Chuong 4 mach KD vi sai(20 7 15)

CHƯƠNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI Tương ứng với chương 15 sách Microelectronic Circuit Design_Richard C Jaeger & Travis N Blalock Nội dung chương 4.1 Sơ đồ, phân tích mạch chiều xoay chiều 4.2 Hệ số khuếch đại vi sai trở kháng vào, 4.3 Hệ số khuếch đại đồng pha trở kháng vào, 4.4 Hệ số nén tín hiệu đồng pha (CMRR) 4.5 Phân tích mạch khuếch đại vi sai sử dụng mơ hình nửa mạch 4.6 Phân cực KĐ vi sai sử dụng nguồn dòng 4.7 Mạch khuếch đại vi sai dùng MOSFET: Phân tích mạch chiều 4.8 Đặc tính truyền dẫn tín hiệu nhỏ 4.9 Thiết kế mạch khuếch đại vi sai 4.10 Mạch khuếch đại hai tầng Tương ứng với chương 15 sách Microelectronic Circuit Design_Richard C Jaeger & Travis N Blalock 4.1.Sơ đồ, phân tích mạch chiều xoay chiều     Mạch khuếch đại vi sai,bao gồm mạch C chung/B chung mắc liên tiếp, loại bỏ tụ lọc nhiễu cao tần, tụ liên lạc ngõ vào ngõ mạch khuếch đại nối trực tiếp Mỗi mạch khuếch đại có hai ngõ Hiệu điện vi sai ngõ khác điện cực collector cực drain hai transistor Tín hiệu đầu so với đất lấy từ cực collector/drain Mạch khuếch đại vi sai lí tưởng sử dụng hai transistor hồn tồn giống 4.1 Sơ đồ, phân tích mạch chiều Dòng điện cực I I I C1 C2 C V V EE BE I  E 2R EE I E1 I E V V V C1 C2 C I B1 I B2 I I  C B  F V V CE1 CE2 V V V  0V OD C1 C2 V V V BE1 BE2 BE Nếu transistor phù hợp, I I  I F E C V V V I R C1 C2 CC C C Tín hiệu ngõ vào đưa 0, cực phát nối lại với E2 I B Phân tích mạch chiều (ví dụ 1)    Ví dụ 1: Tìm Q-points transistor mạch khuếch đại vi sai Biết: VCC=VEE=15 V, REE=RC=75kW, F =100 Phân tích mạch: V EE BE  I  E 2R EE V I  I  F E C I I  C  B  F V 15  I R  C C C V V V  CE C E Do tính đối xứng, hai transistor phân cực Q-point (94.4 mA, 8.62V) Phân tích mạch chiều (ví dụ 1)    Ví dụ 1: Tìm Q-points transistor mạch khuếch đại vi sai Biết: VCC=VEE=15 V, REE=RC=75kW, F =100 Phân tích mạch: 15  0.7 V V V  EE BE I     95.3mA E 2R 2(7510 )W EE 100 I  I  I  94.4mA F E 101 E C I 94.4mA I  C   0.944mA B  100 F V 15  I R  7.92V C C C V V V  7.92V - (-0.7V)  8.62V CE C E Do tính đối xứng, hai transistor phân cực Q-point (94.4 mA, 8.62V) 4.1 Sơ đồ, phân tích mạch xoay chiều v v  v  id ic v v  v  id ic Phân tích mạch sử dụng phương pháp xếp chồng phần chế độ vi sai chế độ chung v  v v od c1 c2 v   A od    dd voc   A  dc     v v voc  c1 c2 A  vid  cd    Acc   vic   Add = Hệ số khuếch đại vi sai Acd = common-mode to differential-mode conversion gain Acc = Hệ số khuếch đại chế độ chung Adc = differential mode to common-mode conversion gain Đối với mạch khuếch đại đối xứng lí tưởng, Acd = Adc = v   A  vid   od   dd voc   A   v  cc   ic       Tín hiệu ngõ vào vi sai cho tín hiệu ngõ vi sai ngược lại 4.2 Hệ số khuếch đại vi sai trở kháng vào, v v id v   ve v   id  ve ( gm  g )(v  v )  G ve EE ve(G  2g  2gm )   ve  EE Cực emitter mạch khuếch đại vi sai xem nối đất cho tín hiệu ngõ vào chế độ vi sai v v v   id v  id 2 Hiệu điện tín hiệu ngõ ra: v v v   gmR id v   gmR id c2 C c1 C v od   gmR v C id 4.2 Hệ số khuếch đại vi sai trở kháng vào, Hệ số khuếch đại vi sai cho tín hiệu cân bằng, vod  vc1  vc2: v A  od   gm R C dd v id v  ic Nếu vc1 vc2 dùng riêng rẽ ngõ ra, ngõ gọi or in the loop v A ngõ đơn gm R vc1 gm RC Add c2 C A     dd A = == dd v 2 dd1 v 2 id id v =0 v 0 ic ic Điện trở ngõ vào chế độ vi sai điện trở tín hiệu nhỏ định cho điện áp ngõ vào chế độ vi sai hai transistor (v / 2) vid i  id Hoặc vòng ib1  ib2   Rid  vid / ib1  2r b1 r 2r Nếu vid =0, R  2(R r )  2R Đối với tín hiệu ngõ đơn, R  R od C C o C od 4.3 Hệ số khuếch đại đồng pha trở kháng vào, Cả hai nhánh mạch khuếch đại vi sai đối xứng với Vì dòng điện cực điện áp cực thu giống Đặc tính cặp vi sai ngõ vào chế độ chung tương tự với mạch khuêch đại E chung (hoặc S chung) với điện trở lớn cực emitter v (hoặc source) ic i  b r  2(  1)R  o EE Hiệu điện ngõ ra:  o R C v  v  oi R  v c1 c2 b C r  2(  1)R ic  o EE ve  2( o 1)i R b EE 2( o 1)R EE v  v  ic ic r  2( o 1)R EE Phân tích mạch DC (ví dụ 3)    Ví dụ 3: Tìm Q-points transistors mạch khuếch đại vi sai Biết: VDD=VSS=12 V, ISS =200 mA, RSS = 500 kW, RD = 62 kW, l = 0.0133 V-1, Kn = mA/ V2, VTN =1V Phân tích mạch: I I  SS 100mA D V  1 GS 200mA 1.20V 5mA/V V 12V - (100mA)(62kW) 1.2V  7V DS Để trì hoạt động vùng thắt M1 cho VIC khác không , V V V V V V V  V -  V - I R   V TN TN GD GS SD GS DS GD IC  DD D D  V  V - I R V  6.8V DD D D TN IC Hệ số khuếch đại vi sai Nút nguồn mạch khuếch đại vi sai xem nối đất Hệ số khuếch đại vi sai tín hiệu cân bằng: v A  od dd v id v ic 0   gm R D Hệ số khuếch đại ngõ single-end: v v   gmR id D d1 v v   gmR id D d2 v v od   gmR v D id A  d1 dd1 v id v v ic 0 A gm R D   dd 2 A gm R d2 D A     dd dd v 2 id v  ic R  2R R  D od id Hệ số khuếch đại đồng pha Nguồn dòng điện tử mơ hình hóa hai lần trở kháng ngõ tín hiệu nhỏ nó, đại diện cho trở kháng ngõ nguồn dòng Acc  v oc v ic v id Mơ hình nửa mạch chế độ chung tương tự với mạch khuếch đại đảo với điện trở nguồn 2RSS gm R  gm R SS v  v D v v v  vs  d1 d2 1 2g R ic ic ic  g R m SS m SS v  v  v  Vì vậy, hệ số chuyển đổi chế độ chung = od d1 d2 gm R R Do hệ số khuếch đại dòng lớn D D   FET, ro bỏ qua 1 g m R 2R SS SS 0 R  ic Hệ số nén tín hiệu đồng pha (CMRR)  Đối với tín hiệu ngõ vào kiểu chung, tín hiệu ngõ mạch khuếch đại dùng MOS cân 0, CMRR không xác định Đối với ngõ singleended, Adm Add /  ( gm RD ) / CMRR     gmR SS Acm Acc  R /(2R ) D SS   RSS (lớn nhiều sơ với REE cung cấp Q-point ổn định hơn) nên cực đại Để so sánh trực tiếp mạch khuếch đại dùng MOS BJT, ta giả sử mạch khuếch đại MOS phân cực bởi: V V R  SS GS SS I SS  2I R I R (V V ) D SS SS SS CMRR    SS GS V V V V V V GS TN GS TN GS TN Từ liệu ví dụ, CMRR mạch khuếch đại MOS CMRR=54 or 35 dB (gần 10 dB xấu mạch khuếch đại dùng BJT).Để tăng CMRR mạch khuếch đại sử dụng BJT FET, nguồn dòng với điện trở RSS REE lớn sử dụng Biên độ điện áp ngõ vào chế độ đồng pha V V  I R V  CB CC C C IC V V V BE EE IC I  F C 2R EE   V   V R   EE BE   C 1 F 2R V EE CC V V IC CC R C 1  F 2R EE Đối với nguồn cung cấp đối xứng, VEE >> VBE, RC = REE, V V  CC IC 4.8 Đặc tính truyền dẫn tín hiệu nhỏ Mạch khuếch đại vi sai sử dụng MOS cải thiện biên độ tín hiệu tuyến tính ngõ vào đặc tính méo mạch dùng transistor Kn   v I I  V  v V   D1 D2 GS2 TN   GS1 TN     Đối với mạch khuếch đại vi sai đối xứng với ngõ vào vi sai: v v id v V  v V  id GS1 GS GS2 GS I I  Kn V V v  gmv TN  id D1 D2 id  GS Méo bậc hai loại bỏ méo giảm lớn Tuy nhiên méo chiếm ưu MOSFET are nor perfect square law devices méo xuất điện áp phụ thuộc vòa trở kháng transistor 4.9 Thiết kế mạch khuếch đại vi sai (ví dụ 4) • Ví dụ 4: Tìm Q-points voc transistors mạch khuếch đại vi sai • Biết: Adm=40 dB, Rid >250 kW, đơn cực CMRR> 80 dB, VIC phải ±5V BJT với có thơng số : F =100, VA =75V, IS =0.5 fA • Giả sử: mạch hoạt động vùng tích cực, nguồn cung cấp đối xứng, o = F, vid cực đại ±30 mV 4.9 Thiết kế mạch khuếch đại vi sai (ví dụ 4) • Ví dụ 4: Tìm Q-points transistors mạch khuếch đại vi sai oV T  20μA I  C r • Biết: Adm=40 dB, Rid >250 kW, đơn cực CMRR> 80 dB, VIC phải ±5V BJT với có thơng số : F =100, VA =75V, IS =0.5 fA • Giả sử: mạch hoạt động vùng tích cực, nguồn cung cấp đối xứng, o = F, vid cực đại ±30 mV •Phân tích mạch: Adm=40 dB =100 Để có hệ số khuếch đại này, ta dùng BJT Với Adm = gm RC =40 IC RC , ta đạt hệ số khuếch đại với điện áp 2.5 V đặt RC Đối với mạch khuếch đại vi sai lưỡng cực, Rid =2r, so, r =125 kW 4.9.Thiết kế mạch khuếch đại vi sai (ví dụ 4) Chọn IC = 15 mA Vì RC =2.5 V/15 mA =167 kW Chọn RC = 180 kW VIC = 5V cần điện áp cực collector voltage V thời điểm Vid voc cực đại ±30 mV cho mạch tuyến tính Vì thành phần ac ngõ vi sai