Post on 03-Mar-2020
transcript
PŘEDNÁŠKA 3 - OBSAH
Přednáška 3 - Obsah i
1 Parazitní substrátový PNP tranzistor (PSPNP) 1
1.1 U NPN tranzistoru .................................................................................... 1
1.2 U laterálního PNP tranzistoru ................................................................... 1
1.3 Příklad: proudové zrcadlo ......................................................................... 2
2 Parazitní „body effect“ u NMOS tranzistoru (CMOS proces) 2
3 Operační zesilovač 3
3.1 Ideální operační zesilovač ......................................................................... 3
3.2 Operační zesilovač v neinvertujícím zapojení .......................................... 3
3.3 Operační zesilovač v invertujícím zapojení .............................................. 4
3.4 Elementární jednostupňový operační zesilovač ........................................ 5
3.5 Stabilita operačního zesilovače ................................................................. 6
3.5.1 Princip kmitočtové kompenzace ........................................................... 8
3.5.2 „Podkompenzovaný“ (rychlý) operační zesilovač ................................ 9
3.5.3 Kmitočtové charakteristiky kompenzovaného elementárního OZ ..... 10
3.5.4 Kompenzovaný elementární OZ s emitorovou degenerací ................. 11
3.6 Symetrický koncový stupeň .................................................................... 12
3.7 Praktická realizace jednostupňového OZ v bipolárním procesu ............ 13
4 Jednoduchý proudový zdroj s nízkým 14
1
1 PARAZITNÍ SUBSTRÁTOVÝ PNP
TRANZISTOR (PSPNP)
1.1 U NPN tranzistoru
Obr.1: Parazitní tranzistor PSPNP u tranzistoru NPN (vlevo) a schématické znázornění (vpravo)
Parazitní substrátový tranzistor se aktivuje při saturaci NPN tranzistoru, tedy při
malém NPN tranzistoru. To se projeví výrazným vzrůstem bázového proudu NPN
tranzistoru.
1.2 U laterálního PNP tranzistoru
Obr. 2: Parazitní tranzistor PSPNP u laterálního PNP (vlevo) a schématické znázornění (vpravo)
Parazitní substrátový tranzistor PSPNP se aktivuje při malém (tedy v saturaci)
PNP tranzistoru.
2
1.3 Příklad: proudové zrcadlo
Obr. 3: Parazitní tranzistor PSPNP - proudové zrcadlo
Pokud dojde u NPN tranzistoru v proudovém zrcadle k saturaci, aktivuje se parazitní
substrátový tranzistor PNPS a zrcadlo přestane správně fungovat ( ), protože
výrazně vzroste bázový proud saturovaného NPN tranzistoru.
2 PARAZITNÍ „BODY EFFECT“ U NMOS
TRANZISTORU (CMOS PROCES)
Obr. 4: Parazitní "BODY EFFECT" u NMOS tranzistoru
Kromě řádného hradla má neizolovaný MOS (zde NMOS) tranzistor ještě
parazitní „BODY“ hradlo, které je tvořeno rozhraním KANÁL – BODY (jde vlastně
o PN přechod). V klasickém CMOS procesu je BODY (P-substrát) NMOS tranzistoru
uzeměno. Pokud stoupá napětí na SOURCE takového NMOS tranzistoru, parazitní
BODY hradlo přiškrcuje kanál (rozšiřuje se depletiční vrstva PN přechodu který je
mezi BODY P-substrátem a N-kanálem), což vede k růstu takového NMOS
tranzistoru. To limituje použití NMOSŮ, které nemají uzeměný SOURCE.
3
3 OPERAČNÍ ZESILOVAČ
(3.1)
(3.2)
3.1 Ideální operační zesilovač
(3.3)
, (3.4)
(3.5)
(3.6)
(při uzavřené zpětné vazbě) (3.7)
3.2 Operační zesilovač v neinvertujícím zapojení
(3.8)
(3.9)
(3.10)
Obr. 5: Operační zesilovač
Obr. 6: Neinvertující zapojení OZ
4
(3.11)
(3.12)
(3.13)
(3.14)
(3.15)
(3.16)
(3.17)
(3.18)
3.3 Operační zesilovač v invertujícím zapojení
(3.19)
(3.20)
Obr. 7: invertující zapojení OZ
5
(3.21)
(3.22)
(3.23)
(3.24)
(3.25)
(3.26)
(3.27)
3.4 Elementární jednostupňový operační zesilovač
Obr. 8: Elementární jednostupňový operační zesilovač
Vstupní diferenciální stupeň má transkonduktanci gm:
(3.28)
6
Stejnosměrný (ss) napěťový zisk tohoto operačního zesilovače :
(3.29)
Např. pro a :
(3.30)
3.5 Stabilita operačního zesilovače
V signálové cestě struktury OZ jsou zesilovací stupně a současně parazitní kapacity
„připojené“ k vnitřním bodům s určitou dynamickou impedancí. To vytváří vnitřní RC
články. Každému RC článku přísluší přenosový pól, který způsobí pokles přenosu
-20dB na dekádu a současně také způsobí fázový posuv o -90°
.
Obr. 9: Vnitřní RC články ve struktuře OZ
Obr. 10: Kmitočtové charakteristiky
7
Operační zesilovač vždy pracuje s uzavřenou zpětnou vazbou ( ). Jeho stabilita je
zaručena tím, že tato vazba je záporná. Stabilita OZ se většinou vyšetřuje pro nejhorší
možný případ – operační zesilovač zapojený jako napěťový sledovač („stoprocentní“
zpětná vazba).
Obr. 11: OZ zapojený jako sledovač
Pokud dojde vlivem vnitřních parazitních kapacit k fázovému posuvu -180° a zisk
při tomto fázovém posuvu je větší než 1 (0dB), záporná zpětná vazba se mění na
kladnou a OZ se rozkmitá.
Obr. 12: Kmitočtové charakteristiky nestabilního OZ
8
3.5.1 Princip kmitočtové kompenzace
Pokud se do signálového uzlu s největší dynamickou impedancí úmyslně připojí
kompenzační kondenzátor, dojde k poklesu zisku -20dB/dek už na velmi nízkých
kmitočtech a zisk tak dosáhne hodnoty 0dB dříve, než fáze poklesne na -180°
zesilovač (zapojený jako sledovač ) je stabilní. Doplněk fázového posuvu do -180° se
nazývá fázová bezpečnost . Pro aplikace s operačními zesilovači by mělo být
>60° (tedy fázový posuv menší než 120°).
Obr. 13: Kompenzační kapacita zapojená do struktury OZ
Obr. 14: Změna kmitočtových charakteristik po připojení kompenzační kapacity
9
3.5.2 „Podkompenzovaný“ (rychlý) operační zesilovač
Obr. 15: „Podkompenzovaný“ (rychlý) operační zesilovač
Tento operační zesilovač má velkou šířku pásma (dominantní pól na vyšším kmitočtu).
U tohoto zapojení je zpětnovazební signál zeslaben faktorem
.
Obr. 16: Kmitičtové charakteristiky "podkompenzovaného" OZ
Jako sledovač by byl tento OZ nestabilní a rozkmital by se. V uvedeném zapojení je OZ
stabilní s fázovou bezpečností .
10
3.5.3 Kmitočtové charakteristiky kompenzovaného elementárního OZ
(3.31)
(3.32)
(3.33)
(3.34)
Rychlost přeběhu je maximální rychlost změny výstupního napětí. Je dána rychlostí
s jakou se mění napětí na kompenzačním kondenzátoru který je (při velkém vstupním
rozdílovém napětí) nabíjen proudem Rychlost přeběhu je pevně svázána s ,
zvýšení rychlosti přeběhu je možné jen se zvýšením nebezpečí nestability.
,
(3.35)
Obr. 18: Zvýšení nebezpečí nestability
Obr. 17: Kompenzovaný elementární OZ
11
3.5.4 Kompenzovaný elementární OZ s emitorovou degenerací
(3.36)
(3.37)
(3.38)
(3.39)
(3.40)
(3.41)
Pomocí emitorové degenerace je možné nastavit (šířku pásma) a (rychlost přeběhu)
nezávisle na sobě. Tak lze zkonstruovat rychlý (velké ) a stabilní (přiměřená šířka
pásma ) OZ.
U OZ s MOSovým dif. stupněm je možné nastavit poměr a jen pomocí rozměrů
MOS tranzistoru, strmost (transkonduktance) je přímo úměrná poměru
Obr. 19: Kompenzovaný elementární OZ s
emitorovou degenerací
12
3.6 Symetrický koncový stupeň
Obr. 20: Symetrický koncový stupeň
(3.42)
Klidový příčný proud přes výstupní tranzistory je , Maximální hodnota
výstupního proudu:
(3.43)
Výstupní napětí může být v rozsahu:
(3.44)
Toto zapojení není možno realizovat s neizolovanými NMOS tranzistory (v klasickém
CMOS procesu) vzhledem k BODY EFEKTU NMOS tranzistorů.
13
3.7 Praktická realizace jednostupňového OZ v bipolárním
procesu
Obr. 21: Praktická realizace jednostupňového operačního zesilovače v bipolárním procesu
(3.45)
(3.46)
(3.47)
(3.48)
(3.49)
(3.50)
v rozsahu (3.51)
v rozsahu (3.52)
14
4 JEDNODUCHÝ PROUDOVÝ ZDROJ
S NÍZKÝM
Pokud je k dispozici zdroj referenčního napětí (zde s nulovým teplotním koeficientem),
je možné navrhnout proudový zdroj s nízkým pomocí jednoho odporu (který má
kladný teplotní koeficient ) a jednoho tranzistoru.
Obr. 22: Proudový zdroj s nízkým
(4.1)
má nulový telpotní koeficient pokud platí:
(4.2)
Např. pokud má odpor R teplotní koeficient ( je
to vlastně teplotní koeficient napětí s kladným znaménkem) je hodnota napětí :
(4.3)
Hodnota pak je:
(4.4)