הרצאות 4
Transcription
הרצאות 4
מגברים דיפרנציאלים – :Differential amplifier ראינו כי למגבר שלנו יש כניסה אחד שסימנו אותה ב V in -ויציאה אחת. V o u t : התיאור הסכמטי (במצב של )C.Sהוא: Vout A VDD V in RL איור – 1תיאור מגבר שבו עסקנו עד כה. הבעייתיות הישירה היא שמתח היציאה תלוי במתח הכניסה. כל שינוי בספק או רעש באדמה או במתח הכניסה יופיע מיד ביציאה. Vout לכן נשנה את המגבר לתצורה הבאה: V out A 0 איור – 3 מגבר דיפרנציאלי V in V in איור – 2התיאור הסכמטי שהכרנו ב.C.S- הכניסה תהיה הפרש המתח בין הכניסות כמתואר באיור .3כנ"ל לגבי היציאה. נשים לב כי הפרש הפאזה הוא תמיד 1 8 0 וזה מאפשר לכך שהמגבר לא יהיה רגיש לשינויים שתיארנו. 180 הדרך הכי פשוטה לבנות מגבר מסוג זה היא באמצעות שני מגברי C.Sכמתואר באיור .4מגבר זה נקרא:Common mode amp. : ההגבר הכללי של המגבר הוא. Ad g m R L : נוכיח זאת בקצרה: V in 2 V in 2 V out1 g m R L . Vout 2 g m R L V o u t V o u t 2 V o u t 1 g m R LV in A d V in vDD RL לא כללנו את הממתח v gsמכיוון שהוא מתבטל בהפרש .היות וההפרש הפוך מבאיור שמנו את ההגבר בערך מוחלט. RL v o u t 1 v out 2 v in 2 v gs v out v in 2 v gs איור – 4מגבר דיפרנציאלי באמצעות שני מגברי .S.C למגבר יתרון מובהק: נניח כי יש לנו רעש על ספק ה DC-המשפיע ישירות על היציאה .במודל שלנו חלק מההפרעה תופיע על ההתקן השמאלי וחלק על הימני. היופי במודל הזה הוא שכאשר ניקח את הפרש המתחים ההפרעה תעלם .בדומה ,רעש משותף באדמה לא משפיע על המתח ביציאה. V out 1 g m R L V in V n 'sup V m ' grd מימין ישנה הוכחה קצרה לאמור לעיל. 2 נניח כי V n 'supהוא הממתח החדש לאחר הפרעה על הספק (במקום ) v D D V g m RL V n 'sup V m ' grd out 2 2 V out V out 2 V out 1 g m R L V in V in וכי V m ' grd :הוא ממתח לאחר הפרעה באדמה .ניתן לראות כי הם מתבטלים. למגבר שני חסרונות: .1צריך שני מגברים ואז הזרם עולה פי 2עבור חסינות להפרעות. .2שינוי של V g sיעלה את המתחים ( . V out 1 , V out 2ההפרש ישמר אך הממתחים יהיו גבוהים יותר). זאת מכיוון שהזרם תלוי ביחס ריבועי במתח V g sומתח היציאה תלוי בו ליניארית. בשרשור של מספר מגברים כמתואר באיור ,5בשינוי V g sכל מגבר יקבל ככניסה פוטנציאל החיסרון השני בא לידי ביטוי ִ בשרשור יכול להגיע לקִטעון. גבוה יותר .התוצאה הישירה של זה היא שמגבר מסוים ִ כדי להתגבר על הבעיה הזו ,נעזר בקבלי צימוד בין כל מעבר עם ממתח משלהם. פתרון זה טוב חלקית .הוא יעיל רק עבור תדרים גבוהים יחסית. higher v out 2 ,1 v out1 A higher v out 2 ,2 vout 2 איור – 5שרשור מגברים. כדי למצוא משהו מספק לכל התדרים נוסיף מקור זרם כמתואר בעמוד הבא באיור .6 מקור הזרם מווסת את הזרם המגיע ליציאות ובכך מונע את התלות הלא-רצויה של מתח היציאה במתח הכניסה. במקרה שמתח הכניסה זהה בשתי הכניסות , V g s ,אז זורם זרם בכל ענף שהוא בדיוק. 0 .5 I T A IL : היות ומתקיים I T A IL I D S 1 I D S 2 :נקבל במצב הזה כי. I D S 1 I D S 2 0.5 I T A IL : |1 אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן v gs במקרה זה נקבל כי ההגבר ירד פי 2ביחס למעגל הבודד (איור .)2 vDD הדבר הראשון שנרצה לקבל הוא את פונקצית התמסורת של המעגל: נתבונן בגרף I out 1 , I out 2 f V in :המתואר בהמשך. RL v o u t 1 v out 2 נפתח במספר חישובים למציאת נקודות על הגרף הנ"ל: 2 I DS התלות הבאה ידועה: מתח הרוויה הוא: V D sat V D sat 2 VT V in 2 2 v in . I DS I DS1 I DS 2 2 v gs 2 2 I T AIL כשנבצע את ההפרש , V inהמתחים V g s , V T :יתבטלו וכלן נקבל: v in ( V D sa t V g s זה ממש לפי הגדרה). 2 I DS1 2 I DS 2 RL v gs איור – 6מגבר עם מקור זרם. V in V in 2 V in 1 נבדוק את הגבולות שלנו: כאשר V in 0 :מתקיים I D S 1 I D S 2 :נקבל: כאשר I D S 1 0 :נקבל: בתחום שיוצא 2 I T A IL מ - 2 I DS 2 2 (ראינו בסוף העמוד הקודם). , V in ומכיוון ש I D S 1 I D S 2 I T A IL -נקבל: 2 I T A IL 0 2 I T A IL , I T A IL . V in אחד הצדדים יהיה בקִטעון ולכן כל הזרם יעבור רק דרך הצד השני. קיבלנו את הקירוב הליניארי בתחום הנ"ל( .בהמשך נראה שזה לא ממש ליניארי והחיים לא כ"כ יפים). נקבל את התיאור הגרפי הבא: ניתן לראות כי מהבדיקה הראשונה קיבלנו את הנקודה שנמצאת על I o u t 1 I out 2 הציר האנכי וגודלה הוא: I TAIL I TAIL 1 I T A IL 2 . מהבדיקה השנייה קיבלנו את המתח שבו הזרם בענף אחד הוא מירבי וכך הגענו לתחום המתחים שבו הזרמים משתנים "ליניארית". 2 v in 2 I T A IL 2 I T A IL איור – 7תיאור גרפי חשוב עם מסקנות להמשך. לאחר שהבנו את זה (יופי) נוכל לקבל את הגרף עבור( I out V in :כאשר ) I out I out 2 I out 1 :כמתואר באיור :8 I out השיפוע הוא המוליכות: I TAIL (כדי לעבור לגרף של V out V inפשוט נכפיל ב.) R L - 2 I T A IL I TAIL |2 V in g m של ההתקנים. גודל זה קבוע בעיקרון. 2 I T A IL v in I out איור – 8תיאור גרפי חשוב עם מסקנות להמשך. אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן כעת נכנס לנושא של השורש בביטוי: נכתוב את f V in : I DS1 I DS 2 2 V in ונבדוק כיצד זה משפיע לנו על החיים: . I D Sלאחר פיתוח קצר נקבל I D S 1 I D S 2 V in2 : 4 V in 2 . I DS נבדוק כעת מהו טווח המתחים:common mode range : ניתן לראות כי המתח המינימלי ביציאת ראי הזרם הוא V D sat , m irror :ולכן בתוספת למתח בכניסה נקבל: . V in m in V D sat T A IL VT H המתח המינימלי ביציאה הוא . V out m in V D sat T A IL V D sat m in :המתח המירבי ביציאה הוא כמובן. V out m ax V D D : כדי למצוא את המתח המירבי בכניסה (נזכור כי הוא חייב להיות ברוויה!) יש לנוV D satM 1 V D D VT A IL VT H : וניתן להעלות אותו גם עד ל V D D -כי התנאי של רוויה עדיין יתקיים ,לכן. V in m ax V D D : vDD בתוך הטווח מקבלים כי עד ל V in VT -אין הגבר כי ההתקן בקיטעון. לאחר מכן נקבל הגבר קבוע והוא . Ad g m R L המסקנה היא שיש לנו תחום ערכים מסוים שבו ההגבר לא משתנה. נעדיף לעבוד עם ממתח הגדול בגודל מסוים מ V T -כדי לאפשר לאות אמפליטודה רחבה יותר (ראה הרצאה .)1 Ad g m RL RL RL v o u t 1 v out 2 m2 m1 vT H vT AIL איור – 10גרף הממחיש את הרעיון שההגבר נשאר קבוע כאשר עוברים את המתח הרצוי. I T A IL v in VT איור – 9חשבונות המתחים במציאת .common mode range מהגרף שבאיור 7ניתן לראות כי g mמקבל ערך מירבי באמצע וערך של 0בקצוות מכיוון שהעקומות אינן ליניאריות באמת אלא מעט עגולות באופן כזה ששיפוען המירבי הוא במרכז (כמו פונקצית שורש טיפוסית) .נזכור כי g mמייצג שיפוע. לכן נוכל לסרטט גרף של g mכתלות בטווח המתחים באופן הבא: gm כעת ,בהינתן ההגבר Aנוכל לדעת היכן אנו ממוקמים (נקודת עבודה) ביחס ל. g m - נמצא את הערך המירבי: 2 I T A IL 2 I DS I out V in 0 V in . gm v in נבדוק את התלות של ( g mוההגבר באופן כללי) ב. I T AIL - קל לראות כי הטווח 2 I T A IL , 2 I T A IL 2 I T A IL 2 I T A IL 2 I T A IL איור – 10תיאור הגרף של המוליכות. יתרחב .נראה כיצד זה משפיע על מעגל באמצעות דוגמא מספרית: נניח A 10 , V in 0.2 v p ea k :במצב זה המגבר צריך להכיל תחום של . 0.4, 0.4 יש לנו דרגת חופש (כי עלינו לקבוע גם את , האחראית על הגיאומטריה והמוליכות של הטרנזיסטור ,וגם את .) I T AIL נשים לב כי לא משפיע על תחום הכניסה אבל כן משפיע על ההגבר שכן. g m : אם נשנה רק את I T AILאז התחום יתרחב וגם הגובה יעלה! .היות והתחום הולך לפי שורש והגובה (גודל הזרם –באיור )7 הולך ליניארית נקבל כי ההגבר הכולל (קרי :השיפוע) עולה. I T A IL I T A IL I T A IL . gm למרות שזה נשמע מגניב ,זה למעשה דבר שלילי כי לא תמיד אנו רוצים יותר מדי הגבר (ובוודאי שלא יותר מדי זרם). |3 אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן נחזור לפיתוח עבור ההגבר המירבי ונכתוב אחרת . g m 2 I TAIL V Dsat :אפשר לכתוב: את הגבולות בגרף בצורה הבאה: 2 I T A IL V D sat ולכן ניתן לשנות I o u t 1 I out 2 I TAIL I TAIL 1 2 v in vin 0 2V Dsat vin 0 2V Dsat איור – 11שינוי פרמטרים בטווח. אדמה יחסית במגבר :common mode עבור המצב הדיפרנציאלי ניתן להתייחס לממתח V T A ILכאל אדמה יחסית ולעבור למודל הרגיל שלנו עבור כל צד (איור .)2 כדי לעשות את החתך בצורה נכונה נפצל את מקור הזרם כמתואר: vDD בניתוח החתך עלינו לנתח את המעגל הבא: RL RL v o u t 1 v out 2 Vout RL D VDD G g m 1 V1 v in V in V1 2 RL S v in v gs 2 v gs 2 rds Vout איור – 13משמאל המעגל המנותח ומימין מודל אות קטן. ראינו בהרצאה 2כי: gm 1 g m 2 rds g m ' וכן: 2 rds g m RL 1 2 g m rds I T A IL 2 V in . AC M g m ' R L עבור מקור אידיאלי ההגבר מתאפס המשמעות היא שהמגבר חסין בפני הפרעות. עד כאן הרצאה .4תאריך20.11.11 : |4 אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן איור – 12פיצול מקור הזרם לשני חלקים. בחלק ראשון נגדיר שני פרמטרים נוספים של המגבר Common modeובחלק השני נבדוק את ההשפעה של חוסר האיזון של המגבר. המטרה היא למצוא ביטויים לפרמטרים הבאים: vDD - Slew rate .1קצב השינוי . v / s - Setlling time .2זמן ההתייצבות של המגבר. v out – Missmatch .3מידת חוסר ההתאמה של המגבר. _ gs v vDD נתבונן במגבר שלנו: כדי להגדיר את זמן התייצבות המגבר אנו חייבים להגדיר את הזמנים של עליית המתח וירידה המתח. היות ונגד לא מאפשר לנו להגיע להגבר גדול ,נחבר ראי זרם מעל למגבר. כמו כן אנו רוצים ליצור מגבר עם יציאה בודדת כדי שנוכל לחקור את ההתנהגות עבור פרמטרים שלנו. vDD gs v איור – 14המגבר. כאשר נחבר את החלק העליון נקבל שיש לנו שתי כניסות ויציאה אחת. נסתכל בחלק העליון ונחשב את ההגבר הכללי: V out V in . AV בשלב הראשון נרצה לחשב את ההגבר בחוג פתוח ולאחר מכן נתייחס לקיבול כיציאה (שיכול להיות מהקיבול של דרגה נוספת שתתחבר). vDD v out נתחיל ב" . C l 0 -נחתוך" את המבנה לשני חלקים כפי שראינו בהרצאה הקודמת: נחשב את ההגבר בכל צד בקצרה (המרצה עשה הרבה קיצורים ונותן תוצאות סופיות) ההגבר בצד אחד הוא: VA V in , Av 1/ 2 כאשר: לפי העומסים נקבל את ההגבר: g m1 g m3 נקבל: V in g m1 rds 2 rds 4 V in V in 2 Av1 וכן: g m1 g m3 V in M3 M4 gm2 g m1 _ v in v in V in או. V in V in V in : Vout vA איור – 15חותכים את מגבר באמצע. Av 2 כאשר. V out 1 g m rds 2 rds 4 V A : 4 . V out 1 g m rds 2 rds 4 V A g m rds 2 rds 4 4 4 בצד השני נקבל . V out 2 g m rds 2 rds 4 V in :קיבלנו כי יש לנו פי 2בכניסה ופי 2ביציאה ולכן ההגבר לא ישתנה. 2 נקבל: g m1 rds 2 rds 4 V out V in . AV כעת נרצה לראות מה הוא השיפוע של העלייה בגרף. V out f t : הרציונאל הוא לאשר שאכן קיבול שיחובר בהמשך למגבר יספיק להיטען ולהתפרק כאשר מוזנת בכניסה אות כלשהי. אם הקבל לא יספיק להיטען ולהתפרק בעקבות סיבות פנימיות של המגבר לא נוכל להשתמש בו. לכן אנו רוצים למצוא את הזמן תגובה של המגבר. יש לנו מקור זרם אחד .TAILלכן כאשר טרנזיסטור אחד פתוח לגמרי (צד אחד) ,השני בקיטעון (ראינו את הרעיון בהרצאה הקודמת) .כאשר אנו נותנים פולס בזמן t 0כל הזרם זורם דרך M1וכלום לא זורם ב.M2- הראי זרם למעלה דואג להעביר את הזרם I TAILבצד השני וכך מעביר זרם בהתקן .M2 לכן נוכל ליצור מעגל שקול פשוט בזמן : t 0 ידוע כי: dV dt . I Cמגדירים:Slew Rate : I T A IL Cl dV . SR Cl I T AIL dt I T AIL Cl רואים כי כדי ליצור SRגבוה אנו חייבים ליצור מקור זרם גדול (יחס ישר). מצד שני ,כאשר הפולס ביציאה עולה והפולס בכניסה יורד (והקבל טעון) הקבל שביציאה מתפרק דרך מקור הזרם כמתואר. איור – 16מודל שקול ,טעינה ופריקה. במקרה שלנו זמני הטעינה והפריקה של הקבל שווים: I Cl t |5 אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן פריקה טעינה כעת ,אנו מכניסים מדרגה ורוצים לדעת לאחר כמה זמן היציאה מגיעה לערך המקסימלי עם סטייה . זמן ההתייצבות Settling Timeהוא למעשה( . :מן הראוי לציין כי זה לא Rise timeהמוגדר לעלייה מ 10%-ל.)90%- כדי למצוא זאת נשים לב כי יש לנו מערכת מסדר ראשון ,נפתור כדי למצוא את זמן ההתייצבות: התנגדות היציאה היא . R out rds 2 rds 4 :הקוטב הדומיננטי של המגבר הוא: 1 R out C l Av . p s p רואים בחוש כי ככל שהתנגדות היציאה גדולה יותר ,כך זמן ההתייצבות קטן יותר. נקבל: g m rds 2 rds 4 s p Av s p 20 dB / dec . As s נחשב את הזמן תגובה: נגדיר את זמן התגובה בתור הזמן שלוקח ליציאה להגיע למקסימום עם סטייה של נתון. אנו רוצים להגיע לפונקציה של ו. - במישור לפלס: V o u t V in 1 f t נקבל לאחר בידוד והצבה: ln p pt e pt at p המודל השקול הוא: Rout Vout (אפשר להתעלם מהקטבים הרחוקים כי הם לא משפיעים על ההגבר). 1 H s f t e L 1 sa Cl V in איור – 17פונקצית התמסורת של המגבר. . H s v out V out V in 1 eכאשר. V in V out : את תמיד נקבל במפרט התרגיל ,כנ"ל לגבי הקוטב המירבי ולכן תמיד נוכל למצוא את . באופן דומה אם נקבל ואת הקיבול ,נוכל גם לחשב הכל – זה הכל עניין של משוואות. t איור – 18קבוע הזמן והסטייה. עד כאן הרצאה .5תאריך27.11.11 : עד כה עסקנו במציאת הגבר והתנגדויות ,כעת נרחיב את הדיון בתצורות החיבור לתגובת תדר של המעגלים. לאחר מכן נדבר על מגברים מרובי-דרגות – .Multi stage Amplifier נרצה לעבור למודל השקול הבא: ' g m V1 ' R0 נפתח במעגל :C.S נמצא את הקטבים והאפסים של המעגל. כדי לעשות זאת נעבור למעגל תמורה שקול עבור אות נמוך: C gd C gs איור – 21ניתן לראות כי קיימים קיבולים בין ההדקים בעת מעבר זרם. הסיבה ברורה – במעבר זרם ראשי נוצר קיבול כתוצאה מהצטברות טען ב .G-בנוסף יש קיבול בין ה G-והD- עקב הצטברות מטענים בניהם. ' R in איור – 19המודל השקול. VDD RL CC gdgd RS CL C gs הקיבולים מעכבים את פעולת המגבר ולכן יש להתייחס אליהם בהתאם. איור – 20מעגל .C.S |6 אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן VS הקיבולים C gs , C gd :נובעים ממודל אות קטן ובאים לידי ביטוי באות .AC ניתן לראות במודל כי יש לנו משוב. (הקיבול C L :הוא למעשה קיבול הכניסה של הדרגה הבאה כפי שנראה בהמשך). איור – 22מודל אות קטן. D ניתן לראות כי בכניסת המודל ,יש לנו מעגל low passמסוג RC וידוע כי הוא מכיל קוטב .באופן דומה גם ביציאה יש לנו מעגל RC מקבילי וגם הוא מכיל קוטב .לכן ניתן לצפות לשני קטבים במעגל השלם שלפנינו .האפסים יתווספו לנו בעקבות המסלול. (נזכור כי כל אפס מושך פאזה ב 9 0 -מעלה אז נצפה לקבל שינוי פאזה של 9 0 במקום 1 8 0 שנגרם ע"י שני הקטבים). RL cl r0 2 נזכור כי במעגל שלפנינו הקוטב הוא. RC : 1 s p in H s R C כאשר. pin 1 / RC : בהתאם מקבלים עבור מעגל היציאה R L C L : נוכל לצייר את שני הקטבים שלנו כמתואר באיור :23 פונקצית התמסורת ניתנת לכתיבה: C gs R C p out נבדוק כעת מהו ההגבר ב .AC-נתחיל במצב שבו. C g d 0 : p in s p out g m V1 V in R C p in פונקצית התמסורת היא: s G S ראינו כי ההגבר ב DC-בערך מוחלט הוא . G m R L A0 C gd RS .H s V in . p out איור – 23תזכורת קצרה. היות והמערכת לא יציבה (הפרש דרגות – 2זוכרים?!) עלינו לדאוג ליציבות תחילה. אנו מניחים שהמקור בכניסה אידילי – משמע שהקוטב בכניסה רחוק. לעניין הפאזה רואים כי לקראת הקוטב הראשון אנו מאבדים 4 5 ועד לדקדה אחרי הקוטב נאבד זווית כוללת של 9 0 ונתיישר באופן יחסי כי הקוטב השני רחוק .מהגרף הזה ניתן לבדוק יציבות לפי ,PMנקוייסט או.Coefficient&stability : בגרף קרטזי נוח לראות יציבות (ראינו במבוא לבקרה) .בגרף פולרי הרדיוס הוא ההגבר ולכן קטֵן ככל שמתקדמים עם הזווית. את זה ראינו בנקוייסט (בדקנו האם העקומה סובבת סביב .)-1דרך נוספת לבדוק יציבות היא עם .RL AV 0 dB dec 90 dB 180 f p in p out איור – 24סרטוטי בודה. dec f 20 g m RL 40 p o u t p in כדי למצוא את היציבות מתוך סרטוט ּבֹודֶה נוריד אנך מהגרף של ההגבר מהנקודה שבו ההגבר הוא אפס לתדר המתאים בגרף של הפאזה .בעוד שלמדנו כי PMבתחום 45 , 60 מעיד על מערכת יציבה ,אין הדבר אומר כי תמיד נרצה את מצב זה מכיוון שלפעמים המגבר שלנו ישמש כחוצץ במעגל מרובה דרגות ושם ה PM-שלו יכול לצאת מתחום זה – הכל לפי דרישות הייצור. מצב זה יכול לנבוע מהצורך להגדיל הגבר אשר מרחיק את הקוטב הראשון ופוגע ביציבות. בהמשך נדבר על רוחב הסרט של המגבר ושם נראה כיצד הדברים קשורים וכיצד משלמים בתכונות אחרות שלו על חשבון ה.PM- בנקוייסט ראינו כי כל עוד ה PM-חיובי ,העקומה תִי ָמצֶא בתחום . 1, 0 :אם ה PM-שלילי העקומה תִי ָמצֶא בתחום שקטן מ.-1- לעניין ההגבר ,אם הוא גדול מ 1-אנו לא יציבים ואם הוא קטן מ 1-אנו כן יציבים. אנו רוצים ששני הקטבים יהיו רחוקים כמה שניתן (או כמה שצריך) .משמעות הדבר היא שככל שהם יותר רחוקים נקבל יותר טווח שבו הפאזה היא 9 0 וההגבר יורד בינתיים ,דבר התורם ל.PM- |7 אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן עכשיו נמצא את פונקצית המעבר של המעגל: נקבל את המשוואות: iout I R 0 g m V1 I C gd VDD g m V in s C gd V out V in RL g m V in s C gd iout R L V in Vout VS C gs io 2 a VC r0 2 R0 iout V out iout R L C gd RL V out RL iout iout R0 R iout 1 L s C gd R L g m s C gd V in R0 D C gd 1 1 V out s C gd g m s C gd V in R0 RL G g m V1 C gs V in S איור – 25-26מעגל C.Sומודל אות קטן. ניתן לראות כי במקרה של ,DCז"א s 0 :מקבלים ישירות g m R L : gm zero C gd 1 pole R L C gd gm g ds 0 1 g m s C gd 1 g ds s C gd AV RL AV כפי שראינו. RL נחשב את התנגדות הכניסה והיציאה של המעגל השקול: ' g m V1 אנו רוצים לראות את ההשפעה של C g dבכניסה. נחשב את קיבול הכניסה של המעגל. I in לשם כך נשים זרם בכניסה ונחשב את: V out 0 V in ' R0 . Yin נקבל: ' R in איור – 27מודל המגבר הכללי. I in I C gs I C gd R0 V out RL I C gd g m V1 I C gd V in V out s C gd V in s C gd V out s C gd V in s C gd g m R L V in s C gd s 1 g m R L C gd C in C gs 1 g m R L C gd Yin s C gs 1 g m R L C gd רואים שההגבר מועלה את הקיבול בכניסה בפקטור של . 1 g m R Lהקיבול הזה קרוי בשם קיבול מילר. התופעה הכללית נקראת :אפקט מילר – ( .Miller effectהקיבול הכניסה מקטין את רוחב הסרט). כדי למנוע זאת אנו חייבים להקטין את העומס (כי נניח שאת הקיבול C g dאנו לא יכולים לשנות). נעשה זאת ע"י הוספה של דרגה נוספת – :C.G במצב זה נשיג קיבול כניסה נמוך יותר (בנקודה )Aושמרנו את ההגבר (לא פגענו בו). |8 אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן דוגמא: נניח שאנו צריכים לבנות הגבר של 100ונתון . g m 1m s :העומס חייב להיות. R L 100 k : יש לנו C g s 0 .2 p fו . C g d 5 0 p f -אז קיבול הכניסה הוא C in 0.2 0.05 101 5.2 pf :אשר מאוד גדול. אנו לא רוצים זאת ולכן ניצור 2דרגות שבהן . A1 C . S 2 , A2 C .G 50 :כעת קיבול הכניסה של ה C.S -הוא. C in 0.35 pf : הוא הרבה יותר קטן כעת וזה מצוין עבורנו .כעת נוכל לתכנן את המידות של ה C.G-כדי ליצור את ההגבר הכולל הרצוי. התקן זה נקרא Cascode Amplifier :ובו הרווחנו רוחב סרט גדול יותר וצריכת זרם נמוכה יותר כי הזרם I D Sזהה בשניהם. כמו כן הרווחנו הגבר גדול. g m s C gd קיבלנו את ההגבר של :C.S g ds s C gd 1 איור – 28 תיאור מעגל .Cacode . AV RL RL Vout כעת נחשב את ההגבר של C.Gונכפיל כדי לקבל את ההגבר הכולל של המודל הזה. a V in להלן תיאור המודל והנוסחאות .הנקודה 2 aמתחברת למודל שבאיור :26 iout g m 2V 2 s C gd 2V out g ds 2 V out V in g ds 2 VC D 2a RL 1 g ds 2 s C gd 2 V out g m 2 g ds 2 V in RL2 V in g m 2V 2 V2 C gd 2 V 2 V in C gs G g m 2 RL 1 s C g m 2 C g ds 2 R L איור – 29מודל אות קטן. g ds 2 g m 2 RL gm2 1 s C g ds 2 R L AVC G AVC G רואים שיש לנו קוטב אחד ולכן המעגל הזה בעיקרון תמיד יציב. ההגבר הכולל הוא פשוט. AV AV C S AV C G : 1 g m 2 g ds 2 s C gs 2 נקבל בקירוב: g m 2 g ds 2 1 Yin Z in g m 2 s C gd 1 g ds 2 s C gd 2 במקרה הפרטי שבו R L 1 / g ds :מקבלים: כאשר 0 :נקבל: g m 2 R L g m1 R L ' g m 1 s C gd 1 g m1 gm2 Input im pedance com m on gate : I in s C gs 2V 2 g m 2V 2 V in g ds 2 g m 2 g ds 2 s C gs 2 V in RL . AVבפרט עבור 0 :נקבל: g m RL g m 1 s C gd 1 g m 2 s C gd 1 1 s C gd 2 R L 2 C ascode C ascode . AV רואים כי קיבלנו שיפור בכל המובנים באמצעות מודל זה של .Cascode גם ההגבר נשמר וגם קיבול הכניסה יורד אשר מאפשר רוחב סרט גדול. עד כאן הרצאה .6תאריך4.12.11 : |9 אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן g m1 g ds 2 . AV g m1 g m 2 g m 2 g ds 2 C ascode . . AV היום נעסוק במגברים מרובי דרגות.Multi-stage amplifier : נפתח בטרנזיסטורים BJTבתצורות CC-CEו .CC-CC-הסיבה שנבחר בו היא שהתנגדות הכניסה היא סופית. 1 לגבי מגבר אחד ראינו: H s כאשר: sa 1 RC .a Vout H n s H 2s כאשר נשרשר מספר מגברים נרצה לדעת מה קורה עם רוחב הסרט. מבחינת ההגבר ב DC-אנו יודעים כי הוא יהיה A n :עבור nדרגות. H1s נצמצם את הבעיה למגבר אחד. n A התדר f cהוא התדר שבו המגבר יורד ב .3dB-הוא שווה ל- 1 2 R C . fc איור – 30תיאור של מספר מגברים משורשרים יחד. כאשר נחלץ את הפאזה מפונקצית התמסורת. L tan 1 f c / f : 1 ההגבר הוא: 2 1 fc / f n עבור nדרגות נקבל: . A j ופונקצית התמסורת עצמה: 1 2 1 fc / f 1 1 j fc / f . H j . H j כדי לדעת מהו רוחב הסרט של המגבר השקול נשווה: 1 2 H j כדי למצוא את הירידה ב 3dB-החדשה. נדון במקרה פרטי שבו( f c 1 f c 2 ... f :כל רוחבי הסרט זהים) כי אז ניתן לחשב את רוחב הסרט הכולל ידנית. נקבל את היחס: 1 1/ n 2 f n -stag es f sin g le-stag e . מגבר :CC-CE להלן תיאור המגבר עצמו והסכמה השקולה: נחשב את הפרמטרים של הרשת שראינו בעבר: VDD 'C 'C I out 'B ' g m V1 ' R0 ' 'E 'B V in 'E R in איור – 31מודל מגבר שהכרנו בעבר. איור – 31מגבר CC-CEוהמודל השקול שלו. בד"כ עלינו להתמקד בפרמטר שאנו מעוניים לשנות/לשפר אותו ,ואז לראות כיצד זה משפיע. בכניסת ההתקן ההתנגדות היא . rב CC-התנגדות היציאה היא נמוכה . 1 / g m הזרם ב E-הוא ie 1 ib :בהתקן הראשון. נרצה שזה לא ישפיע על התנגדות היציאה בהתקן השני .הדבר כן עשוי להשפיע שכן: VA ic R out והזרם מושפע מהדרגה הראשונה. נכתוב את מעגל התמורה ונראה מה מקבלים בעמוד הבא: 'B Vout RL 'C g m 1V1 g m 2V 2 'E איור – 32מודל אות קטן. | 10 V in אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן V 1 V2 R 2 R 1 . R out 2 R L : היות והוא גדול יחסית וסימנוR out 1 הזנחנו את R 2 R 1 . V B ' E ' V1 1 g m 1 R 2 V1 : לכן. V 2 R 1 1 g m 1 R 2 R 2 / R 1 .VB 'E ' V2 1 V2 g m 1V1 R 2 R 1 1 1 R 2 : המתח. V B ' E ' V1 V 2 המתח : נקבלV 2 כאשר נבטא באמצעות . כתלות בזרם בכניסה – זה מה שייתן לנו את האינדיקציה והאִפיון של המגבר השקולg m 2V 2 אנו רוצים לחשב את הזרם gm2 . g m' 1 gm2 : והמוליכות השקולה של המעגל היא. ic g m 2V 2 R 1 1 1 R 2 1 R 2 . i R ie1 ib 1 1 - וi R ib 1 : אנו יודעים את הזרמים. 1 2 . gm ic q V th kT ie gm2 1 R 1 R 1 :כעת נחפש את היחס R 2 : בכלליות ידוע כי. g m 1 R 1 g m 2 R 2 : של שני ההתקנים זהה (אנו קובעים כך) ולכן -ה . . g m' V B ' E ' :משוואת הזרם R 1 R 1 2 1 1 ib 1 1 ib 1 R 2 gm2 2 : ib 1 נבטא באמצעות. R 1 R 2 gm2 g m1 ic 2 1 :נוכל לכתוב ic 1 : נקבל 1 2 :כאשר נציב בנוסחה של המוליכות עבור המקרה הפרט של 1 R 2 . R o' u t R 0 2 - ו ' 2 1 1 :הפרמטרים האחרים של המגבר הם . Vin V B ' E ' V1 V 2 , V 2 g m 1V1 I in R 1 , Vin I in R 1 R 2 1 :חישוב התנגדות הכניסה : נסיים בשתי תצורות של מגברים. V in I in R 1 R 2 1 : והנוסחאותDarlington מגבר : והנוסחאותCC -CC מגבר R o u t R 1 R 2 1 , R 0 R 0 2 1 / g m 2 iout g m 1V1 g m 2V 2 V2 g m1 1 1 R 2V 1 1 iout g m 1V1 2 R 1 V1 R 2 R 1 iout 1 2 1 1 iout iin R 1 V1 R 1 ' . ib 2 1 1 ib 1 i e 2 b 2 1 ib 2 1 1 2 1 ib 1 ' 1 1 2 1 1 iin 1 2 1 1 1 :נקבל בסה"כ 2 : 1 2 VDD VDD VDD . :המשוואות C' B' 1 B' R 2 . – תיאור המגבר34 איור E' ie – 33 איור .תיאור המגבר E' ie 11.12.11 : תאריך.7 עד כאן הרצאה סיכום ועריכה מאת שי ידרמן- אלקטרוניקה ליניארית | 11 פתרון הבוחן: נתונה המערכת: עלינו לחשב את בלוקים 1ו.2- איור – 35 תיאור התרגיל. 1V RM S 50 Block2 5 0 Z 0 50 RM S 300 Block1 0.3 V RM S 100 A נפתח בחישוב ההגבר: מתח הכניסה: I R m s Z in 100 300 30 m V RM S V inההגבר הכולל הוא 33 AV 1 AV 2 : 1v 30 m V out V in . AV לפי האילוץ של 0.3V R M Sמקבלים כי AV 1 10 :ולכן בהכרח. AV 2 3.3 : בלוק :1 ידוע כי R in 300 :ולכן: g m 1 3.3 m s 1 g m1 . R in 300 איור – 36 תיאור המגבר. הזרם הקבוע (לנקודת העבודה) הוא. I l g m 1V th 90 A : לא התייחסנו בשלב זה ל V C C -ול R L -כי הם משמעותיים לעניין הגבר והספק. היות ולא הגבלנו את רוחב הסרט ,ניתן לפצל למספר הגברים. במקרה שלנו – שני הגברים. AL 10 AC B 2 , AC E 5 : יחד עם זאת נבצע חישוב עם מגבר אחד: נקבל: AV 1 10 g m 1 R L R L 3 k נוסיף דרגה של CCובה A 1 :ו- 50 VCC RL Vout I in Il 300 in R .כדי לשמור על האילוץ של התנגדות היציאה יש להוסיף דרגה. 1 gm Re 1 g m Re R out או g m 20 m s :ואז. I C C 520 A : לכן הזרם הכולל של הבלוק הוא I B lock 1 I C B I C C 610 A :וההספק הוא. PD IS 610 A 2 v 1.22 m W : איור – 37 תיאור כללי של בלוק .1 VCC RL I Il בלוק :2 התנגדות הכניסה היא R in 50 :ולכן g m 20 m s :והזרם הוא . I 520 A :היות ובקו התמסרות יש תיאום ,המתחים צריכים להיות זהים ולכן העומס יצא. R L 150 : הזרם הכולל בשני הבלוקים הוא I Total 610 520 A 1130 A :ולכן ההספק הוא. P I T otal V D D : חשוב :במבחן תופיע שאלה מעין זאת העוסקת בעיצוב!! | 12 אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן משוב – : Feedback איור – 38 מערכת עם משוב. הצורה הכללית שלנו היא כדלהלן: השגיאה היא. X e X Y fb X Y f : בחוג סגור נקבל: a 1 af Y . Y 1 af aX X 1 נגדיר את ה . T a f :Open loop gain-רואים כי T 1 :ולכן ניתן לכתוב בקירוב: f Y . X כאשר ההגבר גדול מאוד נוכל לומר זאת. סיגנל השגיאה הוא: 1 1 T T 1 T 1 Yf 1 X Yf X Xe X X . גם מכאן רואים כי ככל שהגבר יותר גדול כך המערכת יכולה להקטין את השגיאה בצורה טובה יותר. T סיגנל המשוב הוא: 1 T Yf Y fb X . X רגישות בחוג סגור:Sensitivity Close Loop : a המערכת שלנו היא מהצורה: אפשר גם לכתוב: 1 T H s a 1 T . H s הרגישות מוגדרת: a 2 a 1 T רואים כי השגיאה של המגבר היא ב- da a 1 2 dH s S כעת: 1 T 1 . S נקבל: 2 da dH s da H s a 1 T 1 T ואז: .S 1 da a 1 T dH s H s . . נניח שיש לנו שגיאה התחלתית erri 10% :ואנו רוצים להגיע לשגיאה של err f 1 0 % 0 .1 % :כאשר. a 1 0 : לכן: dH s H s err f ו erri - da a .נקבל 1 : erri T המראה לנו מהו ה Open loop Gain-המינימלי שיש להשים במערכת. err f כעת נבדוק כיצד מגיבה המערכת לשינויים כאשר נשים nמגברים עם הגבר כולל של. a C L a 0n : a 0 1 erri a 0 n נמצא את רגישות המערכת: n n n a0 da a .ה H s -החדש שלנו הוא: n a 1 T . H s יש לנו בעיה נוספת: נניח ויש לנו מגבר עם כניסה S iויציאה S out :עם הפרעה. S d : הפונקציה שלנו היא. S out S i a S d : נרצה לבנות מערכת חדשה שבה: Sd N - S o u t n ew S i a הקטנת ההפרעה. כדי לעשות זאת נוסיף מגבר כמתואר ונמצא את פונקצית התמסורת של המערכת ושל ההפרעה (נרצה לראות שהיא אכן קטנה בפקטור של .) N נקבלS d : 1 1 a f 2 2 Si a 1 a f 2 . S out new נדרוש 1 a 2 f 1 T a :כדי לשמור על המקדם של הסיגנל כפי שהיה. נקבל עם הדרישה: | 13 Sd 1 a S o u t n ew a S i כאשר: a 1 2 a . f ורואים כי הקטנו את ההפרעה. אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן איור – 39הפרעות. השפעת המשוב על רוחב הפס: יש לנו מערכת a0 1 s 1 עם קוטב דומיננטי: . p אז.(Gain Band Width) . G B W a 0 p : a0 המערכת בחוג סגור היא: a0 1 s af H s 1 sוהקוטב הוא: a0 1 s לכן ההגבר של רוחב הפס הוא: a 0 p a0 1 T - G B W a 0 p C L לא השתנה. H s O pen Loop H s a0 a0 1 T GBW GBW f f p 1 T איור – 40פונקצית התמסורת. עד כאן הרצאה .8תאריך18.12.11 : | 14 . p CL 1 1 T p C lose Loop 1 T p O L 1 af אלקטרוניקה ליניארית -סיכום ועריכה מאת שי ידרמן p