Analoge CMOS-Schaltungen. Miller Operationsverstärker -ein OpAmp für Widerstandslast 1. Teil. Roland Pfeiffer 7. Vorlesung

Transkript

1 Analoge CMOS-Schaltungen Miller Operationsverstärker -ein OpAmp für Widerstandslast 1. Teil 7. Vorlesung

2 OpAmp Bekannt unter anderem aus der Vorlesung von Prof. Jungemann: Operationsverstärker OpAmp Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2

3 OpAmp Bekannt unter anderem aus der Vorlesung von Prof. Jungemann: viele Schaltungen mit OpAmp!! rückgekoppelte Verstärker Widerstandslast!! analoge Addierer, Subtrahierer analoge Integrierer, Differenzierer und vieles mehr!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3

4 OTA (genau: OTA mit NMOS-Eingangsstufe und Kondensatorlast ) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4

5 OTA Wie wirkt sich eine Widerstandslast auf die Differenzverstärkung aus? Was ist der Grund dafür? analog7r Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5

6 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: A DIFFDC 0,3 10 db Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6

7 OTA Geben Sie eine Meßschaltung zur Bestimmung des Ausgangswiderstand eines OTA an?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7

8 OTA Wie hoch ist der Ausgangswiderstand der OTA?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8

9 OTA Was ist zu unternehmen, um den OTA für Widerstandslasten zu erweitern? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9

10 Alternative 1: OTA + Source-Folger Idee: Source-Folger am Ausgang des OTA!! Geben Sie die Eigenschaften des Source-Folgers an! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10

11 Source-Folger: Verstärkung Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild eines Source-Folgers für die Verstärkung!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11

12 Source-Folger: Verstärkung Leiten Sie einen Ausdruck ab für die DC -Verstärkung A DC von unteren Source-Folger (Drainleitwert M3 und MB1C vernächlässigbar) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12

13 Source-Folger : Verstärkung Was für einen Nachteil hat der Source-Folger? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13

14 Alternative 2: OTA + Inverter Eigenschaften des Inverters : hoher Eingangswiderstand Idee: zweite Inverter-Stufe am Ausgang des OTA Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14

15 Inverter: Verstärkung Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild einer Inverter-Stufe für die Verstärkung!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15

16 Inverter: Verstärkung Leiten Sie einen Ausdruck ab für die DC -Verstärkung A DC vom Inverter! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16

17 Inverter: Verstärkung Leiten Sie einen Ausdruck ab für den Frequenzgang der Verstärkung A in der Form: A 1 = A DC j 2 π 1+ Pol f Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17

18 Inverter: V DD -Einfluß Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild für die DC -Versorgungsspannungsunterdrückung A VDDDC gegen V DD von unteren Inverter!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18

19 Inverter: V DD -Einfluß Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild für die DC -Versorgungsspannungsunterdrückung A VDDDC gegen V DD von unteren Inverter!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19

20 Inverter: V DD -Einfluß Leiten Sie einen Ausdruck ab für die DC -Versorgungsspannungsunterdrückung A VDDDC gegen V DD von unteren Inverter!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20

21 Inverter: V SS -Einfluß Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild für die DC -Versorgungsspannungsunterdrückung A VSSDC gegen V SS von unteren Inverter!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21

22 Inverter: V SS -Einfluß Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild für die DC -Versorgungsspannungsunterdrückung A VSSDC gegen V SS von unteren Inverter!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22

23 Inverter: V SS -Einfluß Leiten Sie einen Ausdruck ab für die DC -Versorgungsspannungsunterdrückung A VSSDC gegen V SS von unteren Inverter!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23

24 Dimensionierung des Inverters Stellen Sie das W/L-Verhältnis von M3 und MB1C so ein, daß gilt: 1.Bedingung: I MB1C =10 I MB1B 2.Bedingung: U RL =1,5 V Spannungsabfall Biasstrom Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24

25 Dimensionierung des Inverters 1.Bedingung: I MB1C =10 I MB1B Biasstrom Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25

26 Dimensionierung des Inverters 2.Bedingung: U RL =1,5 V Spannungsabfall Biasstrom Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26

27 PSPICE-Simulation Methode für die Bestimmung von W/L von M3 für Ausgangsspannung 1,5 Volt aus PSPICE-Simulation analog8wl Ergebnis: W/L von M3 für Ausgangspannung 1,5 Volt Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27

28 Dimensionierung des Inverters Frage: Stellen Sie das W/L-Verhältnis von M3 und MB1C so ein, daß gilt: 1.Bedingung: I MB1C =10 I MB1B 2.Bedingung: U RL =1,5 V Antwort: MB1C: W/L= und M3: W/L= Spannungsabfall Biasstrom Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28

29 PSPICE-Simulation Überprüfung durch Simulation (Verstärkung eines Inverters mit den errechneten Werten): analog8inv Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29

30 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: Verstärkung A DC 30,2 29,6 db "einfacher" Verstärker: A DC =A DIFF =A CM!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30

31 PSPICE-Simulation g M und g 0 aus Output-File analog8inv g M,M3 g 0,M3 6, A/V 5, A/V g 0,MB1C 5, A/V A DC g = m, M 3 ( / g 1/ g R ) 1 0, MB1C 0, M ,5 db L Pol=1/(1/go,MB1C 1/go,M3 R L ) C L Pol="3 db-kreis-frequenz": 2,1 MHz 3 db-frequenz: 334 khz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31

32 simulierte 3dB-Frequenz: PSPICE-Simulation berechnet: 334 khz simuliert: 305 khz Grund: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32

33 PSPICE-Simulation g M und g 0 aus Output-File analog8inv g M,M3 g 0,M3 6, A/V 5, A/V g 0,MB1C 5, A/V A g VDDDC m, M 3 = ( / g 1/ g R ) 1 0, MB1C 0, M ,5 db L Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33

34 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: Versorgungsspannungunterdrückung gegen V DD analog8invvdd A VDDDC 29,7 db 30,5 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34

35 PSPICE-Simulation g M und g 0 aus Output-File analog8inv g M,M3 g 0,M3 6, A/V 5, A/V g 0,MB1C 5, A/V A VSSDC = 1/ ( R 1/ g ) L R L 0, M 3 g 0,28 11dB 0, M 3 + 1/ g 0, MB1C Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35

36 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: Versorgungsspannungunterdrückung gegen V SS analog8invvss A VSSDC 0,28 11dB Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36

37 OTA + Inverter Kann bei den Eigenschaften des Gesamtverstärkers allgemein auf schon Bekanntes züruckgegriffen werden oder muß neu betrachtet werden (am Beispiel OTA + Inverter)?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37

38 Antwort: Differenzverstärkung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38

39 Überprüfung durch Simulation : PSPICE-Simulation analog8 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39

40 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: A DIFFDC, GES 69,5 db 3000 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40

41 simulierte 3dB-Frequenz: PSPICE-Simulation simuliert: 100 khz Berechnung nicht möglich, da C P nicht bekannt!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41

42 Antwort: Gleichtaktverstärkung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 42

43 Überprüfung durch Simulation : PSPICE-Simulation analog8cm Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43

44 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: A CMDC, GES 9,85 db 0,322 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44

45 V DD -Einfluß Gibt es eine derartige Formel für die Versorgungsspannungs- Unterdrückung gegen V DD eines zweistufigen Verstärkers?? Antwort: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 45

46 V DD -Einfluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 46

47 V DD -Einfluß Beschreiben Sie die DC-Versorgungsspannungsunterdrückung A VDDDC,GES gegen V DD von unteren OTA und Inverter!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 47

48 V DD -Einfluß Analoge CMOS-Schaltungen Folie 48

49 Überprüfung durch Simulation : PSPICE-Simulation analog8vdd Analoge CMOS-Schaltungen Folie 49

50 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: 0,25 A VDDDC, GES 12 db Analoge CMOS-Schaltungen Folie 50

51 V SS -Einfluß Gibt es eine derartige Formel für die Versorgungsspannungs- Unterdrückung gegen V SS eines zweistufigen Verstärkers?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 51

52 V SS -Einfluß Beschreiben Sie die DC-Versorgungsspannungsunterdrückung A VSSDC,GES gegen V SS von unteren OTA und Inverter!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 52

53 Überprüfung durch Simulation : PSPICE-Simulation analog8vss Analoge CMOS-Schaltungen Folie 53

54 PSPICE-Simulation Ausgabe der AC-Simulation: 0,046 A VSSDC, GES 26,75 db Analoge CMOS-Schaltungen Folie 54

55 Eingangsspannungsbereich Wie lautet der analystische Ausdruck für die minimale und maximale Eingangsspannung? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 55

56 Minimale Eingangsspannung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 56

57 Maximale Eingangsspannung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 57

58 Ausgangsspannung Die Ausgangsspannung ist wegen der Widerstandslast festgelegt!! feste Spannung am Ausgang!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 58

59 Zusammenfassung -Ausgangspunkt: Operational Transconductance Amplifier (OTA) -Beispiel: OTA Operationsverstärker mit Widerstandslast -PSPICE-Simulationen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 59

60 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 60