Elektronik II, Foliensatz 5 Verstärker

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1 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 Elektronik II, Foliensatz 5 Verstärker G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli 2013

2 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 Inalt des Foliensatzes Stromquellen 1.1 Transistor als Stromquelle 1.2 Stromspiegel 1.3 Kaskodenstromspiegel Kaskodenschaltung Dierenzverstärker 3.1 Übertragungskennlinie 3.2 Kleinsignalverhalten 3.3 Impedanzwandler

3 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 Stufen einer Signalverarbeitungskette physikalische Größe Sensor Kleinsignalverstärker D/A- Umsetzer physikalische Größe Aktor Leistungsverstärker A/D- Umsetzer DSP Kleinsignalverstärker: Ausgangsleistungen unter 1 mw Groÿsignalverstärker: Ausgangsleistungen mehrere mw (Kopfhörer, Fernbedienungen) bis kw (groÿe Lautsprecheranlagen, Rundfunksender)

4 Gleichspannungsverstärker: direkte Kopplung Wechselspannungsverstärker: kapazitive Kopplung Schmalbandverstärker: Kopplung über LC-Schwingkreise Die Verstärkerschaltungen selbst sind dieselben. G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 Kopplung und Frequenzgang Gleichspannungsverstärker A f f o Wechselspannungsverstärker A Schmalbandverstärker A f u B f f o f u f m f o f

5 Skalierung und Toleranzen 2 Wmin Wmin B E C S G D p n + n Größe 1 Größe 1 B E C S G D Größe 2 Größe 2 B E C S G D S G D n+ n+ n+ n+ n+ p p Größe 1/2 S G Größe 1 S G D D L min 2 L min Bei integrierten Transistoren lassen sich die Verhältnisse der Sättigungsstöme I S (Bipolartransistoren) Steilheiten K (MOSFETs) recht genau genau über die Skalierung einstellen. G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43

6 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 1. Stromquellen Stromquellen

7 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 1. Stromquellen 1. Transistor als Stromquelle Transistor als Stromquelle

8 . Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 1. Stromquellen 1. Transistor als Stromquelle Prinzip einer Stromquelle I C U A U CE Die Kennlinie I C (U CE ) eines Bipolartransistors im Normalbetrieb hat einen sehr geringen Anstieg, der mit der Early-Spannung und umgekehrt proportional zum Kollektorstrom abnimmt: r CE = d U CE U A.N d I C I C.A Gleiches gilt für MOS-Transistoren im Einschnürrbereich.

9 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 1. Stromquellen 1. Transistor als Stromquelle Stromquelle mit Bipolatransistor I a lineare Ersatzschaltung U rbe 0 I a U 0 R E U a r BE I B β I B r CE vereinfachter Zweipol I a U 0 U BEF R E U RE U a I ers R ers U a I a = U 0 U BEF U a U 0 U BE R E β r ( CE ) 1 1 I ers = (U 0 U BE ) + R E β r CE R ers = β r CE β U A.N R E U 0 U BE U 0 U BE R E

10 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 1. Stromquellen 1. Transistor als Stromquelle Hoher Quellwiderstand: R ers = β r CE β U A.N R E U 0 U BEF groÿe Early-Spannung (groÿe Basisweite) groÿe Verstärkung, kleine Ströme Minderung des Einusses der Temperaturdrift von U BEF von ca. 1,6 mv/k U 0 U BEF Diode zur Driftkompensation U 0 = U F + R2 R 1+R 2 (U V U F ) U 0 U V R 1 U F R 2 R E I a U a Mit Mosfet im Einschnürrbereich lässt sich eine ähnliche funktionierende Stromquelle mit einer ähnlichen linearen Ersatzschaltung realisieren. U 0 R E I a U a

11 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 1. Stromquellen 2. Stromspiegel Stromspiegel

12 1. Stromquellen 2. Stromspiegel Einfacher Stromspiegel I e I a I e I a T1 T2 T1 T2 U a R 1 R 2 R 1 R 2 (I C1 + I B1 ) R 1 + U BE1 = (I C2 + I B2 ) R 2 + U BE2 I C1 = I S1 e U BE1 U T I C2 = I S2 e U BE2 U T ( ) ( 1 + U A U a + U A ( ) Für T1 ist der Early-Eekt vernachlässigbar, da U CE sehr klein.. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 )

13 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 1. Stromquellen 2. Stromspiegel Für R 1 = R 2 = 0 I C1 = I S1 e U BE1 U T I C2 = I S2 e U BE2 U T Erfordert: k I = I a I e ( ) I S1 I S2 ( B ( 1 + U A U a + U A ) 1 ) U A U a+u A + 1 B I e T1 integrierte Transistoren mit genau einstellbarem I S1 /I S2 -Verhältnis. hohe Stromverstärkung. Endlicher Ausgangswiderstand durch Early-Eekt. Für diskrete Transistoren Stabilisierung des Spiegelverhältnisses mit R 1 = R 2 > 0 erforderlich. I a T2 U a

14 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 1. Stromquellen 2. Stromspiegel Elimierung von Fehlern durch niedrige Verstärkung mit drittem Transistor, der hier den Basisstrom für die anderen beiden Transistoren liefert. Einsatz für Strombänke. U V T3 I e T1 I a T2 I e T1 U V T3 I a1 T2a I a2 T2b R 1 R 2 R 1 R 2a R 2b

15 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 1. Stromquellen 3. Kaskodenstromspiegel Kaskodenstromspiegel

16 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 1. Stromquellen 3. Kaskodenstromspiegel Stromspiegel mit Kaskode Kaskodenschaltung (Reihenschaltung einer Emitter und einer Basisschaltung) Eliminierung der Zunahme von I a mit U a (Einuss Early- Eekt). I a T3 I e I a T1 T2 R 1 R 2 U 0 U a U CE von T2 wird näherungsweise konstant gehalten. T3 gibt seinen Emitterstrom mit einem Verhältnis den Kollektor weiter. Änderung von B 3 durch U CE3 hat kaum Einuss auf U a Ausgagangswiderstand. B 3 1+B 3 an

17 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 1. Stromquellen 3. Kaskodenstromspiegel Kaskodenstromspiegel I e T3 I e T1 I a I a T4 T2 I e T3 I e T1 I a I a T4 T2 100 I a in µa 50 Arbeitsbereich NMOS Arbeitsber. Bipolar U a in V Reihenschaltung von zwei Stromspiegeln. Stromspiegel mit Kaskode und automatischer Arbeitspunkteinstellung. Besteht nur aus Transistoren (integrationsfreundlich). Mindestausgangsspannung mit Bipolartransistoren niedriger.

18 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 2. Kaskodenschaltung Kaskodenschaltung

19 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 2. Kaskodenschaltung Millereekt bei einer Emitterschaltung C M R C U V R C U V U g R g U e T1 U a U g R g C M (1 + v U ) T1 C M Die Miller-Kapazität C M wirkt an der Basis v U fach. Reduzierung der Übergangsfrequenz des Eingangs-RC-Gliedes umgekehrt proportional zu v U.

20 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 2. Kaskodenschaltung Unterbindung durch Kaskodenschaltung U V U V R C R D T2 U a T2 U a U 0 U 0 U e T1 U CE1 = U 0 U BE2 const. U e T1 U DS1 = U 0 U GS2 const. T1: Emitterschaltung mit konstanter U CE ; C M wirkt an der Basis nur einfach. T2: Basisschaltung; C E und C C liegen wechselspannungsmäÿig an Masse.

21 Ersatz von R C durch einen Kaskodenstromspiegel: höherer. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 2. Kaskodenschaltung Kakodenschaltung mit Stromspiegel Spannungsverstärkung: v U β 1 R C Ersatz von R C durch einen Stromspiegel: hoher dierenzieller Widerstand bei einstellbarem Arbeitspunktstrom, der mit dem Arbeitspunktstrom zu- und mit der Early-Spannung des Stromquellentransistors abnimmt. T3 U V Ersatz für R C I C T2 U a U 0 U E T1 U A U CE

22 2. Kaskodenschaltung Frequenzgang und Verstärkung U V R C T2 T3 T4 T3 T2 T2 v U T1 T1 T1 a) b) c) d) khz d) Kaskodenschaltung mit Kaskodenstromspiegel c) Kaskodenschaltung mit Stromspiegel b) Emitterschaltung mit Stromspiegel a) Emitterschaltung 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHz G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 f T1

23 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 2. Kaskodenschaltung Komplette Schaltung für b) bis d) T1 T3 T2b T3c U V T4d I 0 T2 T4 T5 e b) a T1b a T2c e T1c e c) d) T3d a T2d T1d T1 -T3, T2b, T3c, T4d: Stromspiegelbank T1, T2: erzeugen weiterhin 2 U BEF für Kaskodenstromspiegel T4, T5: erzeugen 2 U BEF für Kaskodenverstärker

24 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker Dierenzverstärker

25 3. Dierenzverstärker Grundschaltungen des Dierenzverstärkers symmetrisch (2 Ausgänge) unsymmetrisch (1 Ausgang) R C R C +U V R C +U V Bipolar U a1 U e1 U a2 U e2 U e1 U a U e2 2I 0 2I 0 U V U V +U V +U V R D R D R D n-mos U a1 U e1 U a2 U e2 U e1 U a U e2 2I 0 2I 0 U V U V G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43

26 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie Übertragungskennlinie

27 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie Übertragungskennlinie npn-dierenzverstärker Vereinfachte Annahmen: identische Transistoren, aktiver Bereich, Vernachlässigung Early-Eekt. I C1 = I S e U BE1 U T I C2 = I S e U BE2 U T 2 I 0 = I C1 + I C2 U D = U BE1 U BE2 U a1 U BE1 R C +U V R C U a2 U BE2 2I 0 U V Verhältnis der Kollektorströme: I C1 I C2 = e UBE1 UBE2 U T 2 I 0 = I C1 = e U D UT ( 1 + e U D UT ) ( ), 2 I 0 = I C2 1 + e U D UT

28 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie ( ) ( ) 2 I 0 = I C1 1 + e U D UT, 2 I 0 = I C2 1 + e U D UT mit e x = 1 + e x + 1 e x ( x ) 1 + e x = 1 + tanh 2 ( ( )) ( UD I C1 = I tanh, I C2 = I 0 1 tanh 2 U T ( ( )) UD U a1 = U V I 0 R C 1 + tanh 2 U T ( ( )) UD U a2 = U V I 0 R C 1 tanh 2 U T ( UD Anstieg für U D = 0 (Stelle des maximalen Anstiegs): d U a1 = d U a2 = I 0 R C d U D d U D 2 U T UD=0 UD=0 nutzbarer Bereich als Verstärker: U T < U D < U T 2 U T G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 ))

29 . Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie Beispielsimulation nutzb. Bereich U T U T U e1 Der Arbeitspunkt ist so gewählt, dass wenn der gesamte Strom über einen R C ieÿt über diesem U V abfällt.

30 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie Der Arbeitspunkt ist so gewählt, dass wenn der gesamte Strom über einen R C ieÿt über diesem U V abfällt: I 1 = 2 I 0 = U V R C maximale Verstärkung: d U a1 = I 0 R C = U V = 5 V d U D 2 U T 4 U T 104 mv 48 UD =0

31 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie Gleichtaktaussteuerungsbereich U Gl 3 V 2,5 V 2 V 1 5V 1 V 0,5 V Im Bereich U T < U D < U T nur näherungsweise linear, wenn die Gleichtakteingagsspannung U Gl < 2 V.

32 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie R C > 0 > 0 R C +U V U a1 U a2 > U CEX > U CEX U e1 U U e2 BEF U BEF > U I0.min 2I 0 U V Damit beide Transistoren im aktiven Bereich arbeiten: Ausgangsspannungsbereich: U V + U IQ.min + U CEX < U a.i < +U V Bereich der Gleichtakteingangsspannung U Gl = U e1 + U e2 2

33 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie für Dierenzeingangsspannung U D = U e1 U e1 = 0: U V + U I0.min + U BEF < U Gl < +U V U CEX + U BEF für Dierenzeingangsspannung U T < U D < U T U V +U I0.min +U BEF +U T < U Gl < +U V U CEX +U BEF U T

34 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie Linearisierung durch Stromgegenkopplung U a1 R C R C +U V U a2 Vereinfachte Annahmen: identische Transistoren, aktiver Bereich, Vernachlässigung Early-Eekt, Vernachlässigung des Basisstroms. U e1 U BEF U RE1 R E U BEF R E U RE2 2I 0 U V U e2 I C1 = URE1 R E, I C2 = URE2 R E 2 I 0 = I C1 + I C2, U D = U RE1 U RE2 = R E (I C1 I C2 ) I C1 = I 0 + UD 2 R E, I C2 = I 0 UD 2 R E U a1 = U V R C I 0 RC UD 2 R E, U a2 = U V R C I 0 + RC UD 2 R E mit den Vereinfachungen linear und unabhängig von den Transistorparametern. G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43

35 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie Übertragungskennline n-kanal-dierenzverstärker Vereinfachte Annahmen: identische Transistoren, Einschnürrbereich, Vernachlässigung Early-Eekt. +U V R D R D U a1 U a2 U GS1 U GS2 2I 0 U V I D1 = K 2 (U GS1 U th ), I D2 = K 2 (U GS2 U th ) 2 I 0 = I D1 + I D2, U D = U GS1 U GS2 2 I = D1 K 2 I D2 K G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43

36 . Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie Auösung des Gleichungssystems: ( I D1 = I 0 + U D 2 2K I 0 K UD 2 I D1 = I 0 + U D 2 2K I 0 ( K UD 2 U a1 = U V I 0 R D K U D 2 ) 2 ) 2 UDM 2 2 U D 2 4 für U D < 2 ( Bedingung für Einschnürrbereich). Mit U DM = 2 U a2 = U V + I 0 R D + K U D 2 U 2 DM 2 U 2 D 4 I 0 K : I0 K für U D < U DM kleines DM bessere Linearität, geringere Verstärkung ## Simulation mit DM=1V, 0,5V und 0,25V

37 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie Gleichtaktaussteuerungsbereich +U V R D R D U a1 U a2 U GS1 U GS2 2I 0 U V 2 ID U GS = U th + K Gleichtaktaussteurung für 0 < I D < 2 I 0 ): 4 I0 U V + U I0.min + U th + K < U Gl < +U V + U th G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43

38 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie Rail-to-Rail-Verstärker Operationsverstäker, bei dem die Gleichtakteingangsspannung im gesamten Bereich der Versorgungspannnung liegen darf: U V < U Gl < +U V Bei n-mos-verstärker möglich. Die Einschaltspannung nimmt nach Gl.?? mit der Source-Bulkt-Spannung zu U BS : ( U th = U th.0 + γ Uinv U BS ) U inv (γ, U inv Transistorparameter). Gleichtaktaussteurung: 4 I0 U V + U I0.min + U th (U I0.min ) + K < U Gl < +U V + U th (U V ) eine Rail-to-Rail-Aussteuerung verlangt: 4 I0 U th (U BS = U I0.min ) < U I0.min + K U th (U BS = +U V ) > 0

39 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie Osetspannung Die Osetspannung U off ist die Dierenzeingangsspannung U D für U a1 = U a2 bzw. U a = U soll. Ursache: Toleranzen, Unsymmetrien. U a.soll 0 U a U off U D U a2 U a1

40 Anschluss eines Regelverstärkers, der die Dierenzausgangsspannung auf null kompensiert und Ablesen der Eingangsdierenzspannung Achtung: Schleifenverstärkung über die Verstärkung des Regelverstärkers soweit absenken, dass die Schaltung nicht schwingt! G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 1. Übertragungskennlinie Messen der Osetspannung symmetrischer Ausgang I 0 I 0 +U V unsymmetrischer Ausgang I 0 +U V U a2 U a2 U a1 U off 2I 0 U a.soll U off 2I 0 U V U V

41 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 2. Kleinsignalverhalten Kleinsignalverhalten

42 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 2. Kleinsignalverhalten Gleichtakt- und Dierenzersatzschaltung Frequenzgang

43 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 5. Juli /43 3. Dierenzverstärker 3. Impedanzwandler Impedanzwandler