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1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs DCAC Ohne RK RK Ω

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Präsentation zum Thema: "1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs DCAC Ohne RK RK Ω"—  Präsentation transkript:

1 1Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs DCAC Ohne RK RK Ω

2 2Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Testschaltungen für Feedbackanalyse AOL1 – Gain am EingangsnetzAOL2 – aktive Verstärkung RKFF T - Schleifenverstärkung Messpunkt - blau Testquelle - rot Kurzschluss

3 3Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Ausgangswiderstand R0 – Ausgangsimpedanz ohne Verstärkung TOCTSC Kurzschluss R=? offene Leitung Schleifenverstärkungen

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

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

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

7 7Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Aufgabe R in =? Cg TransistorCS AmplifierSF Amplifier Z=?

8 8Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker mit einem Eingang Common SourceKaskadeCS mit SourcefolgerKaskode

9 9Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker mit einem Eingang

10 10Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Differentieller Verstärker

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

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

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

14 14Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Sourcefolger UIN UOUT Eingang Ausgang + g m U GS Cgd Cgs CsRs = Rs||Rds Rg -EingangAusgang Cgs Kapazität zwischen Gate und Source Cgd Kapazität zwischen Gate und Drain Cs Summe aller Kapazitäten zwischen Source und Masse Rs Rg

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

16 16Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kaskade von 2 common–sorce Verstärkern UIN UOUT AusgangEingang Rg1 Rd1 Rd2

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

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

19 19Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kaskade von CS und Source-Folger UIN UOUT Ausgang Eingang DC Verstärkung Dominante Zeitkonstante Die Lastkapazität wird gedämpft, der Generator sieht die Kapazität nicht Rg1 Rd1 Rs2 DC Verstärkung wie beim common-source Verstärker – aber sie hängt vom Lastwiderstand Rs2 nicht ab. Gut für die Ausgangsverstärker Cs2Cgs2 Cgd2 Cd1 Cf1 Kleine Kapazitäten Millereffekt

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

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

22 22Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Kaskode UIN UOUT Ausgang DC Verstärkung Dominante Zeitkonstante Rg1 Rc2 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. Cd2 Schwaches Millereffekt

23 23Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker Common SourceKaskadeCS mit SourcefolgerKaskode V τ

24 24Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Verstärker mit einem Eingang

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

26 26Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Testschaltungen für Feedbackanalyse AOL1 – Gain am EingangsnetzAOL2 – aktive Verstärkung RKFF T - Schleifenverstärkung Messpunkt - blau Testquelle - rot Kurzschluss

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

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

29 29Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Analyse eines Systems mit RK + g m U IN Cf CdRd Rg - Eingang Cg U IN Rf Ausgang U* IN Passives Netzwerk Passives Netzwerk Feedback XiXi*Xs

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

31 31Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schleifenverstärkung + g m U* IN Cf CdRd Rg - Cg U IN Rf U* IN Passives Netzwerk Passives Netzwerk Feedback XiXi*

32 32Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schleifenverstärkung – Zeitkonstante a 1 + g m U* IN Cf CdRd Rg - Cg U IN Rf Die Schleifenverstärkung für niedrige Frequenzen, Leicht herzuleiten nur Strom/Spannungsteiler Minus Vorzeichen nicht vergessen, T 0 muss positiv sein Methode der Zeitkonstanten

33 33Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Zeitkonstanten – die Formel für a 2 C1 C2 Ci CN Ω Zur Messung von R N 1

34 34Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schleifenverstärkung – Zeitkonstante a 2 + g m U* IN Cf CdRd Rg - Cg U IN Rf

35 35Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Schleifenverstärkung – die endgültige Formel + g m U* IN Cf CdRd Rg - Cg U IN Rf U(t)

36 36Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Nullstelle + g m U* IN Cf CdRd Rg - Cg U IN Rf u IN (t)=0 I(t)=0 Cf Rf I(t)=0 IR(t)0 IC(t)0 Dan gilt es auch Daher, es muss sein: und U IN (t)=0 U OUT (t)=0

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

38 38Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs 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. Gm soll groß seinSo größer Rf ist desto stabiler Antwort Solche Methode für Stabilisierung nennt man Pole Splitting

39 39Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Widerstand als Last + >V th

40 40Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Widerstand als Last Ids VdsVdssat Vgs1 Vgs2 Vgs3 Vgs

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

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

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

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

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

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

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

48 48Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Stromspiegel - Parameter

49 49Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Stromspiegel mit Kaskode

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

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

52 52Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Stromspiegel AC Parameter + g m U IN - U IN r ds M

53 Nullimpedanzen

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

55 55Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Tiefpass 1. Ordnung (Beispiel) + C1 R1 + DC 0 + u G = h(t)

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

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

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

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

60 60Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Common-Source Verstärker + g m U IN Cg Summe aller Kapazitäten zwischen Gate und Source Cf CdRd||Rds Rg - EingangAusgang Cg Cf Summe aller Kapazitäten zwischen Gate und Drain Cd Summe aller Kapazitäten zwischen Drain und Masse Eingang Ausgang Rg Rd Cg Cf Cd Rds

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

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

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

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

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

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

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

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

69 69Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Common-Source Verstärker Eingang Rg RdCg Cf Cd

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

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

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

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

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

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

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

77 77Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Pole Splitting

78 78Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Pole Splitting 1/τ τp1 τp2 Cf

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

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

81 81Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Beispiel (2) Die Differentialgleichung hat die Form Es gilt (nach der Formel von Folie 39 und 40): R1 R2 C1 C2 U0h(t) Rx wir benutzten Rx = 0! (1) Lösung der Gleichung (1) Finden wir Co1 und Co2…

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

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

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

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

86 86Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs Beispiel (2) Die Differentialgleichung hat die Form Es gilt (nach der Formel von Folie 39 und 40): R1 R2 C1 C2 U0h(t) Rx wir benutzten Rx = 0! (1) Lösung der Gleichung (1) Finden wir Co1 und Co2…

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

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


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