Analoge CMOS-Schaltungen
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- Ralf Pfeiffer
- vor 6 Jahren
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1 Analoge CMOS-Schaltungen Versorgung von Analogschaltungen 4. Vorlesung
2 Rückblick -Einfluß der Versorgungsspannung -Beispiel: MOS-R-Inverter -PSPICE-Simulationen -Lösung: differentieller Aufbau -zusätzliche Spezifikationen: PSRR VDD, PSRR VSS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2
3 Einfluß der Versorgungsspannung Versorgungsspannung Versorgungsspannungsunterdrückung ( power supply rejection ): ideale Versorgungsspannungsunterdrückung durch differentiellen Aufbau analog5.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3
4 Einleitung -Versorgung von Analogschaltungen -Beispiel: differentieller MOS-R-Inverter Differenzverstärker -PSPICE-Simulationen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4
5 Eingangsspannungsteiler Störend: hochohmiger Eingangsspannungsteiler Grund: hochohmige Widerstände verbrauchen sehr viel Chipfläche, Matching-Problem analog5.sch störend störend Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5
6 Eingangsspannungsteiler Frage: Wie hoch ist der Chipflächenverbrauch bei dem Eingangsspannungteiler des MOS-R-Inverters bei Realisierung als n-diffusionswiderstand mit 10k/, Mindestbreite 5µm und vergleichen Sie diesen Wert mit einem NMOS-Transistor W/L= 10µm/ 1µm, Source/Drainüberlapp 2µm! analog5.sch störend störend Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6
7 Eingangsspannungsteiler Frage: Wie hoch ist der Chipflächenverbrauch bei dem Eingangsspannungteiler des MOS-R-Inverters bei Realisierung als n-diffusionswiderstand mit 10k/, Mindestbreite 5µm und vergleichen Sie diesen Wert mit einem NMOS-Transistor W/L= 10µm/1µm, Source/Drainüberlapp 2µm! Antwort: 50µm 5µm 100 kω=250 µm 2 130µm 260 kω=650 µm 2 5µm 10µm 5µm Transistor 10µm/1µm, 2µm Überlapp: 50 µm2 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7
8 Referenzspannungsquelle Auf Analogschaltungen meist vorhanden: Bandgap-Referenzspannungquelle erzeugt eine temperaturstabile Spannung (typischer Wert 1,25 V). Diese Spannung wird über eine off-chip Präzisionswiderstand in einen temperaturstabilen Biasstrom umgewandelt (sehr genaue Analogschaltungen) oder der Strom wird aus der Bandgap-Referenzspannungsquelle direkt entnommen, wobei der Strom leicht temperaturabhängig ist (allgemeine Analogschaltungen). Dieser sog. Biasstrom dient als Versorgung für die Analogschaltungen. Bandgap- Referenzspannungsquelle Biasstrom Präzisions-R Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8
9 Geeignete Schaltung: Stromspiegel Durch MB1A und MB1B wird der Biasstrom in die Analogschaltung "gespiegelt. Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9
10 Frage: Wie heißt die Schaltung von MB1A auch, bei der ein Kurzschluß zwischen Gate und Source herrscht? Antwort:?? PSPICE-Simulation analog6vi.sch analog6iv.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10
11 I PSPICE-Simulation Frage: Wie heißt die Schaltung von MB1A noch, bei der ein Kurzschluß zwischen Gate und Source herrscht? Antwort: MOS-Diode MOS-Transistor in Sättigung DS k 2 W ( U U ) 2 2 I N DS = GS TN U GS = + UTN L kn ( W / L) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11
12 Geeignete Schaltung: Stromspiegel Frage: Leiten Sie eine Beziehung zwischen den W/L's von MB1A und MB1B und den Biasstrom und den durch die Stromsenke fließenden Strom ab! Annahme: MB1B in Sättigung Antwort:?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12
13 Geeignete Schaltung: Stromspiegel Frage: Leiten Sie eine Beziehung zwischen den W/L's von MB1A und MB1B und den Biasstrom und den durch die Stromsenke fließenden Strom ab! Annahme: MB1B in Sättigung (mit Kanallängenmodulation) Antwort: I I BIAS Stromsenke = ( W / L) ( ) MB1A 1+ λ U DS, MB1A ( W / L) ( 1+ λ U ) MB1B DS, MB1B Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13
14 Geeignete Schaltung: Stromspiegel Frage: Leiten Sie eine Beziehung zwischen den W/L's von MB1A und MB1B und den Biasstrom und den durch die Stromsenke fließenden Strom ab! Annahme: MB1B in Sättigung (ohne Kanallängenmodulation) Antwort: I I BIAS Stromsenke = ( W / L) MB1A ( W / L) MB1B Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14
15 Geeignete Schaltung: Stromspiegel Frage: Bis zu welcher minimalen U DS,SAT befindet sich MB1B in Sättigung (U DS,SAT als Funktion von I DS ) Antwort:?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15
16 Geeignete Schaltung: Stromspiegel Frage: Bis zu welcher minimalen U DS,SAT befindet sich MB1B in Sättigung (U DS,SAT als Funktion von I DS )? Sättigungsbedingung U DS,SAT = U GS -U TN in I DS -Formel für Widerstandsbereich U DS,SAT als Funktion von I DS Antwort:?? I DS U GS U DS sowohl I DS -Formel für Widerstands- und Sättigungsbereich Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16
17 Geeignete Schaltung: Stromspiegel Frage: Bis zu welcher minimalen U DS,SAT befindet sich MB1B in Sättigung (U DS als Funktion von I DS ) Antwort: U DS, SAT = U GS U TN = 2 I DS ( W / L) k N Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17
18 PSPICE-Simulation U DS,SAT besser aus Output-File, da genauere Gleichungen!! z. Bsp. analog4.sch: Ausschnitt aus Output-File: U DS < U DS,SAT Widerstandsbereich U DS > U DS,SAT Sättigungsbereich Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18
19 Einsatz im Schaltung?? Frage: Addieren Sie die Drainströme von M1A und M1B in der transienten Simulation! Was stellen Sie fest? Antwort:?? analog5t.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19
20 Einsatz im Schaltung?? Frage: Addieren Sie die Drainströme von M1A und M1B in der transienten Simulation! Was stellen Sie fest? Antwort: Versorgung durch Stromquelle möglich! analog5t.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20
21 Schaltung: ideale Stromquelle Mit Eingangskondensatoren C3 und C6 keine DC-Spannung an den Gates von M1A und M1B!! Ausweg: C3 und C6 entfernen, DC-Spannung (1,8V) an die AC-Quellen analog6ideal.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21
22 Schaltung: ideale Stromquelle Frage: Stimmen die Ergebnisse mit denen aus analog5.sch überein? Wie ist die Spannung an der Stromquelle? Antwort:?? analog6ideal.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22
23 Schaltung: ideale Stromquelle Frage: Stimmen die Ergebnisse mit denen aus analog5.sch überein? Wie ist die Spannung an der Stromquelle? Antwort: Ja, Spannung an der Stromquelle 0 Volt analog6ideal.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23
24 Schaltung: reale Stromquelle Frage: Dimensionieren Sie MB1B mit I Bias =100µA und W/L(MB1A) =100µm/1µm (Strom durch MB1B für 4,46 ma und Gatelänge von 1 µm)? Antwort:?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24
25 Schaltung: reale Stromquelle Frage: Dimensionieren Sie MB1B mit I Bias =100µA und W/L(MB1A) =100µm/1µm (Strom durch MB1B für 4,46 ma und Gatelänge von 1 µm)? Antwort: W L 4460 µ m 1 m M 2 µ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25
26 Schaltung: reale Stromquelle Frage: Wie ist die Spannung und der Strom durch MB1B? Haben Sie dafür eine Erklärung? Antwort:?? analog6real.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26
27 Schaltung: reale Stromquelle Frage: Wie ist die Spannung und der Strom durch MB1B? Haben Sie dafür eine Erklärung? Antwort: Spannung 0V, Strom zu niedrig MB1B in Widerstandsbereich analog6real.sch MB1B in Widerstandsbereich Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27
28 Schaltung: reale Stromquelle Frage: Wie ist die Spannung und der Strom durch MB1B? Haben Sie dafür eine Erklärung? Antwort: Spannung 0V, Strom zu niedrig MB1B in Widerstandsbereich Idee: Versorgungsspannung und DC-Spannung der AC-Quellen erhöhen MB1B in Sättigungsbereich MB1B in Sättigungsbereich Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28
29 Schaltung: reale Stromquelle Frage: Erhöhen Sie die Versorgungsspannung von 2,5 V auf 3 Volt und die DC-Spannung der AC-Quellen von 1,8 V auf 2,3 V! Wie ist jetzt die Spannung und der Strom durch MB1B? Antwort:?? analog6real3.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29
30 Schaltung: reale Stromquelle Frage: Erhöhen Sie die Versorgungsspannung von 2,5 V auf 3 Volt und die DC-Spannung der AC-Quellen von 1,8 V auf 2,3 V! Wie ist jetzt die Spannung und der Strom durch MB1B? Antwort: Strom 4,46 ma, MB1B in Sättigung analog6real3.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30
31 Schaltung: reale Stromquelle Frage: Stimmen jetzt die Ergebnisse mit denen aus analog5.sch überein? Antwort:?? analog6real3.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31
32 Schaltung: reale Stromquelle Frage: Stimmen jetzt die Ergebnisse mit denen aus analog5.sch überein? Antwort: Ja!! analog6real3.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32
33 Differenzverstärker Überführung in Differenzverstärker (genau: differentieller NMOS-Differenzverstärker mit Widerstand und Kondensatorlast ) analog6real3.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33
34 Differenzverstärker Frage: Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild von unteren Differenzverstärker! Antwort:??? analog6real3.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34
35 Differenzverstärker Antwort: Kleinsignalersatzschaltbild von Differenzverstärker Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35
36 Differenzverstärker Frage: Wie kann man die Kleinsignalersatzschaltbild von Differenzverstärker noch vereinfachen? Antwort:??? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36
37 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 37
38 Differenzverstärkung Frage: Vergleichen Sie die die Kleinsignalerschatzbilder von einfachen Verstärker und Differenzverstärker! Was schließen daraus für die Differenzverstärkung? Antwort:?? Kurzschluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38
39 Differenzverstärkung Frage: Vergleichen Sie die die Kleinsignalerschatzbilder von einfachen Verstärker und Differenzverstärker! Was schließen daraus für die Differenzverstärkung? Antwort: Differenzverstärkung(Differenzverstärker)= 2*Verstärkung(einfacher Verstärker) bei "doppelter" Ansteuerung (VAC=VACP/VACN)!! Kurzschluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39
40 Großsignalschaltbild zum Kleinsignalersatzschaltbild Rückblick: PSPICE-Simulation Frage: Ist die AC-Simulation von der AC-Amplitude abhängig? analog4.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40
41 Großsignalschaltbild zum Kleinsignalersatzschaltbild PSPICE-Simulation: Verstärker Antwort: Nein, da lineares System!! Am besten 1 Volt/Ampere vorteilhaft bei db-ablesung bei einfacher Verstärkern analog4.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41
42 Großsignalschaltbild zum Kleinsignalersatzschaltbild PSPICE-Simulation: Differenz-Verstärker Antwort: Nein, da lineares System!! Am besten 0,5 Volt/Ampere für VACP und VACN Differenz 1 V! Vorteilhaft bei db-ablesung bei Differenz-Verstärkern! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 42
43 Differenzverstärkung Frage: Vergleichen Sie die die Kleinsignalerschatzbilder von einfachen Verstärker und Differenzverstärker! Was schließen daraus für die Differenzverstärkung? Antwort: Differenzverstärkung(Differenzverstärker)= Verstärkung(einfacher Verstärker) bei "gleicher" Ansteuerung (VAC=0,5 VACP/VACN)!! Kurzschluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43
44 Frage: Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse durch Simulation!! Stimmen die berechneten Ergebnisse? Antwort:?? analog6real3.sch Differenzverstärkung: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44
45 Differenzverstärkung: Frage: Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse durch Simulation!! Stimmen die berechneten Ergebnisse? Antwort: Ja!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 45
46 Eingangsspannungsbereich: MB1B in Sättigung, M1A/M1B in Sättigung Drainspannung frei ab U DS,SAT erlaubter DC-Eingangspannungsbereich input common mode range an den Gates von M1A und M1B Sättigung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 46
47 Eingangsspannungsbereich: Prinzip: der Eingangsbereich zwischen minimaler und maximaler Eingangsspannung gibt den Bereich an, in dem sich alle Transistoren im gewünschten Bereich befinden und die berechneten Werte z.bsp. für die Verstärkung gelten. Da sich CMOS-Verstärkerschaltungen meist im Sättigungsbereich betrieben werden, ist die Sättigungsspannung der einzelnen Transistoren für den Eingangsspannungsbereich entscheidend. Eingangsspannungsbereich Eingangsspannungsbereich Verstärkung etc. gültig Analoge CMOS-Schaltungen Folie 47
48 Minimale Eingangsspannung: V INPUT, MIN = VMB 1B, DS, SAT + VM 1A, GS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 48
49 V Maximale Eingangsspannung: INPUT, MAX = VDD VSS VR 1 VM 1B, DS, SAT + V M 1A, GS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 49
50 Eingangsspannungsbereich: Frage: Berechnen Sie V INPUT,MIN und V INPUT,MAX für unteren Differenzverstärker! Antwort:?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 50
51 Minimale Eingangsspannung: V INPUT, MIN V V = MB1B, DS, SAT + M1A, GS = 0,355 V + 1,8 V = 2,155 V Analoge CMOS-Schaltungen Folie 51
52 Maximale Eingangsspannung: V INPUT, MAX V V V V = DD SS R1 M1A, DS, SAT + M1A, GS = 3 V 0,97 V 1,32 V + 1,8 V = V 2,51V Analoge CMOS-Schaltungen Folie 52
53 Eingangsspannungsbereich: Frage: Berechnen Sie V INPUT,MIN und V INPUT,MAX für unteren Differenzverstärker! Antwort: V INPUT,MIN = 2,155 V, V INPUT,MAX =2,51 V Analoge CMOS-Schaltungen Folie 53
54 analog6real3.sch Eingangsspannungsbereich: Frage: Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse durch Simulation!! Stimmen die berechneten Ergebnisse? Antwort:?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 54
55 analog6real3.sch Eingangsspannungsbereich: Frage: Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse durch Simulation!! Stimmen die berechneten Ergebnisse? Antwort: keine klare Grenze für V INPUT,MIN und V INPUT,MAX, da sanfter Übergang zwischen Sättigungs-und Widerstandsbereich Analoge CMOS-Schaltungen Folie 55
56 Gleichspannungsverstärkung: Innerhalb des input common mode range kann die DC-Spannung an den Gates von M1A und M1B gleichmäßig schwanken und wird mit der Gleichspanungsverstärkung verstärkt. Da dies der Differenzverstärkung überlagert ist, sollte die Gleichspannungsverstärkung unterdrückt werden. DC- Spannung schwankt Analoge CMOS-Schaltungen Folie 56
57 Gleichspannungsverstärkung: Diese Schwankung wird mit der Gleichspannungsverstärkung ( common mode gain ) an die Ausgänge geführt. VACDC1=VACDC2=1 Volt Amplitude, da gleichphasig!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 57
58 Gleichspannungsverstärkung: Es gilt das Kleinsignalersatzschaltbild mit veränderten AC-Quellen. Frage: Wie kann man die Kleinsignalersatzschaltbild von Differenzverstärker bei Gleichspannungsverstärkung noch vereinfachen? Antwort:??? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 58
59 Gleichspannungsverstärkung: Antwort: Wegen der Symmetrie der Zweige M1A und M1B und der darin fließenden Ströme Aufteilung vom Drainleitwert in zwei Drainleitwerte und Auftrennen: es genügt die Betrachtung von einen Teil ( half-circuit ) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 59
60 Gleichspannungsverstärkung: Frage: Leiten Sie einen Ausdruck ab für die DC -Gleichspannungsverstärkung A CMDC von unteren Differenzverstärker (Drainleitwert M1 vernächlässigbar) Antwort:??? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 60
61 Antwort: Versorgung von Analogschaltungen V A CMDC = V V V OUTDC GS = V A Gleichspannungsverstärkung: = g CMDC ACDC OUTDC ACDC M, M 1 VGS R1 V = V g OUT 2 / ACDC g M, M1 R 1 g 0 = 0, MB1B / V g 2 GS m, M 1 V GS g m, M 1 V GS ( 1/ g + 2 / g ) m, M 1 R 1 0, MB1B Analoge CMOS-Schaltungen Folie 61
62 PSPICE-Simulation g 0,MB1B aus Output-File analog6real3.sch g 0,MB1B 5, A/V A CMDC = V V OUT ACDC 0,13 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 62
63 Frage: Leiten Sie einen Ausdruck ab für den Frequenzgang der Gleichspannungsverstärkung A CM in der Form: Antwort:??? Gleichspannungsverstärkung: A CM = A CMDC 1+ 1 j 2 π Pol f Analoge CMOS-Schaltungen Folie 63
64 Gleichspannungsverstärkung: Frage: Leiten Sie einen Ausdruck ab für den Frequenzgang der Gleichspannungsverstärkung A CM in der Form: Antwort: Pol=1/(R1 C1) selbes Frequenzverhalten wie Differenzverstärkung A CM = R1 2 / g0, MB1 B 1+ 1 j 2 π f 2,3 GHz Pol="3 db-kreis-frequenz" 1/(R1 C1): 2,3 GHz 3 db-frequenz 1/(2 π R1 C1): 366 MHz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 64
65 Gleichspannungsverstärkung: Frage: Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse durch Simulation!! Stimmen die berechneten Ergebnisse? Antwort:?? analog6real3dc.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 65
66 Gleichspannungsverstärkung: Frage: Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse durch Simulation!! Stimmen die berechneten Ergebnisse? Antwort: DC-Wert ungefähr, anderer Frequenzgang durch parasitäre C von MB1B (nicht berücksichtigt bei Berechnung)!! A CMDC 0,1 20 db Analoge CMOS-Schaltungen Folie 66
67 Gleichspannungsunterdrückung: Gleichspannungsspannungsunterdrückungsverhältnis ( common mode rejection ratio (CMRR) ): Verhältnis von gewünschter Differenzverstärkung zu Gleichspannungsverstärkung linear db CMRR = A A DIFF CM CMRR [ db] = A [ db] A [ db] DIFF CM Achtung: Differenzverstärkung 180, VACP/VACN: 0,5 V Amplitude Gleichspannungverstärkung 0, VACDC1/VACDC2: 1 V Amplitude Analoge CMOS-Schaltungen Folie 67
68 Zusammenfassung -Versorgung von Analogschaltungen -Beispiel: differentieller MOS-R-Inverter Differenzverstärker -PSPICE-Simulationen -zusätzliche Spezifikationen: input common mode range, CMRR Analoge CMOS-Schaltungen Folie 68
69 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 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 69
70 Schaltung: MOS-R-Inverter Frage: Wieso ist untere Schaltung nicht zur Verstärkung geeignet? Antwort:?? analog6sideal.sch analog6sreal.sch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 70
71 Schaltung: MOS-R-Inverter Frage: Wieso ist untere Schaltung nicht zur Verstärkung geeignet? Antwort: Sättigungsbetrieb von M1 und MB1B, AC-Quelle beeinflußt Gate und Source von M1, aber nicht Strom über R1 keine Spannungsänderung keine Verstärkung!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 71
72 Schaltung: MOS-R-Inverter Alternative: Gate-Bias von M1, Ankopplung der AC-Quelle über C, R zur Dämpfung der AC-Schwingung im Biaskreis Analoge CMOS-Schaltungen Folie 72
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