Analoge CMOS-Schaltungen. OTA -ein OpAmp für Kondensatorlast 1. Teil. Roland Pfeiffer 5. Vorlesung

Transkript

1 Analoge CMOS-Schaltungen OTA -ein OpAmp für Kondensatorlast 1. Teil 5. Vorlesung

2 Versorgung von Analogschaltungen Rückblick: Differenzverstärker Überführung in Differenzverstärker (genau: differentieller NMOS-Differenzverstärker mit Widerstand und Kondensatorlast ) analog6real3.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2

3 Einleitung -Operational Transconductance Amplifier (OTA) = Operationsverstärker (OP) für Kondensatorlast Operational Amplifier (OpAmp) für Kondensatorlast -Beispiel: Differenzverstärker OTA -PSPICE-Simulationen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3

4 Miller Operationsverstärker OpAmp Bekannt unter anderem aus der Vorlesung von Prof. Barabas: Operationsverstärker OpAmp Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4

5 Miller Operationsverstärker OpAmp Bekannt unter anderem aus der Vorlesung von Prof. Barabas: viele Schaltungen mit OpAmp!! rückgekoppelte Verstärker analoge Addierer, Subtrahierer analoge Integrierer, Differenzierer und vieles mehr!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5

6 bisher: Differenzverstärker Störend: zwei Ausgänge!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6

7 bisher: Differenzverstärker Störend: zwei Ausgänge!! mögliche Lösung: PMOS-Stromspiegel anstelle von R1A/R1B!? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7

8 bisher: Differenzverstärker Modifizierte Differenzverstärker-Schaltung: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8

9 bisher: Differenzverstärker Modifizierte Differenzverstärker-Schaltung: "ein Eingang unterstützt den anderen Eingang" Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9

10 OTA Bezeichnung: Operational Transconductance Amplifier OTA "ein Eingang unterstützt den anderen Eingang" Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10

11 OTA Kleinsignalersatzschaltbild eines PMOS-Stromspiegels: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11

12 OTA Kleinsignalersatzschaltbild eines PMOS-Stromspiegels: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12

13 OTA Annahme: gleicher Spannungsabfall wie bei Widerständen W/L? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13

14 OTA Frage: Wieviel Spannung fällt an den Widerständen R1A/R1B ab? Antwort:?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14

15 OTA Frage: Wieviel Spannung fällt an den Widerständen R1A/R1B ab? Antwort: U= R I DS,M1 435 Ω 2,23 ma 1 Volt Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15

16 OTA W/L von M2A/M2B für gleichen Spannungsabfall wie bei Widerständen Bekannt NMOS-Stromspiegel: 2 I DS U GS = + kn ( W / L) U TN Übertragen auf OTA: auflösen nach W/L noch unbekannt: U TP,k P Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16

17 PSPICE-Simulation I DS = k 2 P W L ( U U ) 2 GS TP analog7pmos.sch Model: analogp in Library analogcmos.lib U TP : U GS bei festem U DS verändern, merklicher Stromfluß, W/L=100µm/1µm k n : U DS bei festem U GS verändern, mittlerer Stromfluß im Sättigungsbereich, W/L=100µm/1µm k p berechnen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17

18 OTA W/L von M2A/M2B für gleichen Spannungsabfall wie bei Widerständen mit den Werten für U TP und k P 2 DS U GS = + kp ( W / L) I U TP aber: unsichere Methode direkt aus PSPICE-Simulationen ablesbar?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18

19 OTA Methode für die Bestimmung von W/L von M2A/M2B für gleichen Spannungsabfall wie bei Widerständen aus PSPICE-Simulation analog7ivwl.sch analog7ivwl.sch aus library special.slb Parameter param Doppelklick auf Parameters: Name1 W, Value1 10u PMOS-Transistor in analog7ivwl.sch anwählen, unter W {W} eingeben, L =1µm wählen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19

20 OTA Methode für die Bestimmung von W/L von M2A/M2B für gleichen Spannungsabfall wie bei Widerständen aus PSPICE-Simulation analog7ivwl.sch unter Analysis/Setup/DC Sweep Global Parameters Name W,Startwerte, Endwerte, Schrittweite angeben Simulation starten Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20

21 OTA Methode für die Bestimmung von W/L von M2A/M2B für gleichen Spannungsabfall wie bei Widerständen aus PSPICE-Simulation analog7ivwl.sch Ergebnis: W/L von M2A/M2B für gleichen Spannungsabfall wie bei Widerständen W L M µ µ m m Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21

22 Differenzverstärker OTA (genau: OTA mit NMOS-Eingangsstufe und Kondensatorlast ) analog7.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22

23 Differenzverstärker OTA Achtung: Differenzverstärkung: Eingänge jeweils 0,5 V, Differenz 1 V analog7.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23

24 Differenzverstärker OTA Frage: Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild von unteren Differenzverstärker! Antwort:??? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24

25 Differenzverstärker OTA Frage: Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild von unteren Differenzverstärker! Antwort: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25

26 Differenzverstärker OTA Frage: Wie kann man die Kleinsignalersatzschaltbild von Differenzverstärkung noch vereinfachen? Antwort:?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26

27 Differenzverstärker Frage: Wie kann man die Kleinsignalersatzschaltbild von Differenzverstärker noch vereinfachen? Antwort: roter Punkt: Differenz der Ströme durch M1A und M1B =0 A kein Strom über Drainleitwert von MB1B kein Spannungsabfall am Drainleitwert von MB1B anstelle Drainleitwert von MB1B: Kurzschluß Kurzschluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27

28 Differenzverstärker Frage: Leiten Sie einen Ausdruck ab für die DC -Differenzverstärkung A DIFFDC von unteren Differenzverstärker (Drainleitwert M1A undm2a vernächlässigbar) Antwort:??? Kurzschluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28

29 Antwort: A V 2 Operational Transconductance Amplifier OTA DIFFDC = g = V Differenzverstärkung: V ACP M, M 1A V OUT V ACP ACN g 1 M, M 2 A V OUT = g 0; M 1B 1 + g 0; M 2 B ( g V + g V ) M, M 1B ACN M, M 2B 2 A DIFFDC = V V ACP OUT V ACN = g g 0, M 1 M, M 1 + g 0, M 2 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29

30 Differenzverstärker Frage: Leiten Sie einen Ausdruck ab für die DC -Differenzverstärkung A DIFFDC von unteren Differenzverstärker (Drainleitwert M1A undm2a vernächlässigbar) Antwort: A DIFFDC = g g 0, M1 M, M1 + g 0, M 2 Kurzschluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30

31 Differenzverstärker Frage: Leiten Sie einen Ausdruck ab für den Frequenzgang der Differenzverstärkung A Diff in der Form: Antwort: Pol=?? A DIFF = A DIFFDC 1+ 1 j 2 π Pol f Kurzschluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31

32 Differenzverstärker Frage: Leiten Sie einen Ausdruck ab für den Frequenzgang der Differenzverstärkung A Diff in der Form: Antwort: Pol= (go,m1+go,m2)/c5 A DIFF = A DIFFDC 1+ 1 j 2 π Pol f Kurzschluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32

33 Großsignalschaltbild zum Kleinsignalersatzschaltbild PSPICE-Simulation g M, g 0 besser aus Output-File, da genauere Gleichungen!! g M,M1A/B 2, A/V g 0,M1A/B 1, A/V g 0,M2A/B 1, A/V Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33

34 damit: A DIFFDC Differenzverstärker = g g 0, M1 M, M1 + g 0, M 2 9,26 19,3 db Pol="3 db-kreis-frequenz" (go,m1+go,m2)/c5 258 MHz 3 db-frequenz (go,m1+go,m2)/(2 π C5): 41 MHz Kurzschluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34

35 Überprüfung durch Simulation: analog7.sch PSPICE-Simulation Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35

36 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: A 0 9,15 x-achse linearer Maßstab Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36

37 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: A 0 19,2 db x-achse logarithmischer Maßstab Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37

38 simulierte 3dB-Frequenz: PSPICE-Simulation berechnet: 41 MHz simuliert: 34 MHz Grund: bei Berechnung Vernächlassigung von parasitären Cs Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38

39 Eingangsspannungsbereich Frage: Wie lautet der analystische Ausdruck für die minimale und maximale Eingangsspannung? Antwort:?? Sättigung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39

40 Minimale Eingangsspannung V INPUT, MIN = VMB 1B, DS, SAT + VM 1A, GS Sättigung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40

41 V Operational Transconductance Amplifier OTA Maximale Eingangsspannung INPUT, MAX = VDD VSS VM 2 A, DS, SAT VM 1B, DS, SAT + V M 1A, GS Sättigung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41

42 Ausgangsspannungsbereich Frage: Wie lautet der analystische Ausdruck für die minimale und maximale Ausgangsspannung ( output common mode range )? Antwort:?? Sättigung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 42

43 Minimale Ausgangsspannung V OUTPUT, MIN = VMB 1B, DS, SAT + VM 1B, DS, SAT Sättigung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43

44 Maximale Ausgangsspannung V OUTPUT, MAX = VDD VSS VM 2B, DS, SÁT Sättigung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44

45 Zusammenfassung -Operational Transconductance Amplifier (OTA) = Operational Amplifier (OpAmp) für Kondensatorlast -PSPICE-Simulationen -zusätzliche Spezifikationen: output common mode range Analoge CMOS-Schaltungen Folie 45

46 Spezifikationsliste Spezifikationsliste Spezifikation: Wunsch: Einheit: Versorgungsspannungsbereich minimales V DD -V SS Volt Differenzverstärkung hoch db PSRR V DD hoch db PSRR V SS hoch db CMRR hoch db input common mode range hoch Volt output common mode range hoch Volt Analoge CMOS-Schaltungen Folie 46