MOS Transistor

verarmt

Leitungsband

Valenzband

Löcher

Elektronen

Source Drain

MOS Transistor – Gate Spannung

Leitungsband

Valenzband

Elektronen

N NN N- q

MOS Transistor

Leitungsband

Valenzband

Elektronen

N NN N- q

MOS Transistor - Inversion

Leitungsband

Valenzband

Elektronen

N NN N- q0

0 ψ0 ~ 0.85 V

MOS Transistor

Leitungsband

Valenzband

Elektronen

N NN N- q0

0 ψ0 ~ 0.85 V

Gate Spannung - Kanal

N NN Nψ0

VG=VT0+ΔV

q0+ΔqVG=VT0+ΔV

Leitungsband

Valenzband

Elektronen

Gate Spannung - Kanalladung

N NN Nψ0

VG=VT0+ΔV

q0+ΔqVG=VT0+ΔV

Leitungsband

Valenzband)( 0

'TGox VVCQ

Q‘ ( q/cm2)

Ladung pro Fläche

Oxydkapazität pro Fläche

Gate Spannung – Drain/Source Bias

N NN NΨ0+VS

)('STGox VVVCQ

Q‘ ( q/cm2)

Ladung pro Fläche

q0+ΔqVs Vs

VG=VT0+ΔV

Leitungsband

Valenzband

)('TGSox VVCQ

Gate Spannung – Drain/Source Bias

N NN NΨ0+VS

)(0 STGox VVVC

Q‘ ( q/cm2)

Ladung pro Fläche

q0+0VDS ΔV

VG=VT0+ΔV

Leitungsband

Valenzband

TGS VV

Drain Spannung - Strom

N NN N

VGS Vds

Vds sehr klein

N NN N

dsTGSoxnds

nn VVVCL

VWQESqI )('

Querschnitt

LadungsdichteMobilität

E-Feld

Breite/Lange des Gates

VGS Vds sehr klein

N NN N

VdsVGS Vds sehr klein

N NN N

dsTGSoxn VVVCL

WI )(~

dsn VQL

Drain Spannung - Stromsättigung

N NN N

VdsVdssat=Vgs-VT

2lim )( TGSoxn VVC

1TGSoxnsat VVC

Pinch off

VGS TGD VV

TGSDS VVV

N NN N

Stromsättigung

N NN N

Rückkopplung

Rückkopplung – ein wichtiges Prozess in der Natur- Ein Teil des Ausgangssignals wird benutzt um das Eingangssignal zu

beeinflussen.- Regelung des Systems – negative Rückkopplung

Rückkopplung (2)

Rückkopplung in Elektronik Vorteile

- Arbeitspunkt des Verstärkers mit Rückkopplung ist unempfindlich für Änderung des Prozessparameter und Temperatur

- Bandbreite ist höher- Linearität besser- Eingangs- und Ausgangsimpedanzen können angepasst werden.

Nachteile- Verstärkung wird kleiner- Gefahr vor Schwingungen- Millereffekt

Einige Größen…

+Xs Xi Xo

+Xs Xi XoXi*

io AXX * soi XXX

soo AXAXX

ii XX *

AA OLF

Closed-loop Gain (Gegenkoppelte Verstärkung)

Open-loop Gain (Lerlaufverstärkung)

Loop Gain – Return ratio (Schleifenverstärkung)

Negative und positive Rückkopplung

OLF AA

Negative Rückkopplung

Positive Rückkopplung

AA OLF

Wenn AOL und βA Realzahlen sind, negative Rückkopplung bedeutet:

AA OLF

Wir definieren die negative Schleifenverstärkung T

„Messungen“ von AOL und T

+Xi XoXi*

+Xs Xi XoXi*

AA OLF

Leerlaufverstärkung Schleifenverstärkung

Empfindlichkeit von AF

A (Leerlaufverstärkung) ist groß, aber stark Prozessabhängig. Rückkopplung wird normalerweise mit R und C aufgebaut

Wir rechnen die Empfindlichkeit von der rückgekoppelten Verstärkung auf die Änderung von A

Rückkopplung und Linearität

...2 iio BXAXX

)cos( 0t )cos( 0tA

)2cos( 0tB

Ein Verstärker mit schlechter Linearität

Seine Verstärkung ist eine MacLaurinsche Reihe

Rot - Grundfrequenz

Blau – Die Oberwelle

Harmonic Distortion

(harmonische Verzerrung)

Nichtlinearer Verstärker mit Rückkopplung

Die Rückkopplung verursacht auch die höheren Oberwellen, wir begrenzen unsere Analyse nur auf die erste

Grundfrequenz

)cos(1 0tT

)cos( 0tX s

)cos(1

Oberwelle

)cos(1

)2cos(1 0tT

soo XAXX

)2cos()1( 02

)2cos()1(

)cos(1 020 t

AX oges

BHD Ohne RK war

Quelle für die Oberwelle

Eingang für die Quelle, Ergebnis von der letzten Folie

Mit RK

Kleinsignalmodell

),( ddINOUT Vvfv

OUT dVV

OUTvINv

DDS dv

DSdsGSmDS dvrdvgdi

Analyse des Feedbacksystems (Übertragungsfunktion)

PassivesNetzwerk

Feedback

Xs Xi Xi* Xo

osi XtXtX 2221

*1211 iso XtXtX

*ii XX

211211

Signalquelle am Eingang Ausgang

Testschaltungen für Feedbackanalyse

AOL1 – Gain am Eingangsnetz AOL2 – aktive Verstärkung

T - Schleifenverstärkung

Messpunkt - blau

Testquelle - rot

Kurzschluss

AAFFA OLOLF

Ausgangswiderstand

PassivesNetzwerk

Feedback

Xi Xi* Xo=Io

osi ItVtX 2221

*1211 iso XtVtI

*ii XX

211211

Rout=Vs/Io

112112

Spannungsquelle am Ausgang

Strom wird gemessen

Ausgangswiderstand (t11)

PassivesNetzwerk

Feedback

112112

0011 *

Impedanz ohne Verstärkung

Rout=Vs/Io

Ausgangswiderstand (t12 t22)

PassivesNetzwerk

Feedback

112112

22120 /1

ttRROUT

Schleifenverstärkung mit kurzgeschlossenem Vs

1121120 /1

TRR SC

2212ttTSC

osi ItVtX 2221

*1211 iso XtVtI

Ausgangswiderstand

PassivesNetzwerk

Feedback

Xi Xi* Xo=Vo

osi VtItX 2221 ''

*1211 '' iso XtItV

*ii XX

211211

11211211 ''1

'/''1'

ttttROUT

Rout=Vs/Io

Stromquelle am Ausgang

Spannung wird gemessen

Ausgangswiderstand (t‘11)

PassivesNetzwerk

Feedback

Rout=Vs/Io

Impedanz ohne Verstärkung

11211211 ''1

'/''1'

ttttROUT

Ausgangswiderstand (t‘12 t‘22)

PassivesNetzwerk

Feedback

Rout=Vs/Io

*2212 ''

Schleifenverstärkung mit offenem Is

OCOUT T

'/''1 1121120 2212 '' ttTOC

11211211 ''1

'/''1'

ttttROUT

osi VtItX 2221 ''

*1211 '' iso XtItV

Ausgangswiderstand – die Formel

OCOUT T

'/''1 1121120

1121120 /1

TRR SC

SCOUT T

PassivesNetzwerk

Feedback

Xi Xi* Xi Xi*

Ausgangswiderstand

SCOUT T

R0 – Ausgangsimpedanz ohne Verstärkung

TOC TSC

Kurzschluss

offene Leitung

Schleifenverstärkungen

Ein Beispiel - Sourcefolger

Ausgangswiderstand

RsRg RsRg

Xi Xi*

Erste Aufgabe: Xs, Xi und Xo lokalisieren

Xi Xi*

XoXs Xi

Signalgain im Eingangsnetz

Rs* = Rd||RsRg

+gmUgs

Ugs*Xs

Xi Xi*

ggOL R

Direkte (aktive) Verstärkung

Xi Xi*

gsSmOL Rg

gmUgs*+ 0

Schleifenverstärkung

Xi Xi*

gsSm RgU

gmUgs*+

Dead System Gain (FF)

+gmUgs

Xi Xi*

XFFUIN

Xi Xi*

Verstärkung mit RK

smgOLOL

*0 || SdS RRRR

Widerstand ohne Verstärkung

Schleifenverstärkung mit offenem Ausgang

RdUgs*

smOL RgT *

RdUgs*

SCOUT T

SOUT gRgRR

Schleifenverstärkung mit kurzgeschlossenem Ausgang

Sourcefolger – wichtige Parameter

ROUT = 1/gm UOUT/UIN = 1 RIN = ∞

- UOUT = UIN

Nichtinvertierender Verstärker

- AUIN

XoXs Xi

Nichtinvertierender Verstärker (Verstärkung)

- AUIN

RIN = ∞ROUT = 0

XoXs Xi

Signalgain im Eingangsnetz

Xi Xi*

11 OLA

- AUIN

RIN = ∞ROUT = 0

Direkte (aktive) Verstärkung

Xi Xi*

- AXi*+

AAOL 2

Schleifenverstärkung

Xi Xi*

- AXi*+

Dead System Gain (FF)

- AUIN

Xi Xi*

Verstärkung mit RK

XA OLOL

Nichtinvertierender Verstärker (Ausgangswiderstand)

- AUIN

RIN = ∞

- AUIN

Widerstand ohne Verstärkung

OUTRRRR ||)( 210

Schleifenverstärkung beim offenen Ausgang

Xi Xi*

- AXi*+

Xi*ROUT

OUTOC RRR

Schleifenverstärkung beim kurzgeschlossenen Ausgang

Xi Xi*

- AXi*+

Xi*ROUT

SCOUTF T

OUTOUT

OUTOUTF

- AXi*+

Xi*ROUT

Ausgangswiderstand mit Rückkopplung

Aufgabe Rin=?

Cg Cg Cg

Transistor CS Amplifier SF Amplifier

Z=? Z=?

SCOUTF T

Kleinsignalmodell

),( ddINOUT Vvfv

OUT dVV

OUTvINv

DDS dv

DSdsGSmDS dvrdvgdi

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