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PubblicatoCelia Grassi Modificato 8 anni fa
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Lezione III Amplificatori a singolo stadio
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L'amplificatore ideale Un amplificatore ideale è un circuito lineare V out =A v V in Le tensione di ingresso può assumere qualsiasi valore La tensione di uscita può assumere qualsiasi valore
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..nella realtà Un amplificatore è un circuito fortemente non lineare Un amplificatore a singolo stadio è composto da un dispositivo che funge da amplificatore ed un carico lineare (resistivo) o non lineare (attivo o passivo) Le proprietà di un amplificatore non sono tutte modificabili indipendentemente ma…
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L’ottagono Le grandezze da considerare nel progetto sono: Dissipazione di potenza RumoreLinearità Guadagno Impedenza di ingresso/uscita VelocitàEscursione di tensione Tensione di alimentazione
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L’amplificatore a source comune Dal momento che il MOSFET converte una variazione della tensione V in in una variazione di corrente, possiamo convertire quest’ultima in una variazione di tensione attraverso l’uso di un resistore R D posto sul drain. Per cominciare a comprendere alcune delle problematiche di progetto è utile andare a studiare il comportamento ad ampi segnali di questo semplice stadio amplificatore M1 RD Vin Vout Vdd
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La caratteristica di trasferimento Facendo variare V in da 0 a V dd si ottiene la caratteristica ingresso-uscita Se V in <V TH, M 1 è spento e quindi la tensione di uscita vale V dd Successivamente M 1 si accende e se V dd è sufficientemente alta, passa in saturazione per cui, in pinch-off:
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(continua) Non appena la differenza tra V in e V out diviene V th, M 1 si trova al limite della zona di pinch-off. In questo punto si ha: Che risolta fornisce il valore di Vin e Vout
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0.0V0.6V1.2V1.8V2.4V3.0V -0.8V -0.4V 0.0V 0.4V 0.8V 1.2V 1.6V 2.0V 2.4V 2.8V 3.2V 3.6V V(vout)V(vin)-0.7 (continua) Un successivo aumenti di V in riduce ulteriormente la caduta V DS e quindi M 1 entra dapprima in zona di triodo e poi in zona lineare. In questa zona si ha:
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(continua) Al solito, si cerca di lavorare nella zona che ci consente guadagni più elevati, ovvero quando M1 si trova in pinch-off. In questa regione possiamo definire il guadagno a piccolo segnale come la pendenza della caratteristica ingresso- uscita:
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(continua) Come ci aspettiamo, il guadagno ad ampi segnali sarà funzione del segnale di ingresso. In particolare, osservando l’andamento del guadagno, si nota come non esistano praticamente zone approssimabili con un andamento costante.
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Progetto Come fare per massimizzare l’amplificazione dell stadio appena esaminato? Possiamo riscrivere l’espressione di Av:
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(continua) Quindi aumentando W/L o V RD oppure diminuendo I D, in teoria, è possibile aumentare A v. E’ però importante comprendere che, ognuna di queste scelte porta inevitabilmente a dei compromessi. Ad esempio aumentare le dimensioni porta inevitabilmente ad un aumento delle capacità. D’altra parte un aumento di V RD diminuisce l’escursione possibile della tensione in uscita
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In funzione dell’overdrive… Il guadagno aumenta in maniera inversamente proporzionale alla tensione di overdrive. Per aumentare il guadagno basterà, a parità di corrente, diminuire l’overdrive (aumentando il rapporto W/L) Quest’operazione massimizza guadagno e swing ma penalizza la dinamica
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Effetti di ordine superiore Se si considera la modulazione della lunghezza di canale allora: E quindi
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(continua) Se consideriamo che, nonostante tutto, la corrente ID si mantiene pressoché costante otteniamo Dal momento che possiamo riscrivere:
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Esercizio Progettare un amplificatore a source comune con carico resisitivo che, polarizzato con I D =100uA presenti A v =20. Si provi a massimizzare l’escursione della tensione di uscita. Per il MOSFET si consideri V T =0.7, KP=100uA/V 2. Si trascuri la modulazione della lunghezza di canale. Il circuito è alimentato a 3.3V
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I carichi non lineari E’ molto difficile realizzare, in tecnologia CMOS, dei resistori di valore controllabile con una determinata accuratezza Se fosse possibile, l’occupazione di area su chip sarebbe intollerabile Il MOSFET, se GATE e DRAIN sono in corto circuito, funziona come un resistore non lineare. Questa connessione si chiama “a diodo”.
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Calcolo della resistenza equivalente Dimostriamo rapidamente che un NMOS connesso a diodo presenta, tra i terminali di DRAIN e SOURCE, un impedenza pari all’inverso della somma tra le transconduttanze del MOSFET stesso e quella dovuta all’effetto Body.
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L’amplificatore CS con carico a diodo Sostituendo il resistore di carico con un n-mos connesso a diodo si ottiene un nuovo stadio amplficatore Lo stesso stadio può essere realizzato utilizzando un p-mos
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Calcolo del guadagno Da quanto detto in precedenza segue immediatamente che: E’ utile esprimere tutto in funzione dei parametri geometrici W,L
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Analisi ad ampi segnali Se ipotizziamo M1 in pinch-off allora possiamo eguagliare le correnti che scorrono in M1 e M2 Il legame tra ingresso e uscita è lineare!
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Esempio Possiamo utilizzare SwitcherCad per calcolare la caratteristica di trasferimento di un amplificatore NMOS con carico a diodo Si vede chiaramente che, all’accensione di M1, il legame tra ingresso e uscita è praticamente lineare 0.0V0.3V0.6V0.9V1.2V1.5V1.8V2.1V2.4V2.7V3.0V3.3V 0.2V 0.4V 0.6V 0.8V 1.0V 1.2V 1.4V 1.6V 1.8V 2.0V 2.2V 2.4V 2.6V V(n003)
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Ampiezza della zona lineare Il legame tra ingresso e uscita è lineare finchè il mosfet amplificatore M1 permane in regione di pinch-off. Il valore di tensione di uscita per il quale il mosfet entra in regione di triodo è esattamente pari alla sua tensione di overdrive 0.0V0.3V0.6V0.9V1.2V1.5V1.8V2.1V2.4V2.7V3.0V3.3V 0.2V 0.4V 0.6V 0.8V 1.0V 1.2V 1.4V 1.6V 1.8V 2.0V 2.2V 2.4V 2.6V V(n003)
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Layout del circuito Un possibile layout (per nulla curato o ottimizzato) mostra come il mosfet amplificatore è molto più largo del mosfet di carico. Questo garantisce che il guadagno sia superiore all’unità
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