Přednáška 3 - Obsah. 2 Parazitní body effect u NMOS tranzistoru (CMOS proces) 2

Transkript

1 PŘEDNÁŠKA 3 - OBSAH Přednáška 3 - Obsah i 1 Parazitní substrátový PNP tranzistor (PSPNP) U NPN tranzistoru U laterálního PNP tranzistoru Příklad: proudové zrcadlo Parazitní body effect u NMOS tranzistoru (CMOS proces) 2 3 Operační zesilovač Ideální operační zesilovač Operační zesilovač v neinvertujícím zapojení Operační zesilovač v invertujícím zapojení Elementární jednostupňový operační zesilovač Stabilita operačního zesilovače Princip kmitočtové kompenzace Podkompenzovaný (rychlý) operační zesilovač Kmitočtové charakteristiky kompenzovaného elementárního OZ Kompenzovaný elementární OZ s emitorovou degenerací Symetrický koncový stupeň Praktická realizace jednostupňového OZ v bipolárním procesu Jednoduchý proudový zdroj s nízkým 14

2

3 1 PARAZITNÍ SUBSTRÁTOVÝ PNP TRANZISTOR (PSPNP) 1.1 U NPN tranzistoru Obr.1: Parazitní tranzistor PSPNP u tranzistoru NPN (vlevo) a schématické znázornění (vpravo) Parazitní substrátový tranzistor se aktivuje při saturaci NPN tranzistoru, tedy při malém NPN tranzistoru. To se projeví výrazným vzrůstem bázového proudu NPN tranzistoru. 1.2 U laterálního PNP tranzistoru Obr. 2: Parazitní tranzistor PSPNP u laterálního PNP (vlevo) a schématické znázornění (vpravo) Parazitní substrátový tranzistor PSPNP se aktivuje při malém PNP tranzistoru. (tedy v saturaci) 1

4 1.3 Příklad: proudové zrcadlo Obr. 3: Parazitní tranzistor PSPNP - proudové zrcadlo Pokud dojde u NPN tranzistoru v proudovém zrcadle k saturaci, aktivuje se parazitní substrátový tranzistor PNPS a zrcadlo přestane správně fungovat ( ), protože výrazně vzroste bázový proud saturovaného NPN tranzistoru. 2 PARAZITNÍ BODY EFFECT U NMOS TRANZISTORU (CMOS PROCES) Obr. 4: Parazitní "BODY EFFECT" u NMOS tranzistoru Kromě řádného hradla má neizolovaný MOS (zde NMOS) tranzistor ještě parazitní BODY hradlo, které je tvořeno rozhraním KANÁL BODY (jde vlastně o PN přechod). V klasickém CMOS procesu je BODY (P-substrát) NMOS tranzistoru uzeměno. Pokud stoupá napětí na SOURCE takového NMOS tranzistoru, parazitní BODY hradlo přiškrcuje kanál (rozšiřuje se depletiční vrstva PN přechodu který je mezi BODY P-substrátem a N-kanálem), což vede k růstu takového NMOS tranzistoru. To limituje použití NMOSŮ, které nemají uzeměný SOURCE. 2

5 3 OPERAČNÍ ZESILOVAČ (3.1) (3.2) Obr. 5: Operační zesilovač 3.1 Ideální operační zesilovač (3.3), (3.4) (3.5) (3.6) (při uzavřené zpětné vazbě) (3.7) 3.2 Operační zesilovač v neinvertujícím zapojení (3.8) (3.9) (3.10) Obr. 6: Neinvertující zapojení OZ 3

6 (3.11) (3.12) (3.13) (3.14) (3.15) (3.16) (3.17) (3.18) 3.3 Operační zesilovač v invertujícím zapojení (3.19) Obr. 7: invertující zapojení OZ (3.20) 4

7 (3.21) (3.22) (3.23) (3.24) (3.25) (3.26) (3.27) 3.4 Elementární jednostupňový operační zesilovač Obr. 8: Elementární jednostupňový operační zesilovač Vstupní diferenciální stupeň má transkonduktanci gm: (3.28) 5

8 Stejnosměrný (ss) napěťový zisk tohoto operačního zesilovače : (3.29) Např. pro a : (3.30) 3.5 Stabilita operačního zesilovače V signálové cestě struktury OZ jsou zesilovací stupně a současně parazitní kapacity připojené k vnitřním bodům s určitou dynamickou impedancí. To vytváří vnitřní RC články. Každému RC článku přísluší přenosový pól, který způsobí pokles přenosu -20dB na dekádu a současně také způsobí fázový posuv o -90. Obr. 9: Vnitřní RC články ve struktuře OZ Obr. 10: Kmitočtové charakteristiky 6

9 Operační zesilovač vždy pracuje s uzavřenou zpětnou vazbou ( ). Jeho stabilita je zaručena tím, že tato vazba je záporná. Stabilita OZ se většinou vyšetřuje pro nejhorší možný případ operační zesilovač zapojený jako napěťový sledovač ( stoprocentní zpětná vazba). Obr. 11: OZ zapojený jako sledovač Pokud dojde vlivem vnitřních parazitních kapacit k fázovému posuvu -180 a zisk při tomto fázovém posuvu je větší než 1 (0dB), záporná zpětná vazba se mění na kladnou a OZ se rozkmitá. Obr. 12: Kmitočtové charakteristiky nestabilního OZ 7

10 3.5.1 Princip kmitočtové kompenzace Pokud se do signálového uzlu s největší dynamickou impedancí úmyslně připojí kompenzační kondenzátor, dojde k poklesu zisku -20dB/dek už na velmi nízkých kmitočtech a zisk tak dosáhne hodnoty 0dB dříve, než fáze poklesne na -180 zesilovač (zapojený jako sledovač ) je stabilní. Doplněk fázového posuvu do -180 se nazývá fázová bezpečnost. Pro aplikace s operačními zesilovači by mělo být >60 (tedy fázový posuv menší než 120 ). Obr. 13: Kompenzační kapacita zapojená do struktury OZ Obr. 14: Změna kmitočtových charakteristik po připojení kompenzační kapacity 8

11 3.5.2 Podkompenzovaný (rychlý) operační zesilovač Obr. 15: Podkompenzovaný (rychlý) operační zesilovač Tento operační zesilovač má velkou šířku pásma (dominantní pól na vyšším kmitočtu). U tohoto zapojení je zpětnovazební signál zeslaben faktorem. Obr. 16: Kmitičtové charakteristiky "podkompenzovaného" OZ Jako sledovač by byl tento OZ nestabilní a rozkmital by se. V uvedeném zapojení je OZ stabilní s fázovou bezpečností. 9

12 3.5.3 Kmitočtové charakteristiky kompenzovaného elementárního OZ (3.31) (3.32) Obr. 17: Kompenzovaný elementární OZ (3.33) (3.34) Rychlost přeběhu je maximální rychlost změny výstupního napětí. Je dána rychlostí s jakou se mění napětí na kompenzačním kondenzátoru který je (při velkém vstupním rozdílovém napětí) nabíjen proudem Rychlost přeběhu je pevně svázána s, zvýšení rychlosti přeběhu je možné jen se zvýšením nebezpečí nestability., (3.35) Obr. 18: Zvýšení nebezpečí nestability 10

13 3.5.4 Kompenzovaný elementární OZ s emitorovou degenerací (3.36) (3.37) (3.38) (3.39) Obr. 19: Kompenzovaný elementární OZ s emitorovou degenerací (3.40) (3.41) Pomocí emitorové degenerace je možné nastavit (šířku pásma) a (rychlost přeběhu) nezávisle na sobě. Tak lze zkonstruovat rychlý (velké ) a stabilní (přiměřená šířka pásma ) OZ. U OZ s MOSovým dif. stupněm je možné nastavit poměr a jen pomocí rozměrů MOS tranzistoru, strmost (transkonduktance) je přímo úměrná poměru 11

14 3.6 Symetrický koncový stupeň Obr. 20: Symetrický koncový stupeň (3.42) Klidový příčný proud přes výstupní tranzistory je výstupního proudu:, Maximální hodnota (3.43) Výstupní napětí může být v rozsahu: (3.44) Toto zapojení není možno realizovat s neizolovanými NMOS tranzistory (v klasickém CMOS procesu) vzhledem k BODY EFEKTU NMOS tranzistorů. 12

15 3.7 Praktická realizace jednostupňového OZ v bipolárním procesu Obr. 21: Praktická realizace jednostupňového operačního zesilovače v bipolárním procesu (3.45) (3.46) (3.47) (3.48) (3.49) (3.50) v rozsahu (3.51) v rozsahu (3.52) 13

16 4 JEDNODUCHÝ PROUDOVÝ ZDROJ S NÍZKÝM Pokud je k dispozici zdroj referenčního napětí (zde s nulovým teplotním koeficientem), je možné navrhnout proudový zdroj s nízkým pomocí jednoho odporu (který má kladný teplotní koeficient ) a jednoho tranzistoru. Obr. 22: Proudový zdroj s nízkým (4.1) má nulový telpotní koeficient pokud platí: (4.2) Např. pokud má odpor R teplotní koeficient ( je to vlastně teplotní koeficient napětí s kladným znaménkem) je hodnota napětí : (4.3) Hodnota pak je: (4.4) 14