Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Präsentation zum Thema: "Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs"—  Präsentation transkript:

1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
DC AC Ω Ohne RK RK Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

2 Testschaltungen für Feedbackanalyse
Messpunkt - blau Kurzschluss Testquelle - rot AOL1 – Gain am Eingangsnetz AOL2 – aktive Verstärkung RK FF T - Schleifenverstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

3 Ausgangswiderstand Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Kurzschluss R0 – Ausgangsimpedanz ohne Verstärkung offene Leitung Kurzschluss TOC TSC Schleifenverstärkungen Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

4 Linearer Spannung-Strom Wandler
Schleifenverstärkung bei kurzgeschlossenen Knoten Leerlaufverstärkung 1 Aol1 Schleifenverstärkung T Schleifenverstärkung bei offenen Knoten Leerlaufverstärkung 2 Aol2 Widerstand ohne Verstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

5 „Common-Source“ Verstärker
Rd||Rds Ausgang Cf Eingang Cd Cg Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

6 Millereffekt Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs C LC C
Meter (1+A)C C C LC Meter -A Uin Uout Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

7 Aufgabe Rin=? Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cg Cg
Transistor CS Amplifier SF Amplifier Z=? Z=? Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

8 Verstärker mit einem Eingang
„Common Source“ Kaskade CS mit Sourcefolger Kaskode Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

9 Verstärker mit einem Eingang
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

10 Differentieller Verstärker
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

11 Differentieller Verstärker
Dynamikbereich Ausgang Dynamikbereich Eingang Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

12 „Common-Source“ Verstärker
Rd||Rds Ausgang Cf Eingang Cd Cg Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

13 „Common-Source“ Verstärker
DC Verstärkung Diese Kapazität wird durch Miller-Effekt verstärkt Nachteil: Verstärkung hängt vom Lastwiderstand ab Rd Cd Wichtige Kapazitäten: Cd – Lastkapazität (groß), Cf – verstärkt durch Millereffekt UOUT UIN Cf Dominante Zeitkonstante Rg Cg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

14 Sourcefolger Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Cgs Kapazität zwischen Gate und Source Cgd Kapazität zwischen Gate und Drain Cs Summe aller Kapazitäten zwischen Source und Masse Eingang UIN Ausgang UOUT Eingang + - Ausgang Cgs Cs Rs‘ = Rs||Rds Rs Rg Rg Cgd gm UGS Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

15 Sourcefolger - Zeitkonstanten
Dominante Zeitkonstante Cgd DC Verstärkung Eingang UIN Ausgang Diese Kapazitäten werden durch die Wirkung des Transistors stark gedämpft UOUT Cgs Cs Der Generator Ig „sieht“ die große Lastkapazität Cs nicht Rs Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

16 Kaskade von 2 „common–sorce“ Verstärkern
Rd2 Rd1 UOUT Eingang Ausgang UIN Rg1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

17 Kaskade von 2 CS Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
DC Verstärkung Wichtige Kapazitäten: Cf1, Cf2 – Millereffekt, Cd2 - Lastkapazität Rd2 Rd1 Dominante Zeitkonstante DC Verstärkung ist Produkt von Verstärkungen einzelner Stufen Cd2 UOUT Cf2 Cf1 Die Zeitkonstante ist Summe von der Zeitkonstanten einzelner Stufen UIN Rg1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

18 Kaskade von CS und Source-Folger
Rd1 Ausgang Eingang UOUT UIN Rs2 Rg1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

19 Kaskade von CS und Source-Folger
DC Verstärkung Kleine Kapazitäten Dominante Zeitkonstante Cgd2 Millereffekt Rd1 Cf1 Ausgang Eingang Cd1 UOUT UIN Cgs2 Cs2 Die Lastkapazität wird gedämpft, der Generator „sieht“ die Kapazität nicht Rs‘2 DC Verstärkung wie beim common-source Verstärker – aber sie hängt vom Lastwiderstand Rs2 nicht ab. Gut für die Ausgangsverstärker Rg1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

20 Kaskade von CS und Source-Folger vs Kaskade von 2 CS
Cs+sf kleiner 2 cs Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

21 Source und Bulk sind getrennt
Kaskode Rc1 Rc1 UOUT UOUT Ausgang Cd2 Source und Bulk sind getrennt Cs2 Cf1 Eingang UIN UIN Cd1 Rg1 Cg1 Rg1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

22 Dominante Zeitkonstante
Kaskode DC Verstärkung Cd2 Dominante Zeitkonstante Rc2 UOUT Ausgang Schwaches Millereffekt Ab hier „sieht“ der common source Verstärker nur noch den kleinen Widerstand R*d1 ≈ 1/gm2. Das mildert Millereffekt und macht die Kaskode schneller als „common cource“. UIN Rg1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

23 Verstärker Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
„Common Source“ Kaskade CS mit Sourcefolger Kaskode V τ Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

24 Verstärker mit einem Eingang
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

25 AC Analyse eines Verstärkers mit RK
Signaldämpfung am Eingang Rückkopplung Aktive Verstärkung Annahme: System zweiter Ordnung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

26 Testschaltungen für Feedbackanalyse
Messpunkt - blau Kurzschluss Testquelle - rot AOL1 – Gain am Eingangsnetz AOL2 – aktive Verstärkung RK FF T - Schleifenverstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

27 AC Analyse eines Verstärkers mit RK
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

28 Transistorschaltplan
Feedback Rf Rd UOUT Cf Sensor- Kleinsignalmodell UIN Cd Cg Rg Verstärker Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

29 Analyse eines Systems mit RK
Xs Passives Netzwerk Xi Xi* Passives Netzwerk Feedback Rf Cf Ausgang Eingang UIN U*IN + Cd Rd Cg Rg - gm UIN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

30 Der Schnittpunkt Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Rf
Der Schnittpunkt befindet sich nach der Gatekapazität! Es wird nur schwer mit SPICE simuliert. Rd UOUT Cf UIN Cd Cg Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

31 Schleifenverstärkung
Passives Netzwerk Xi Xi* Passives Netzwerk Feedback Rf Cf UIN U*IN + Cd Rd Cg Rg - gm U*IN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

32 Schleifenverstärkung – Zeitkonstante a1
Minus Vorzeichen nicht vergessen, T0 muss positiv sein Methode der Zeitkonstanten Die Schleifenverstärkung für niedrige Frequenzen, Leicht herzuleiten nur Strom/Spannungsteiler Rf Cf UIN + Cd Rd Cg Rg - gm U*IN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

33 Zeitkonstanten – die Formel für a2
CN Ci C1 C2 Ω Zur Messung von RN1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

34 Schleifenverstärkung – Zeitkonstante a2
Rf Cf UIN + Cd Rd Cg Rg - gm U*IN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

35 Schleifenverstärkung – die endgültige Formel
Rf Cf U(t) UIN + Cd Rd Cg Rg - gm U*IN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

36 Nullstelle Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs IR(t)≠0
I(t)=0 und Cf UOUT(t)=0 UIN(t)=0 IC(t)≠0 Rf Cf I(t)=0 uIN(t)=0 UIN + Cd Rd Dan gilt es auch Cg Rg - gm U*IN Daher, es muss sein: Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

37 Leerlaufverstärkung für niedrige Frequenzen
Xs Passives Netzwerk Xi Xi* Passives Netzwerk Passives Netzwerk Xi Xi* Passives Netzwerk Xs Signaldämpfung Feedback Feedback Verstärkung Verstärkung mit RK (für niedrige Frequenzen) Leerlaufverstärkung Rf Rf UIN U*IN + Rd Rd Rg Rg - gm U*IN gm U*IN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

38 Verstärkung mit RK – die Formel
Die Formel von Folie 20 Wir setzen die Zeitkonstanten ein: Die Bedingung für die schnelle und genaue Signalantwort (ohne Überschwinger) Der Feedbackkondensator macht die Schaltung „Stabil“. Solche Methode für Stabilisierung nennt man Pole Splitting Gm soll groß sein So größer Rf ist desto stabiler Antwort Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

39 Widerstand als Last >Vth >Vth <Vth
+ + >Vth >Vth - - + <Vth - A B C A – Transistor sperrt Vout B – Transistor im Sättigung B – Transistor im linearen Bereich A B C Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

40 Widerstand als Last Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Vgs3 Ids Vgs2 Vgs1 Vdssat Vds Vgs<Vt Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

41 Stromquelle als Last Vout V TL Vin I Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

42 Widerstand als Last Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Vout V V TL R Vin I I Stromquelle als Last Widerstand als Last Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

43 Stabilisierung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Vout
Vin=Vout Arbeitspunkt Vin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

44 Diode als Last Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Vout=vdd Vout Vin A: Diode als NMOS B: Diode als PMOS Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

45 Linearer Spannung-Strom Wandler
Versuchen wir die Kennlinie mithilfe einer Rückkopplung zu linearisieren Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

46 Linearer Spannung-Strom Wandler
Schleifenverstärkung bei kurzgeschlossenen Knoten Leerlaufverstärkung 1 Aol1 Schleifenverstärkung T Schleifenverstärkung bei offenen Knoten Leerlaufverstärkung 2 Aol2 Widerstand ohne Verstärkung Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

47 Stromspiegel Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs IREF
Biasspannung wird mit dem Spannungsteiler erzeugt. Der Biasstrom ist abhängig von Temperatur und Schwellespannung. Stromspiegel Der Biasstrom ist gut definiert Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

48 Stromspiegel - Parameter
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

49 Stromspiegel mit Kaskode
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

50 Stromspiegel mit Kaskode
Ohne Kaskode Mit Kaskode Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

51 Stromspiegel mit Kaskode
DC Ströme sind nicht gleich DC Ströme sind gleich Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

52 Stromspiegel AC Parameter
+ M UIN rds - gm UIN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

53 Nullimpedanzen

54 Tiefpass 1. Ordnung (Beispiel)
+ R1 + + C1 uG = h(t) Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

55 Tiefpass 1. Ordnung (Beispiel)
+ R1 + + C1 uG = h(t) DC Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

56 Tiefpass 1. Ordnung (Beispiel)
+ R1 + + C1 uG = h(t) Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

57 Tiefpass 1. Ordnung (Beispiel)
+ Req(s*) = 0 R1 + Ω C1 uG = h(t) Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

58 Tiefpass 1. Ordnung (Beispiel)
Req(s*) = 0 R1 + Ω C1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

59 „Common-Source“ Verstärker
Rd Ausgang Eingang Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

60 „Common-Source“ Verstärker
Cg Summe aller Kapazitäten zwischen Gate und Source Cf Summe aller Kapazitäten zwischen Gate und Drain Cd Summe aller Kapazitäten zwischen Drain und Masse Rd Ausgang Cf Eingang Cf Ausgang Eingang Rds + Cd Cd Rd||Rds Cg Cg Rg Rg - gm UIN Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

61 „Common-Source“ Verstärker
Rd Ausgang A=200 Cf Eingang Cf, gm, Rd = ? Cd=1p Rds Response speed - Optimieren Cg=1p Rg=10K Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

62 „Common-Source“ Verstärker
Rd Ausgang Cf Iin(t) Eingang Cd Uout(t) Cg Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

63 „Common-Source“ Verstärker
Rd Ausgang Cf Eingang Cd Cg Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

64 „Common-Source“ Verstärker
Rd Ausgang Eingang Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

65 „Common-Source“ Verstärker
Rd Ausgang Cf Eingang Cd Cg Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

66 „Common-Source“ Verstärker
Rd Ausgang Cf Eingang Cd Cg Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

67 „Common-Source“ Verstärker
Rd Ausgang Cf Eingang Cd Cg Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

68 „Common-Source“ Verstärker
Rd Ausgang Cf Eingang Cd Cg Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

69 „Common-Source“ Verstärker
Cf Eingang Cd Cg Rd Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

70 „Common-Source“ Verstärker
Cf Cd Rd Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

71 „Common-Source“ Verstärker
Cf Cd Rd Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

72 „Common-Source“ Verstärker
Cf Cd Rd Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

73 „Common-Source“ Verstärker
Cg Geq Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

74 „Common-Source“ Verstärker
Rd||Rds Ausgang Cf Eingang Cd Cg Rg Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

75 Verstärkung mit RK – die Formel
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

76 Verstärkung mit RK – die Formel
Bedingung für schnelle Signalantwort ohne Überschwinger Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

77 Pole Splitting Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

78 Pole Splitting Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Cf
1/τ Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

79 Millereffekt Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs C LC C
Meter (1+A)C C C LC Meter -A Uin Uout Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

80 Jetzt ist die Schaltung in Ordnung (zwei unabhängige Kondensatoren)
Beispiel (2) Jetzt ist die Schaltung in Ordnung (zwei unabhängige Kondensatoren) R1 C1 Rx U0h(t) R2 C2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

81 Beispiel (2) Die Differentialgleichung hat die Form (1)
Es gilt (nach der Formel von Folie 39 und 40): C1 wir benutzten Rx = 0! Rx U0h(t) R2 C2 Lösung der Gleichung (1) Finden wir Co1 und Co2… Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

82 Anfangsbedingung (1) t = 0+ ∞ ∞
Großer Strom R1 C1 U0h(t) ∞ R2 C2 ∞ Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

83 Endzustand t = ∞ Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs R1
uC U0h(t) R2 t Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

84 Beispiel (2) Nur ein unabhängiger Kondensator! – fügen wir zusätzlichen Widerstand Rx. Es gilt: Rx -> 0!!! R1 C1 U0h(t) R2 C2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

85 Jetzt ist die Schaltung in Ordnung (zwei unabhängige Kondensatoren)
Beispiel (2) Jetzt ist die Schaltung in Ordnung (zwei unabhängige Kondensatoren) R1 C1 Rx U0h(t) R2 C2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

86 Beispiel (2) Die Differentialgleichung hat die Form (1)
Es gilt (nach der Formel von Folie 39 und 40): C1 wir benutzten Rx = 0! Rx U0h(t) R2 C2 Lösung der Gleichung (1) Finden wir Co1 und Co2… Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

87 Anfangsbedingung (1) t = 0+ ∞ ∞
Großer Strom R1 C1 U0h(t) ∞ R2 C2 ∞ Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

88 Endzustand t = ∞ Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs R1
uC U0h(t) R2 t Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs