Dvoustupňový Operační Zesilovač Blokové schéma: Kompenzační obvody Diferenční stupeň Zesilovací stupeň Výstupní Buffer Proudové reference Neinvertující napěťový zesilovač Invertující napěťový zesilovač
Statické nelinearity Rid vstupní odpor mezi diferenčními svorkami Cid vstupní kapacita (diferenční) Ricm stejnosměrný odpor Vos vstupní napěťová nesymetrie IB1 a IB2 diferenční vstupní proudy Ios- vstupní proudová nesymetrie (Ios = IB1 IB2) CMRR potlačení souhlasného signálu En napěťový šum In proudový šum Frekvenční odezva Přenosová funkce Dynamické nelinearity Av jω (db) 20logAv 0-20dB/dek -40dB/dek 1/t ω1 ω2 ω3 (log měřítko)
Doba přeběhu a doba ustálení Doba přeběhu (Slew Rate SR) Diferenciální změna na výstupu. Je to prakticky maximální proud schopný nabíjet a vybíjet připojenou kapacitu Není limitován výstupním blokem, ale zdrojem proudu prvního stupně Doba ustálení (Settling time Ts) Doba potřebná, aby se výstup dostal na finální hodnotu Malosignálová změna Potlačení změny napájecího napětí PSRR Ideálně by se mělo blížit nekonečnu Vstupní napěťový rozsah ICMR (Imput Common Mode Range) Napěťový rozsah na vstupu diferenčního stupně, pro který není výstup saturován
Architektura dvoustupňového OpAmp Jednoduchý dvoustupňový OpAmp můžeme rozdělit na jednotlivé bloky převádějící napětí na proud a proud na napětí
Postup návrhu OpAmp Návrh struktury zapojení dle specifikace Tranzistorové zapojení dle daných specifikací Návrh parametrů jednotlivých bloků Výběr pracovních proudů a velikosti tranzistorů 80% návrhu spadá do této kategorie Obvodové simulace, pracovní podmínky, simulace v rozích, atd. Fyzická implementace Layout tranzistorů Realizace propojení, Floorplanning, Extrakce prarazitních vlivů, resimulace, LVS Technologická realizace Charakterizace a měření Verifikace prarametrů Případné modifikace Spcifikace OpAmp Definování technologického procesu (Vt, K, Cox ) Napájecí napětí Rozsah budících proudů a zátěže Rozsah pracovní teploty
Požadavky Zisk Šířka pásma Doba přeběhu Doba ustálení Vstupní napěťový rozdah (CMR) Potlačení souhlasného signálu (CMRR) Potlačení vlivu změny napájení (PSRR) Rozsah výstupního napětí Výstupní odpor Offset Šum Plocha OpAmp Kompenzace A(s) Napěťové zesílení OpAmp F(s) Zpětnovazební přenosová funkce Zesílení s otevřenou smyčkou Zesílení s uzavřenou smyčkou Podmínka stability
Stabilita OpAmp Fázová jistota Proč je stabilita důležitá? Dobrá odezva je taková, která co nejrychleji dosáhne konečné hodnoty Fázová jistota by měla být nejméně 45 o, nejlépe 60 o
Model nekompenzovaného OpAmp Model zanedbává kapacitu C GD Za předpokladu že pól daný C1 je mnohem větší než C2 a C3 Kde R I (R II ) je odpor proti zemi viděný z výstupu prvního (druhého) stupně C I (C II ) je kapacita proti zemi viděný z výstupu prvního (druhého) stupně
Nejhorší případ je pro Fs = 1 V tomto případě je fázová jistota mnohem menší než 45 O Nutná kompenzace Kompenzace Millerovou kapacitou C C Millerova kapacita C M Kapacita proudového zrcadla C I Výstupní kapacita proti zemi prvního stupně C II - Výstupní kapacita proti zemi druhého stupně
Náhradní obvod, přenos a póly Celkový přenos: Kde Dominantní Millerův pól: Pól druhého stupně:
Kompenzace dvoustupňového OpAmp Šířka pásma v tomto případě: Vliv kapacity proudového zrcadla Přenosová funkce:
Vliv kapacity proudového zrcadla Naštěstí tento pól je většinou větší než GB, takže má jen malý vliv na stabilitu OpAmp Dokonce i pro případ (viz obr.), kdy je menší než GB je stabilita dobrá Návrh dvoustupňového OpAmp
Stejnosměrná rovnovážná podmínka Všechny tranzistory musí být v saturaci M4 je jediný tranzistor, který nemůže být nastaven do saturace vnitřním nastavením (napětí, proud) Proto se nastavuje podmínka pro udržení M4 v saturaci Předpokládejme, že V SG4 = V SG6 => správné zrcadlení M3, M4 M4 gate a drain je na stejném potenciálu Jestliže V SG4 = V SG6, Pak Podmínkou je, aby I6 = I7 Jestliže je podmínka splněna V DG4 = 0 pak tranzistor je v saturaci Vztahy pro návrh OpAmp Doba přeběhu (Předpokládáme I 7 >> I 5 a C L > C C Zesílení prvního stupně: Zesílení druhého stupně: Šířka pásma: Výstupní pól: 60 O fázová jistota vyžaduje: jsou > 10GB jestliže ostatní póly
Vztahy pro návrh OpAmp Pozitivní ICMR: Negativní ICMR: Saturační napětí: Specifikace pro OpAmp Zisk Šířka pásma Fázová jistota (doba ustálení) ICMR (vstupní napěťový rozsah) Zátěžová kapacita Doba přeběhu SR Výstupní napěťový rozsah Spotřeba