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)