Transcript Verstärker

DC
Vout
R1

Vin
R1  R2
Vin
R2
Vout
R1
AC
I ( s)  sCU (s)
uout (t ) 
(b1D  1)
AuG (t )
2
a2 D  a1D  1
Ω
Ohne RK
RK
AF 
FF  AOL1 AOL 2
1 AOL 2 RK
 2 1 
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
0.5
( 1  T z ) 2
T
1
Testschaltungen für Feedbackanalyse
Messpunkt - blau
Kurzschluss
Testquelle - rot
AOL1 – Gain am Eingangsnetz
AOL2 – aktive Verstärkung
AF 
RK
FF  AOL1 AOL 2
1 AOL 2 RK
FF
T - Schleifenverstärkung
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
AF 
FF  AOL 1 AOL 2
1 T
2
Ausgangswiderstand
R=?
Kurzschluss
R0 – Ausgangsimpedanz ohne Verstärkung
offene Leitung
Kurzschluss
TOC
Schleifenverstärkungen
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
TSC
ROUT  R0
1  TSC
1  TOC
3
Linearer Spannung-Strom Wandler
Leerlaufverstärkung 1 Aol1
T  gm R
GOL 1 gm
GOL
1 T
G
Schleifenverstärkung
bei offenen Knoten
Widerstand ohne Verstärkung
Leerlaufverstärkung 2 Aol2
G
Schleifenverstärkung
bei kurzgeschlossenen Knoten
Schleifenverstärkung T
gm
1

1  gm R R
Rout
D
 rds  R
Rout  Rout
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
TSC  g m R
1  TSC
D
1  TOC
TOC  0
Rout  R  rds (1  gm R)
4
„Common-Source“ Verstärker
A   gm Rd
CIN  Cg  C f (1  gm Rd )
COUT  Cd  C f
Rd||Rds
Ausgang
Cf
Eingang
Cd
Rg
Cg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
5
Millereffekt
C
LC
Meter
C
U test
C
(1+A)
C
1

I test
CD
U test
LC
Meter
-A
Uin
Uout
1  TSC
1
1
 U in  Z 0

I test
1  TOL CD (1  A)
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
6
Aufgabe Rin=?
Cg
Cg
Transistor
Cg
CS Amplifier
Z=?
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
SF Amplifier
Z=?
7
Verstärker mit einem Eingang
„Common Source“
Kaskade
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
CS mit Sourcefolger
Kaskode
8
Verstärker mit einem Eingang
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
9
Differentieller Verstärker
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
10
Differentieller Verstärker
Vdssat
Dynamikbereich
Ausgang
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Dynamikbereich
Eingang
11
„Common-Source“ Verstärker
A   gm Rd
CIN  Cg  C f (1  gm Rd )
COUT  Cd  C f
Rd||Rds
Ausgang
Cf
Eingang
Cd
Rg
Cg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
12
„Common-Source“ Verstärker
DC Verstärkung
Diese Kapazität wird durch Miller-Effekt verstärkt
Uout   gm R' dUin
Nachteil: Verstärkung hängt vom Lastwiderstand ab
R' d  Rd || Rds
Rd
UOUT
UIN
Cd
Wichtige Kapazitäten:
Cd – Lastkapazität (groß), Cf – verstärkt durch Millereffekt
Cf
Rg
Dominante Zeitkonstante
Cg
a1    Rg CIN  R' d COUT


a1    Rg Cg  C f (1 gm R' d )  R' d (Cd  C f )
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
13
Sourcefolger
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
+ Cgs
-
Ausgang
Cs
Rg
Rs‘ = Rs||Rds
Rs
Rg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Cgd
gm UGS
14
Sourcefolger - Zeitkonstanten
 Cs  C gs 

C gs 




 1  Rs 
 Rg  C gd 
' 
' 
1  g m Rs 
 1  g m Rs 

'
Dominante Zeitkonstante
R' S  Rs || Rds
'
Cgd
Eingang
U OUT
Rs g m

U IN  U IN
'
1  Rs g m
DC Verstärkung
UIN
Ausgang
Diese Kapazitäten werden durch
die Wirkung des Transistors stark gedämpft
UOUT
Cgs
Cs
Rg
Der Generator Ig „sieht“ die große Lastkapazität Cs nicht
Rs
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
15
Kaskade von 2 „common–sorce“ Verstärkern
Rd2
Rd1
Eingang
UOUT
Ausgang
UIN
Rg1
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
16
Kaskade von 2 CS
DC Verstärkung
Wichtige Kapazitäten:
Cf1, Cf2 – Millereffekt, Cd2 - Lastkapazität
U out  g m1Rd1 g m2 Rd 2Uin
  Rg1 Cg1  C f 1 (1  g m1Rd 1 ) Rd 1 (Cd 1  C f 1 ) 


Rd 1 Cg 2  C f 2 (1  g m 2 Rd 2 )  Rd 2 (Cd 2  C f 2 )
Rd2
Rd1
Dominante Zeitkonstante
Cd2
UOUT
DC Verstärkung ist Produkt
von Verstärkungen einzelner Stufen
U out  g m1Rd1 g m2 Rd 2Uin
Cf2
Cf1
Die Zeitkonstante ist Summe von der
Zeitkonstanten
einzelner Stufen
UIN
Rg1
  Rg1 Cg1  C f 1 (1  g m1Rd 1 ) Rd 1 (Cd 1  C f 1 ) 


Rd 1 Cg 2  C f 2 (1  g m 2 Rd 2 )  Rd 2 (Cd 2  C f 2 )
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
17
Kaskade von CS und Source-Folger
Rd1
Ausgang
Eingang
UOUT
UIN
Rg1
Rs2
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
18
Kaskade von CS und Source-Folger
DC Verstärkung
U out
gm2 R' s 2
 g m1Rd1
U in  g m1Rd1
'
1  gm2 R s 2
Kleine Kapazitäten
Dominante Zeitkonstante
 Rd 1 (Cd 1  C f 1  C gd 2 
Cgd2
Millereffekt
R's2
Rd1
1  gm2 R's2
)
C gs 2  Cs 2
1  gm2 R's2
UOUT
Cd1
UIN
C gs 2
Ausgang
Cf1
Eingang
  Rg1 C g1  C f 1 (1  g m1 Rd 1 )
Cgs2
Cs2
Die Lastkapazität wird gedämpft,
der Generator „sieht“ die Kapazität nicht
Rg1
Rs‘2
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
DC Verstärkung wie beim common-source Verstärker
– aber sie hängt vom Lastwiderstand Rs2 nicht ab.
Gut für die Ausgangsverstärker
19
Kaskade von CS und Source-Folger vs Kaskade von 2 CS
Cs+sf
gm2 R' s 2
 g m1Rd1
U in  g m1Rd1
'
1  gm2 R s 2
U out
kleiner
  Rg1 C g1  C f 1 (1  g m1 Rd 1 )
2 cs
 Rd 1 (Cd 1  C f 1  C gd 2 
U out  g m1Rd1 g m2 Rd 2Uin
R's2
  Rg1 Cg1  C f 1 (1  g m1Rd 1 ) Rd 1 (Cd 1  C f 1 ) 

C gs 2
1  gm2 R's2
)
C gs 2  Cs 2
1  gm2 R's2

Rd 1 Cg 2  C f 2 (1  g m 2 Rd 2 )  Rd 2 (Cd 2  C f 2 )
1 / g m2  Rd 2
U out  g m1Rd1U in
  Rg1 C g1  C f 1 (1  g m1 Rd 1 ) Rd 1 (Cd 1  C f 1 ) 


Rd 1 C g 2  2C f 2 
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
(Cd 2  C f 2 )
gm2
20
Kaskode
Rc1
Rc1
UOUT
UOUT
Ausgang
Cd2
Source und Bulk sind getrennt
Cs2
Cf1
UIN
Eingang
UIN
Cd1
Cg1
Rg1
Rg1
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
21
Kaskode
DC Verstärkung
Cd2
Rc2
UOUT
Dominante Zeitkonstante
Ausgang
U out  g m1Rc 2U in
  Rg1 C g1  C f 1 (1  g m1 R*d 1 )
 R*d 1 (Cd 1  C f 1  C gs 2 )  Rc 2Cd 2
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
22
Verstärker
Rout
Rout
Rout1
Rout 2
Rout1
Cf
Cout
Rout 2
Rg
„Common Source“
V
τ
g m Rout
Rg gm Rout C f
Kaskade
g m1Rout1 g m2 Rout 2
Rg gm1Rout1C f 1  Rout1gm2 Rout 2C f 2
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
CS mit Sourcefolger
gm1Rout1
Rg gm1Rout1C f
Kaskode
g m1Rout
Rout Cout
23
Verstärker mit einem Eingang
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
24
AC Analyse eines Verstärkers mit RK
AOL ( D)
AF ( D) 
1  T ( D)
Signaldämpfung am Eingang
U out AOL1 AOL 2
AF 

U in
1 T
Aktive Verstärkung
AOL 0 ( z D  1)
AOL ( D) 
1 2 D2  1   2 D  1
*
Rückkopplung
T ( D) 
T0 ( z D  1)
 1 2 D 2   1   2 D  1
Annahme: System zweiter Ordnung
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
25
Testschaltungen für Feedbackanalyse
Messpunkt - blau
Kurzschluss
Testquelle - rot
AOL1 – Gain am Eingangsnetz
AOL2 – aktive Verstärkung
AF 
RK
FF  AOL1 AOL 2
1 AOL 2 RK
FF
T - Schleifenverstärkung
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
AF 
FF  AOL 1 AOL 2
1 T
26
AC Analyse eines Verstärkers mit RK
AOL ( D)
AF ( D) 
1  T ( D)
A
 z D 1
AF ( D)  OL 0
1  T0  1 2 D 2   1   2   zT0 D  1
1  T0
1  T0
*
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
27
Transistorschaltplan
Feedback
Rf
Rd
UOUT
Cf
Sensor- Kleinsignalmodell
UIN
Cd
Rg
Cg
Verstärker
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
28
Analyse eines Systems mit RK
Xs
Xi
Xi*
Passives
Netzwerk
Passives
Netzwerk
Feedback
Rf
Cf
Ausgang
Eingang
+ UIN
Rg
U*IN
Cd
Rd
Cg
-
gm UIN
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
29
Der Schnittpunkt
Rf
Der Schnittpunkt befindet
sich nach der
Gatekapazität!
Es wird nur schwer mit
SPICE simuliert.
Rd
UOUT
Cf
UIN
Cd
Rg
Cg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
30
Schleifenverstärkung
Xi
Xi*
Passives
Netzwerk
Passives
Netzwerk
Feedback
Rf
Cf
+ UIN
Rg
U*IN
Cd
Rd
Cg
-
gm U*IN
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
31
Schleifenverstärkung – Zeitkonstante a1
U
T   *IN
U IN
Minus Vorzeichen
nicht vergessen,
T0 muss positiv
sein
T  T0
b1 D  1
a2 D 2  a1 D  1
R0 g  Rg || (R f  Rd )
R0 d  Rd || (R f  Rg )
a1  Cg R0 g  Cd R0d  C f R0 f
Methode der
Zeitkonstanten
R0 f  R f || (Rd  Rg )
Die Schleifenverstärkung für niedrige Frequenzen,
Leicht herzuleiten nur Strom/Spannungsteiler
Rf
T0  g m
Cf
+ UIN
Rg
Cd
Rd
Rg
Rd  R f  Rg
Rd
Cg
-
gm U*IN
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
32
Zeitkonstanten – die Formel für a2
bn D n  ... b1D  1
u, i 
uG
n
2
an D  ... a2 D  a1D  1
CN
Ci
C1
a2  C1C2 R01R12  ... CnCn1R0 n1Rn1n
C2
Ω
Zur Messung von RN1
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
33
Schleifenverstärkung – Zeitkonstante a2
a2  Cg Cd R0 g R g d  Cg C f R0 g R g f  Cd C f R0d Rd f
R0 g  Rg || (R f  Rd )
R0 d  Rd || (R f  Rg )
R0 f  R f || (Rd  Rg )
R g d  Rd || R f
Rf
R g f  R f || Rd
Cf
Rd f  R f || Rg
+ UIN
Rg
Cd
Rd
Cg
-
gm U*IN
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
34
Schleifenverstärkung – die endgültige Formel
T  T0
b1 D  1
a2 D 2  a1 D  1
a1  (R f  Rd )Cg  Rd Cd  R f C f
a2  R f Rd (Cg Cd  Cg C f  Cd C f )
b1  ?
Rf
Cf
U(t)
+ UIN
Rg
Cd
Rd
Cg
-
gm U*IN
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
35
Nullstelle
IR(t)≠0
(a2 D  a1D 1)uIN (t )  (b1D 1)uIN (t )
*
2
uIN (t )  ae
D  s* und
(b1s*  1)  0
Rf
s*t
*
I(t)=0
Cf
UIN(t)=0
s  1 / b1
*
1
i (t )
* C
Cs
1
Ri R (t )   * iR (t )
Cs
U R  Ri R (t )  U C 
Rf
Cf
I(t)=0
uIN(t)=0
( RCs*  1)iR (t )  0
+ UIN
Rg
iR (t )  iC (t )
IC(t)≠0
uIN (t )  0  gmuIN (t )
*
UOUT(t)=0
Cd
Rd
( RCs*  1)  0
Dan gilt es auch
Cg
-
gm U*IN
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Daher, es muss sein:
RC  b1
36
Leerlaufverstärkung für niedrige Frequenzen
Xs
Xi
Xi*
Xi
Passives
Netzwerk
Passives
Netzwerk
Xi*
Passives
Netzwerk
Passives
Netzwerk
Xs
Signaldämpfung
Feedback
AOL
DC
Feedback


 (Rg || R f ) gm Rd || (R f  Rg )
Leerlaufverstärkung
DC

Verstärkung
DC
1  T0
 R f
Rf
-
Verstärkung mit RK
(für niedrige
Frequenzen)
Rf
+ UIN
Rg
AF
AOL
U*IN
Rd
gm U*IN
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Rg
Rd
gm U*IN
37
Verstärkung mit RK – die Formel
AOL
1
AF ( D) 
1  T0  1 2 D 2   1   2   zT0 D  1
1  T0
1  T0
Die Formel von Folie 20
Wir setzen die Zeitkonstanten ein:
AF ( D)   R f
R f Rd (C g C f  C g Cd  C f Cd )
1  g m Rd
 2 1 
0.5
( 1  T z ) 2
T
D2 
2
2
1  g m Rd
D 1
Die Bedingung für die schnelle und genaue Signalantwort (ohne Überschwinger)
R f Rd (Cg C f  Cg Cd  C f Cd )  0.5g m Rd R f C f
Cf 
1
Rd Cd  ( R f  Rd )C g  ( R f  g m Rd R f )C f
Cg C f  Cg Cd  C f Cd
2
Der Feedbackkondensator macht die Schaltung „Stabil“.
0.5g m R f
Gm soll groß sein
So größer Rf ist desto stabiler Antwort
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Solche Methode für Stabilisierung nennt man
Pole Splitting
38
Widerstand als Last
+
+
>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
39
Widerstand als Last
I dssat 
Vgs3
Ids
LEsat
I sat
Vgs2
Vgs1
Vdssat
Vds
gm 
Cox W
2
L
V
 Vth 
2
gs
dIdssat
W
 Cox Vgs  Vth 
dVgs
L
g V
I ds  m dssat
2
Vgs<Vt
gm 
2 I ds
Vdssat
Rds 
Esat L
I ds
Vdssat  Vgs Vth
I dssat 
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Cox W
2
L
Vdssat
2
40
Stromquelle als Last
Vout
V
TL
Vin
I
Vmin  VdssatL
A  g m RdsL
A  g m RdsL
g mL 1 Vmin
 gm
g mL RdsL
g mL 2
I
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
41
Widerstand als Last
Vout
V
V
TL
R
Vin
I
I
Stromquelle als Last
R
V
I
A  gm R  gm
V
I
A
1 Vmin
gm
g mL RdsL
2
I
Widerstand als Last
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
42
Stabilisierung
Vout
Vin=Vout
Arbeitspunkt
Vin
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
43
Diode als Last
Vout
Vout=vdd
Vin
 C   W 
2
I ds   ox    Vin  Vth 
 2  In  L  In
A: Diode als NMOS
B: Diode als PMOS
 C   W 
2
I ds   ox    Vout  Vth 
 2 L  L L
Vout  Vth   Vin  Vth 
Cox In W / LIn
Cox L W / LL
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
44
Linearer Spannung-Strom Wandler
I out 
Cox W
2
L
Vin  Vth 2
Versuchen wir die Kennlinie mithilfe einer Rückkopplung zu linearisieren

Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
45
Linearer Spannung-Strom Wandler
Leerlaufverstärkung 1 Aol1
T  gm R
GOL 1 gm
GOL
1 T
G
Schleifenverstärkung
bei offenen Knoten
Widerstand ohne Verstärkung
Leerlaufverstärkung 2 Aol2
G
Schleifenverstärkung
bei kurzgeschlossenen Knoten
Schleifenverstärkung T
gm
1

1  gm R R
Rout
D
 rds  R
Rout  Rout
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
TSC  g m R
1  TSC
D
1  TOC
TOC  0
Rout  R  rds (1  gm R)
46
Stromspiegel
U  f 1 ( I )
I  f (U )
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
47
Stromspiegel - Parameter
Vmin  Vdssat
2I

gm
Rout  rds 
Esat L
I
I
Cox W
2
L  Cox
Rout 
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
L
V
 Vth 
2
gs
W
2
Vdssat
2I
Cox Esat W  Vdssat 
2
2


 I 
48
Stromspiegel mit Kaskode
Vdssat 
Vdssat
2I
gm
casc

Rout  Rout
1  TSC
 rds g mcasc rdscasc
D
1  TOC
2I
g m casc
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
49
Stromspiegel mit Kaskode
Vdssat 
Vdssat
2I
gm
casc

Rout  rds gmcasc rdscasc
2I
g m casc
V0 min  2Vdssat 
Rout  rds g m rds
4I
gm
Rout 
Esat L
g m rds
I
Mit Kaskode
Ohne Kaskode
Rout 
V0
Cox EsatW  V0 
2
 
 I 
2
1 Cox EsatW  V0 

  g m rds
4
2
 I 
2
Rout
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
50
Stromspiegel mit Kaskode
Vdssat
DC Ströme sind nicht gleich
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
casc
 Vth
DC Ströme sind gleich
51
Stromspiegel AC Parameter
+
C gs
Cdb
M
C gd
UIN
-
gm UIN
rds
UG
I IN
RIN  rds || 1 / g m  1 / gm
1
1
U G ( D)  I IN ( D)
g m Cges / g m D  1
UG
I IN
I OUT ( D)  MUG ( D) g m  I IN ( D)
Cges  M  1Cgs  Cdb
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
M
Cges / gm D  1
52
Nullimpedanzen
Tiefpass 1. Ordnung (Beispiel)
+
R1
du (t )
i (t )  C
dt
+
+
C1
uG = h(t)
uC 2 (t ) 
1
AuG (t )
a1 D  1
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
54
Tiefpass 1. Ordnung (Beispiel)
+
R1
+
du (t )
i (t )  C
dt
+
uC 2 ()  1
C1
uG = h(t)
DC
uC 2 (t ) 
1
AuG (t )
a1 D  1
0
1
uC 2 ( ) 
Au G ()  A
0 1
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
uC 2 ()  1
1 A
55
Tiefpass 1. Ordnung (Beispiel)
+
R1
I( s)  sCU( s)
+
+
du (t )
i (t )  C
dt
i(t )  CDu(t )
C1
uG = h(t)
uC 2 (t ) 
1
uG (t )
a1 D  1
s  s* : a1s * 1  0, uC 2 (s*)  
1
u C 2 ( s) 
uG ( s)
a1s  1
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
a1  1 / s *
56
Tiefpass 1. Ordnung (Beispiel)
+
Req(s*) = 0
R1
du (t )
i (t )  C
dt
i(t )  CDu(t )
I( s)  sCU( s)
+
Ω
C1
uG = h(t)
uC 2 (t ) 
1
uG (t )
a1 D  1
s  s* : a1s * 1  0, uC 2 (s*)  
1
u C 2 ( s) 
uG ( s)
a1s  1
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
a1  1 / s *
57
Tiefpass 1. Ordnung (Beispiel)
Req(s*) = 0
R1
+
Ω
C1
Req ( s*)  R1 
1
0
s * C1
s * R1C1  1
0
s * C1
CG : s * R1C1  1
a1  R1C1
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
uC 2 ( s) 
1
AuG ( s)
R1C1s  1
58
„Common-Source“ Verstärker
Rd
Ausgang
Eingang
Rg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
59
„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
Cf
Eingang
Eingang
Cd
Rg
Cg
Rds
Ausgang
+
Cd
Rd||Rds
Cg
Rg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
-
gm UIN
60
„Common-Source“ Verstärker
Rd
Cf
Ausgang
Eingang
A=200
Cf, gm, Rd = ?
Cd=1p
Rds Response speed - Optimieren
Cg=1p
Rg=10K
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
61
„Common-Source“ Verstärker
uCg (t )  uC f (t )  uCd (t )
Rd
Ausgang
Cf
Iin(t)
Eingang
Cd
Rg
Uout(t)
Cg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
62
„Common-Source“ Verstärker
(b1D  1)
uout (t ) 
AuG (t )
2
a2 D  a1D  1
Rd
Ausgang
Cf
Eingang
Cd
Rg
Cg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
63
„Common-Source“ Verstärker
(b1 0  1)
uout () 
A 1
a2 0  a1 0  1
A   gm Rd Rg
Rd
Ausgang
Eingang
Rg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
64
„Common-Source“ Verstärker
uout (t )   Rg g m Rd
(b1D  1)
uG (t )
2
a2 D  a1D  1
Rd
Ausgang
Cf
Eingang
Cd
Rg
Cg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
65
„Common-Source“ Verstärker
u out ( s)   Rg g m Rd
Rd
Ausgang
Cf
(b1s  1)
uG ( s)
2
a2 s  a1s  1
s  s* : b1s * 1  0, uout (s*)  0
Eingang
Cd
Rg
Cg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
66
„Common-Source“ Verstärker
u out ( s)   Rg g m Rd
Rd
i1
Ausgang
Cf
s  s* : b1s * 1  0, uout (s*)  0
i1  s* C f vin
Eingang
Cd
Rg
Cg
(b1s  1)
uG ( s)
2
a2 s  a1s  1
uout (s*)  0
i1  gm vin
gm  s * C f , s*  gm / C f
b1  C f / gm
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
67
„Common-Source“ Verstärker
(1 
u out ( s)   Rg g m Rd
Rd
Ausgang
Cf
Cf
 1)
gm
uG ( s)
2
a2 s  a1s  1
s  s* : a2 s *2 a1s * 1  0, uout (s*)  
Eingang
Cd
Rg
Cg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
68
„Common-Source“ Verstärker
(1 
u out ( s)   Rg g m Rd
Gin (s)  0
Cf
 1)
gm
uG ( s)
2
a2 s  a1s  1
s  s* : a2 s *2 a1s * 1  0, uout (s*)  
Cf
Gin (s)  0
Eingang
Cd
Rg
Cg
Rd
Gin 
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
1
 s * Cg  Geq ( s)  0
Rg
69
„Common-Source“ Verstärker
Cf
Zeq (s)
Cd
Rd
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
70
„Common-Source“ Verstärker
Cf
Z eq ( s)  Z eq0
Cd
Rd
1  TSC
1  TOC
Z eq0  1 / sC f 
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Rd
1  sRd Cd
71
„Common-Source“ Verstärker
Z eq ( s)  Z eq0
Z eq0
1  TSC
1  TOC
1  sRd (Cd  C f )
Rd
1



sC f 1  sRd Cd
sC f (1  sRd Cd )
Cf
TOC  g m
Cd
Z eq 
Rd
Z eq 
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Rd
, Tsc  0
1  sRd Cd
1  sRd (C f  Cd )
1  sRd Cd
sC f (1  sRd Cd ) 1  sRd Cd  g m Rd
1  sRd (C f  Cd )
sC f (1  sRd Cd  g m Rd )
72
„Common-Source“ Verstärker
1
 s * Cg  Geq ( s*)  0
Rg
Z eq 
1  sRd (C f  Cd )
1  sRd Cd
sC f (1  sRd Cd ) 1  sRd Cd  g m Rd
1  s * Rg Cg
Rg
1  s * Rg Cg
Rg
Rg
Cg
 Geq (s*)  0

sC f (1  sRd Cd  g m Rd )
1  sRd (C f  Cd )
0
Geq
s 2 Rg Rd (Cg C f  Cg Cd  C f Cd )  s(Rd (C f  Cd )  Rg (C f (1 gm Rd )  Cg )) 1  0
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
73
„Common-Source“ Verstärker
s 2 Rg Rd (Cg C f  Cg Cd  C f Cd )  s(Rd (C f  Cd )  Rg (C f (1 gm Rd )  Cg )) 1  0
(1 
u out ( s)   Rg g m Rd
Rd||Rds
Cf
 1)
gm
uG ( s)
2
a2 s  a1s  1
Ausgang
Cf
Eingang
 g m Rd Rg (1  sC f / g m )
Cd
Rg
s 2 Rg Rd (Cg C f  Cg Cd  C f Cd )  s( Rd (C f  Cd )  Rg (C f (1  g m Rd )  Cg ))  1
Cg
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
74
Verstärkung mit RK – die Formel
uout (s)
 g m Rd Rg (1  sC f / g m )i G (s)
s 2 Rg Rd (Cg C f  Cg Cd  C f Cd )  s( Rd (C f  Cd )  Rg (C f (1  g m Rd )  Cg ))  1
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
75
Verstärkung mit RK – die Formel
 g m Rd Rg (1  sC f / g m )
s 2 Rg Rd (Cg C f  Cg Cd  C f Cd )  s( Rd (C f  Cd )  Rg (C f (1  g m Rd )  Cg ))  1
 2 1 
0.5
( 1  T z ) 2
T
Bedingung für schnelle Signalantwort ohne Überschwinger
Rg Rd (Cg C f  Cg Cd  C f Cd )  0.5g m Rg Rd C f
2
Cf 
2
Cg C f  Cg Cd  C f Cd
0.5g m Rd
Cf
2
2
(1 pF) 2

 C f  100 fF
100
1 ~ gm Rd Rg C f  200ns
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
2 ~
0.5
200 ns  0.5ns
200
C f / gm  0.5ns 200s  gm
76
Pole Splitting
A(s)  Rg g m Rd
(1  C f / g m s)


Rg Rd (Cg C f  Cg Cd  C f Cd )s 2  Rd Cd  C f   Rg Cg  C f (1  g m Rd ) s  1
A( s)   Rg g m Rd
(1   z s)
1s  1 2 s  1
A(s)   Rg g m Rd
1
Rg Rd Cg Cd s 2  Rd Cd  Rg Cg s  1
A( s)   Rg g m Rd
1
Rd Cd s  1Rg Cg s  1

Cf  0

Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
A(s)   Rg g m Rd
(1  C f / g m s)
Rg Rd C *s 2  C f Rg g m Rd s  1
77
Pole Splitting
A( s)   Rg g m Rd
1
Rd Cd s  1Rg Cg s  1
 p1  Rg Cg ,  p 2  Rd Cd
A(s)   Rg g m Rd
(1  C f / g m s)
Rg Rd C *s 2  C f Rg g m Rd s  1
 1  Rg g m Rd C f ,  2 
Cd C f  Cd Cg  Cg C f
g mC f
Cf
1/ Rg gm Rg C f
τp2
τp1
1/ Rg Cg 1/ Rd Cd
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
gm
C g  Cd
1/τ
78
Millereffekt
C
LC
Meter
C
U test
C
(1+A)
C
1

I test
CD
U test
LC
Meter
-A
Uin
Uout
1  TSC
1
1
 U in  Z 0

I test
1  TOL CD (1  A)
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
79
Beispiel (2)
Jetzt ist die Schaltung in Ordnung (zwei unabhängige Kondensatoren)
R1
C1
Rx
U0h(t)
R2
C2
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
80
Beispiel (2)
Die Differentialgleichung hat die Form
uC 2 
R1
C1
b1D  1
uG
2
a2 D  a1D  1
(1)
Es gilt (nach der Formel von Folie 39 und 40):
wir benutzten Rx = 0!
Rx
U0h(t)
a1  R01C1  R0 2C2
R2
C2
a1  ( R1 || R2 )C1  ( R1 || R2 )C2
a2  R01R12C1C2  0
Lösung der Gleichung (1)
uC 2 (t )  h(t )(Co1et / a1  Co2 )
a1  R01C1  R0 2C2
Finden wir Co1 und Co2…
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
81
Anfangsbedingung (1)
t = 0+
R1
C1
U0h(t)
1 / C2 D
C1
uC 2 (0 ) 
U0 
U0
1 / C2 D  1 / C1D
C1  C2

Großer Strom
∞
R2
C2
∞
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
82
Endzustand
t=∞
uC 2 ( 0  ) 
R2
U0
R1  R2
R1
uC
U0h(t)
e t /((C1 C2 )( R1|| R2 ))
R2
U0
R1  R2
R2
C1
U0
C1  C2
t
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
83
Beispiel (2)
Nur ein unabhängiger Kondensator! – fügen wir zusätzlichen Widerstand Rx. Es gilt: Rx -> 0!!!
C1
R1
U0h(t)
R2
C2
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
84
Beispiel (2)
Jetzt ist die Schaltung in Ordnung (zwei unabhängige Kondensatoren)
R1
C1
Rx
U0h(t)
R2
C2
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
85
Beispiel (2)
Die Differentialgleichung hat die Form
uC 2 
R1
C1
b1D  1
uG
2
a2 D  a1D  1
(1)
Es gilt (nach der Formel von Folie 39 und 40):
wir benutzten Rx = 0!
Rx
U0h(t)
a1  R01C1  R0 2C2
R2
C2
a1  ( R1 || R2 )C1  ( R1 || R2 )C2
a2  R01R12C1C2  0
Lösung der Gleichung (1)
uC 2 (t )  h(t )(Co1et / a1  Co2 )
a1  R01C1  R0 2C2
Finden wir Co1 und Co2…
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
86
Anfangsbedingung (1)
t = 0+
R1
C1
U0h(t)
1 / C2 D
C1
uC 2 (0 ) 
U0 
U0
1 / C2 D  1 / C1D
C1  C2

Großer Strom
∞
R2
C2
∞
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
87
Endzustand
t=∞
uC 2 ( 0  ) 
R2
U0
R1  R2
R1
uC
U0h(t)
e t /((C1 C2 )( R1|| R2 ))
R2
U0
R1  R2
R2
C1
U0
C1  C2
t
Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
88