mikroelektronikai tervezes elöadások - eet - eet · web view2010-05-21 · ... (i=q/t) és...
TRANSCRIPT
TartalomjegyzékBevezetés 2Rekapituláció A CMOS technológia áttekintése 3Áramkörszimuláció A szimuláció helye a tervezési folyamatban 5A szimulátor hatékony használata 6Áramkörszimulációs programok 8Alapozás Általános gondolatok 11Rekapituláció NMOS tranzisztor karakterisztikái 13Kisjelű (fizikai) helyettesítő képek 14Kisjelű erősítők tulajdonságai (négypólus helyettesítő képek) 15MOS erősítő alapkapcsolások 17MOS tranzisztor és áramgenerátor 18Áramtükrök 19Erősítő aktív terheléssel 20Kaszkód erősítők 22Az iverter, mint erősítő 23Differenciál-erősítők 25Műveleti erősítők 27Fázistartalék és kompenzálás 29Optimalizálási lehetőségek 34Gyakorlati kérdések a bemeneti ofszet és kompenzálása 35Termikus és layout kérdések 37Visszacsatolt műveleti erősítők 37Teljesítmény erősítők 40Feszültség-referencia (Band-Gap Reference) 42Áramreferencia 44Analóg kapcsolók 47Mintavevő és tartó áramkörök (Sample and Hold) 48Kapcsolt kapacitásu (SC) áramkörök A rezgőkondenzátor 49Integrátor kapcsolt kapacitással 50Szimulációs nehézségek 51Műveleti erősítő autózéróval 51Digitális vezérlésü áramgenerátor 53A szigma-delta A/D átalakítás 57Az élvezérelt komparátor 58Komparátorokról általában 58Rail-to-rail élvezérelt komparátor 59A döntési sebesség becslése 62Tápfeszültség ellátás: dc-dc konverterek, bevezetés, háttér 66Felfelé transzformálás 67Lefelé transzformálás 69A kimenö feszültség stabilizálása 71Háromszög generátor 73Szimulációs problémák 74Gyorsítás funkcionális modellekkel. 76
2009.11.23. GP. 1
ANALÓG CMOS ÁRAMKÖRTECHNIKA
1. BEVEZETÉS
A TANTÁRGY HELYE AZ OKTATÁSBAN: A KISSÉ HÁTTÉRBE SZORULT ANALÓG ÁRAMKÖRTER-VEZÉS MEGISMERTETÉSE – MERT A VILÁG ANALÓG
A TANTÁRGY CÉLKITÜZÉSE: ANALÓG ÁRAMKÖRI SZEMLÉLET KIALAKÍTÁSA EGY-SZERÜ CMOS KAPCSOLÁSOK ANALÍZISE ÚTJÁNAZ ANALÓG CELLAKÖNYVTÁRON TÚL EGYEDI TERVE-ZÉSRE IS SZÜKSÉG VAN
ÁRAMKÖRTERVEZÉSI STRATÉGIA: A TOP-DOWN ÉS A BOTTOM-UP STRATÉGIÁK ALKAL-
MAS MEGVÁLASZTÁSA TÁJÉKOZTATÓ SZÁMÍTÁSOK ÉS BECSLÉSEK (LEVEL 2
SZINTEN), UTÁNA SZIMULÁCIÓ.
A HATÁSOS VEZÉRLÖ FESZÜLTSÉG, Uh
AZ ÁRAMKÖRTERVEZÖ APRÓ TRÜKKJEI ÁTTEKINTHETÖ KAPCSOLÁSI RAJZOK, BLOKKVÁZ-
LATOK, HOGY "LÁTNI" LEHESSEN A FUNKCIÓT HIERARCHIKUS FELÉPÍTÉS, A HETES TAGOLÁS DIVIDE ET IMPERA: RÉSZFUNKCIÓK KIEMELÉSE, ÖNÁL-
LÓ TERVEZÉSE/KEZELÉSE KIS LÉPÉSEK TAKTIKÁJA: FOKOZATOS ÖSSZEÉPÍTÉS.
ELÖBB A MUNKAPONT, UTÁNA A KISJELÜ MÜKÖDÉS.ROBUSZTUS ÁRAMKÖRTERVEZÉS,
DESIGN FOR MANUFACTURABILITYA TOLERANCIA KOCKA: TÁPFESZÜLTSÉG, HÖMÉRSÉKLET, PARAMÉTERSZÓRAS
2009.11.23. GP. 2
"GYANAKVÓ" TERVEZÖI SZEMLÉLET.TULAJDONSÁGOK:
DAP: DEPENDENT ON ABSOLUTE PARAMETERSTAP: TOLERANT TO ABSOLUTE PARAMETERSLEHETÖLEG ARÁNYOKRA TÁMASZKODUNK.
TERVEZÉS GYÁRTHATÓSÁGRA:COMMON CENTROID ELRENDEZÉSHOSSZÚ CSATORNA, NAGY MÉRETEKEGYSÉGTRANZISZTOROK – PARAMÉTER ÁTLAGOLÁS.
A MUNKAPONTI ELÖFESZITÉS (BIAS) PROBLEMATIKÁJA.
REKAPITULÁCIÓ: A CMOS TECHNOLÓGIA ÁTTEKINTÉSE
A TECHNOLÓGIA LÉPÉSEI: LÁSD JEGYZET!!
MOS TRANZISZTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS MÜKÖDÉSEAZ NMOS TRANZISZTOR FELÉPÍTÉSE:
A PMOS TRANZISZTOR FELÉPÍTÉSE:
2009.11.23. GP. 3
p+n+
π
n+
GS D B
p+ p+
π
GS D
p+
SUB
n+
B
ν
BIPOLÁRIS TRANZISZTOROK CMOS KÖRNYEZETBENVERTIKÁLIS PNP TRANZISZTOR:
A SZUBSZTRÁT A KOLLEKTOR
LATERÁLIS PNP TRANZISZTOR:
2009.11.23. GP. 4
π
p+
E
p+
C
n+
B
ν
π
p+
E
p+
C
p+
SUB
n+
B
νp+
2. ÁRAMKÖRSZIMULÁCIÓA SZIMULÁCIÓ A TERVEZÉSI FOLYAMATBAN
„FULL-CUSTOM“ ANALÓG INTEGRÁLT ÁRAMKÖRÖK KÖNYVTÁRI (STANDARD) CELLÁK (DIGITÁLIS ÉS
ANALÓG EGYARÁNT)KÉZI TERVEZÉS TRANZISZTOR SZINTEN – ÁRAMKÖR ÉS LAYOUTVERIFIKÁCIÓ CSAK SZIMULÁCIÓVALELVÁRÁSOK:
GYORS – SZÁMÍTÓGÉP TELJESÍTMÉNY PONTOS – SZÁMÍTÁSI PONTOSSÁG
PRECÍZ MODELLEK (BONYOLULT!)JÓ ALGORITMUSMÉRT PARAMÉTEREK (NAGYSZÁMÚ)HÁROM CSOPORT:
TM – TIPICAL MEANWS – WORST SPEEDWP – WORST POWER
INFORMATÍV – HOZZA, AMIT CSAK LEHET
2009.11.23. GP. 5
A SZIMULÁTOR HATÉKONY HASZNÁLATA"JÓL FELTETT KÉRDÉSEK"MUNKAPONT: DC-SWEEP
LASSÚ TRANZIENS JÓL VÁLASZTOTT BEMENÖJELEK
A HÁROMSZÖG JOBB, MINT A SZINUSZ
PL.: OPAMP DIFFERENCIÁLIS ÉS KÖZÖS MÓDUSÚ BEMENÖ JELEINEK SZÉTVÁLASZTÁSA:
2009.11.23. GP. 6
UDIF1
1
UCOMUOUT
A KÉTFÉLE VISELKEDÉST EGY SZIMULÁCIÓ
BEMUTATJA:
JÓL DEMONSTRÁLHATÓ AZ ÁTVITEL NEMLINEARITÁSA A VALÓDI ÉS AZ IDEÁLIS JELEK KÜLÖNBSÉGÉVEL:
Delta = (UKI – AGND) – AU * (UBE – AGND)
TÍZSZERES ERÖSÍTÉSÜ OPAMP:
1000*(V(KI)-V(AGND)+0.0001+9.998*(VBE)-V(AGND)))
2009.11.23. GP. 7
ÁRAMKÖRSZIMULÁCIÓS PROGRAMOKA BERKELEY-SPICE IPARI/KERESKEDELMI VÁLTOZATAI:
A MICROSIM CÉG PSPICE PROGRAMJA PC-RE A CADENCE CÉG IC TERVEZŐJE AZ OPUS/SPECTRE A MENTOR-GRAPHICS CÉG ELDOD SZIMULÁTORA A LINEAR TECHNOLOGY CÉGTÖL AZ LTSPICE A BME EET: A TRANZ-TRAN 1969 ÓTA, A SISSI
ELEKTRO-TERMIKUS SZIMULÁTOR
A PROGRAM FELÉPÍTÉSEPREPROCESSZOR, SZIM. MAG, POSTPROCESSZOR
2009.11.23. GP. 9
GUI
Szimulációs mag (solver vagy engine)
Preprocesszor
Posztprocesszor
Netlista
Eredmény file-ok
Gerjesztések vezérlő
utasításokKatalógus
ALKATRÉSZ KÉSZLET PASSZÍV ALKATRÉSZEK – LINEÁRIS ELEMEK:
IDEÁLIS VISELKEDÉSŰ ELLENÁLLÁS ÉS KONDENZÁTOR, NEM IDEÁLIS INDUKTIVITÁS, ELOSZTOTT PARAMÉTERŰ LC ÉS RC HÁLÓZAT
BEÉPÍTETT MAKRO MODELLEK: KISVESZTESÉGÜ TRANSZFORMÁTOR,MŰVELETI ERŐSÍTŐK:
IDEALIZÁLT TÍPUSFÜGGETLEN MODELL,FUNKCIONÁLIS MODELLEL LEÍRT IC-K
GENERÁTOROK – LINEÁRIS ELEMEK:FESZÜLTSÉGGENERÁTOR (VESZTESÉGES), ÁRAMGENERÁTOR (IDEÁLIS),VEZÉRELT GENERÁTOROK
FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK – NEMLINÁRIS ELEMEK. KOMMERCIÁLIS DISZKRÉT ESZKÖZÖK,PARAMÉTEREZHETŐ IC ALKATRÉSZEK:
MOSFETDIÓDABIPOLÁRIS TRANZISZTOR
BEÉPÍTETT ESZKÖZMODELLEKPARAMÉTEREK A KATALÓGUSBANIDEÁLIS DIÓDA MODELLJE:
I = JG(U)= Io [exp(U/mUT)-1]G = dI/dU
PARAMÉTEREK: Io, m, T (UT)
MOS TRANZISZTOR MODELLEK: LEVEL1, 2, 3, …2009.11.23. GP. 10
U
I
JG(U)
G
ELEKTROMOS – TERMIKUS MODELL:
BIPOLÁRIS TRANZISZTOROK:EBERS-MOLL MODELLGUMMEL-POON MODELL
KÖVETELMÉNYEK A MODELLEKKEL SZEMBEN: PRECÍZ LEÍRÁS EGYSZERŰ, KIS FUTÁSI IDŐ KÖNNYEN MEGHATÁROZHATÓ PARAMÉTEREK
ANALÍZIS FAJTÁK: NEMLINEÁRIS DC ANALÍZIS (MUNKAPONTHOZ) DC TRANSZFER KARAKTERISZTIKA (DC-SWEEP) NEMLINEÁRIS TRANZIENS ANALÍZIS (IDŐTARTOMÁNY) KISJELŰ AC ANALÍZIS (FREKVENCIA-TARTOMÁNY)
MUNKAPONTI LINEARIZÁLÁSSALKIEGÉSZÍTŐ ANALÍZISEK:
TOLERANCIA, ZAJ, TORZÍTÁS, TERMIKUS
MIXED-MODE SZIMULÁCIÓANALÓG ÉS DIGITÁLIS SZIMULÁTOR EGYÜTTES MŰKÖD-TETÉSEPROBLÉMA: A KÉTFÉLE JELEK ÖSSZEHANGOLÁSA
3. ALAPOZÁS2009.11.23. GP. 11
Elektromos rész Termikus rész
D
B
G
S
ID
Pd
Tj
Tja
Tamb
Pd = Id·Uds
3.1. ÁLTALÁNOS GONDOLATOK
AZ ÁRAMKÖRÖK KÖZEL VÉGTELEN SOKFÉLESÉGE
ERŐSÍTŐK, ÁTALAKÍTÓK, KOMPARÁTOROK, MINTAVEVŐK,
OSZCILLÁTOROK, KAPCSOLT KAPACITÁS
AZ ANALÓG CELLAKÖNYVTÁRAK NEM TUDNAK MINDENT LEFEDNI.
EZÉRT EGYEDI TERVEZÉS KELL, DIREKT A SZILICIUM FELÜLETÉN
AZ ÁRAMKÖRTERVEZÉS ALAPJAI AZONOSAK, DE A SZILICIUM FELÜLETE SPECIÁLIS FELTÉTELEKET SZAB.
HÁTTÉRISMERETEK, RÖVIDEN ÖSSZEFOGLALVA:
MOS ÉS BIPOLÁRIS TRANZISZTOROK FELÉPÍTÉSE ÉS MŰKÖDÉSE,
A CMOS FÉLVEZETŐ TECHNOLÓGIA,
A TRANZISZTOROK KARAKTERISZTIKÁI,
A TRANZISZTOROK KISJELŰ HELYETTESÍTŐ KÉPEI,
KISJELŰ ERŐSÍTŐK ÁLTALÁNOS TULAJDONSÁGAI, NÉGYPÓLUS HELYETTESÍTŐ KÉPEK,
TRANZISZTOROS ERŐSÍTŐ ALAPKAPCSOLÁSOK.
KÖZELÍTŐ ÖSSZEFÜGGÉSEK KÉZI SZÁMÍTÁSOKHOZ
KÜLÖNBSÉGEK A DISZKRÉT ÉS AZ INTEGRÁLT TECHNIKA KÖZÖTT:
2009.11.23. GP. 12
ALKATRÉSZKÉSZLET ÉS TOLERANCIÁK
DÖNTŐ TÖBBSÉGBEN MOS TRANZISZTOROK
NAGY ABSZOLÚT SZÓRÁS – JÓ ARÁNYTARTÁS
NAGY ELLENÁLLÁS NINCS, AKTÍV TERHELÉSEK
KIS FESZÜLTSÉG, KIS ÁRAMFELVÉTEL
PROBLÉMÁK A MÉLY SZUBMIKRON TARTOMÁNYBAN (0.35 µM ALATT)
A "SCALE-DOWN" LEHETŐSÉGEI KORLÁTOZOTTAK
NAGYOBB ADALÉK-KONCENTRÁCIÓ, KISEBB LETÖRÉSI FESZÜLTSÉG
RÖVID-CSATORNA EFFEKTUS, A KARAKTERISZTIKA TORZUL
NAGYOBB CSATORNA-HOSSZ SZÜKSÉGES
AZ "EGYSZERŰ" TERVEZÉSI MÓDSZEREK RÖVID CSA-TORNA ÉS EXTRÉM MAGAS FREKVENCIÁK MELLETT NEM HASZNÁLHATÓK
2009.11.23. GP. 13
REKAPITULÁCIÓ: AZ NMOS TRANZISZTOR FELÉPÍTÉSE
A PMOS TRANZISZTOR FELÉPÍTÉSE
NMOS TRANZISZTOR KARAKTERISZTIKÁI
Egyszerű közelítő összefüggések (Spice Level-2 modell)A transzfer karakterisztika a telítéses tartományban, UGS > VT esetére:
ID = K·(W/L)(UGS – VT)2
A trióda tartományban az áram függ UDS-től is:
ID = K·(W/L){2 (UGS – VT )UDS – UDS2}
K = µCox/2a K konstans használata meglehetősen rugalmas.
(W/L is benne lehet)
2009.11.23. GP. 14
UGS
trióda tartomány
telítés
ID
UDS VT UGS
log(ID)
IonID
UGSVT
p+n+
π
n+
GS D B
p+ p+
π
GS D
p+
SUB
n+
B
ν
Hatásos vezérlő-feszültség, röviden a hatásos feszültség:
Uh = UGS – VT
A karakterisztika egyenlete egyszerűbb:
ID = K·(W/L)Uh2
Csatornahossz-moduláció, (rövidcsatornás effektus):
ID = K·(W/L)Uh2(1 + λUDS) 1/λ = 20-30V
Küszöb alatti tartomány:
Ion a küszöbfeszültségnél folyó áramn 1,2 körüli konstans
Ma többnyire a BSIM modelleket használják szimulációhoz
KISJELŰ (FIZIKAI) HELYETTESÍTŐ KÉPEKKISJELŰ ÜZEMMÓD:
ha a karakterisztika görbülete elhanyagolhatóAlacsony frekvencián (0 Hz-en!) az elemeket többnyire a karakterisztika egyenletek parciális deriváltjai szolgáltatják.MOS TRANZISZTOROK:
A meredekség:
Másképpen:A kimenő vezetés: gd = λ ID
A fokozat erősítése:
Bulk hatás: gmb ≈ gm 30-40%-aNagyfrekvenciás működés:
2009.11.23. GP. 15
ugs
D
S
G
S
ugs gm gd RL
a tranzisztorban kialakuló kapacitások határozzák meg
A kapacitások mind munkapont-függőek.
KISJELŰ ERŐSÍTŐK TULAJDONSÁGAINÉGYPÓLUS HELYETTESÍTŐ KÉPEK
Általános erősítő:
Fekete doboz:A viselkedést négy független paraméterrel tudjuk leírni. A paramétereket célszerű olymódon definiálni, hogy azok: illeszkedjenek az impedancia-viszonyokhoz, legyenek lehetőleg kevéssé munkapont-függőek, legyenek könnyen mérhetők.
Kisjelü paramétercsoportok: impedancia (z), admittancia (y), hibrid (h), inverz hibrid, lánc és inverz lánc paraméterek.
Bipoláris tranzisztoroknál kezdetben a h paramétereket használták:
ube = h11ib + h12uce
ic = h21ib + h22uce
Az üzemi frekvencia növekedtével nagyfrekvenciás tran-zisztoroknál áttértek az y paraméterekre, mert azokat könnyebb volt mérni:
2009.11.23. GP. 16
RG
RL
p+n+
π
n+
GS D B
CSB CDB
CGB
CGDCGS
ib = y11ube + y12uce
ic = y21ube + y22uce
Extrém magas frekvencián (GHz-es tartomány) az áthaladó és visszavert teljesítményekre alapozó s (szórási) paramé-tereket használják, minthogy ott azokat könnyebb mérni:
r1 = s11a1 + s12a2
r2 = s21a2 + s22a2
Itt a1 és a2 a négypólusba (kétkapuba) belépő feszültség-hullám, r1 és r2 pedig a visszavert feszültséghullámok.
MOS tranzisztorok esetén, ha nem extrém magas frek-venciákról van szó, jól használható a kisfrekvenciás helyettesítő kép, kapacitásokkal kiegészítve.
Az erősítőket szokás impedancia-viszonyaik szerint osztá-lyozni:
1. Feszültségerősítő:
Au = ΔUki /ΔUbe = uki/ube
operational amplifier, OPA vagy OpAmp
2. Transzkonduktancia erősítő (operational transconduc-tance amplifier, OTA):
gm = ΔIki / ΔUbe = iki/ube
3. Áramerősítő: ennek tipikus példája a bipoláris tranzisz-tor földelt emitteres kapcsolásban
β = ΔIki / ΔIbe = iki/ibe
4. Az extrém nagyfrekvenciás technikában kis impedan-ciák. Teljesítményerősítés, szórási (s) paraméterek.
5. „Degenerált” erösítök: konstans (referencia) feszültsé-get valamint áramot állítanak elő.
MOS TRANZISZTOROS ALAPKAPCSOLÁSOKKözös source:
2009.11.23. GP. 17
RL
uki
VDD
ube
A = –gm /(gd + 1/RL)Ha RL kicsi:
A = –gmRL
Ha RL tart a végtelenhez:AMax = –gm/gd
Közös gate:
Az erösítés:
A bemenő vezetés:
Source követő (közös drain):
Az erősítés:
A kimenő vezetés:
MOS TRANZISZTOR ÉS ÁRAMGENERÁTOR MOS tranzisztor áramgenerátor terheléssel:
2009.11.23. GP. 18
RLuki
VDD
ube
gd
ube
gm
RL uki
IG
∆Ube∆Uki
ube
gm gd
RL
uki
RL
uki
VDD
ube
AMax = ∆Uki/∆Ube = –gm/gd
Vízszintes munkaegyenes:
Az erösítéshez:gm = dId/dUgs = 2K·(W/L)·Uh = 2ID/Uh
gd = λID
Ezekből: │AMax│= gm/gd = 2/(λUh)
Ha λ=0,05 [1/V] és Uh=0,4V, akkor AMax = 100
A kaszkód struktúra a source felé “árnyékol”, csillapít:
Itt is ∆UD/∆US = –gm/gd = AMax
A tranzisztor viselkedése az áramköri környezettöl is függ!
ID = K·(W/L)·Uh2
Ha a W/L arányt megduplázzuk:
2009.11.23. GP. 19
UGS0–∆U
ID
UDS
UGS0 UGS0+∆U
IG
IG∆US
∆UD
Feszültséggel hajtva: ID 2ID
Árammal hajtva: Uh Uh /
ÁRAMTÜKRÖKEgyszerü áramtükör:
MOS dióda + tranzisztor
Ha azonos W/L, akkor IM=IR.
gd=λIM
UMin = UDsat = UGS – VT = Uh
Kaszkód áramtükör:
gki ≈ gd/AMax = gd2/gm
UG2=2UGS1
UD1 = UGS1 = VT + Uh
UMin = VT + 2Uh
Javított kaszkód áramtükör:
T3 L 4L
2009.11.23. GP. 20
UGS IMIR
UGS1
UG2 IMIR
UD1
IM
UD2
UD1
4L
IR
UG2
UGS1
VDD
T2 T3 T4
T6 T7
T5
T1
UG2 VT + 2Uh
UD1 = Uh
UMin = 2Uh
ERŐSÍTŐ AKTÍV TERHELÉSSEL:
Rail-to-rail működés: UKI = Uhn … VDD–Uhp
A = gm/(gdn + gdp) ≈ gm/2gd = AMax/2
2009.11.23. GP. 21
gdpgdn
ugs
D
S
G
S
ugs gm
IB
ube
uki
VDD
VDDVDD- Uhp
ID
UDS
Uhn
ERŐSÍTŐK
(ERŐSÍTŐK AKTÍV TERHELÉSSEL)
KASZKÓD ERŐSÍTŐK
AZ INVERTER, MINT ERŐSÍTŐ
DIFFERENCIÁL-ERŐSÍTŐK
MŰVELETI ERŐSÍTŐK
EGYENÁRAMÚ VISZONYOK
FREKVENCIAFÜGGŐSÉG
FÁZISTARTALÉK ÉS KOMPENZÁLÁS
2009.11.23. GP. 22
KASZKÓD ERŐSÍTŐKkapacitív visszahatás a kimenetről a bemenetre
CM = (1 A)*CV
Földelt gate-es árnyékoló fokozat: Kaszkód erősítő, teleszkóp változat
A1 = u1/ube ≈ gm/gm= 1
CMiller = 2CGD
A = uki/ube ≈ gm/gd = AMax
Az aktív terhelés is lehet kaszkód – nagyon nagy kimenö impedancia
Munkapont: három tranzisztor sorba kapcsolva – feszültség gazdálkodás
2009.11.23. GP. 23
ube
uki
u1
IB
VDD
A
CM
CV
A
Folded kaszkód erősítő:
Az egyenáram (2IB) megoszlikA váltakozóáram visszafordulAz RL terhelés lehet áramtükör, vagy rezgőkör
AZ INVERTER, MINT ERŐSÍTŐ
Egyenáramú szempontból két MOS-dióda
2009.11.23. GP. 24
BE KIR
UKI
UBE
U0
VDDU0
VDD
ID
UDS
VDD
VTn VTp
U0
I0
RL
2IB
VDD
ube
uki
u1
IB
IB i1
Ha csak a küszöbfeszültség különbözik:Uh = (VDD – VTn – VTp)/2
és akkorU0 = VTn + Uh = (VDD + VTn – VTp)/2 = VDD/2 + (VTn – VTp)/2
Ellenütemü müködés (push-pull), a tranzisztorok össze-dolgoznak
Karakterisztika:
Kisjelű helyettesítő kép:
AU=(gmn+gmp)/(gdn+gdp)
2009.11.23. GP. 25
ube·gmpube·gmn gdpgdn
ube
KIBE
I0
ID
UDS
VDDU0
VTn VTp
DIFFERENCIÁL-ERŐSÍTŐK
Két bemenetük van, a rajtuk megjelenő feszültségek különb-ségét erősítikA kimenet többnyire aszimmetrikus, de lehet szimmetrikus isKözös elöfeszítés lehetösége – stand-byDifferenciál-erősítő – műveleti erősítő: kis különbségDifferenciál-páros: (szimmetrikus kimenet)
Közös módusú bemenő feszültség:Ucom = (UP+UN)/2
Differenciális bemenő feszültség:Udiff = UP–UN
Ha UP = UN
IP = IN = IG/2
MOS differenciál-pár transzfer karakterisztikája:
2009.11.23. GP.
IP
UP UN
IN
IG
RLRL
U/Uh0
I/IG1,0
1,0
0,5
-1,0- 0
OP
IN
IP
ONUB
OUTIN
IP
UBUB
IB
26
Kisjelü erösítés:
Adiff = udki/udbe = ΔUdiffki/ΔUdiff ≈ gmRL
Közös módusú erösítés:Acom = ucomki/ucom ≈ gdRL
Közös módus elnyomás – CMRR:CMRR = Acom/Adiff = gd/gm gd áramgenerátor
gm diff. tranzisztor
Aszimmetrikus kimenet:A diff. pár áramát áramtükörrel összegzik
Munkapont:
Uki = VDD – (VT + Uh)
VDD = 5VUKI = 5–1–(0,2…0,4) = 3,6…3,8V
Szabad kivezérlés: ±VT 3,7±1 = 2,7 … 4,7V
Minimális közös módusú bemenet:UCmin = VT + 2Uh UCmin = 0,8 + 2(0,2…0,4) 1,2…1,6VMaximális közös módusú bemenet: 3,5 … 5V
Kisjelű helyettesítő kép:
2009.11.23. GP.
VT+Uh
Udiff
Uki
VDD
IG
udiff gdn
(udiff/2)gm (udiff/2)gm
gdp CL
27
Erösítés: A = gm/(gdn + gdp)
Egy-időállandós frekvenciamenetét döntően CL (Miller-kap.) határozza meg:
ω0 = (gdn + gdp)/CL
Slew rate (SR), a kimenet maximális változási sebessége:
SR = IG/CL
MŰVELETI ERŐSÍTŐKA műveleti erősítő egy felfejlesztett differenciál-erősítőNagy erősítés egy második erősítő fokozattalEsetleg még egy egyszeres erősítésű puffert (source követő)
Részleteiben:
Tipikus CMOS áramkör, munkapont beállítás közös áram-tükörrel2009.11.23. GP.
1A
CV
Ubias
T5
VDD
INP
IB
OUTINN
QN
T8
T9T2T1TB
T7
T6
T4T3
QP
CV
28
Analóg nulla: ≈ VDD/2 EGYENÁRAMÚ VISZONYOK: Egységtranzisztorok, T1 dupla szélesMunkapont meghatározás "ránézéssel"
Magas kimenö impedanciaKis kimenö impedanciához source-követö harmadik fokozat
FREKVENCIAFÜGGÖSÉG: AC vizsgálat közelítö számítássalAlacsonyfrekvenciás (0 Hz-es) erősítés a két fokozatra:
RL a második fokozat rezisztív terheléseA teljes erősítés:
Egy-időállandós modell: Az első fokozatot terhelő Miller-kapacitás:
CL = A20CV
Az első fokozat 3dB-s törésponti frekvenciája g/C formában:
Ez többnyire csak néhány kHz A teljes frekvenciamenet:
A(ω) = A10A20/(1 + jω/ω10)
Magas frekvencián (ω>>ω10) 20dB/Dekádos esésLeegyszerűsítve:
│A(ω)│ ≈ gm4/ωCV
2009.11.23. GP. 29
A tranzitfrekvencia:
fT ≈ gm4/2πCV
Ha gm4=1mS és CV=1pF (ebben már CCOMP is van!),
akkor fT = 160 MHz
ω10 a rendszer domináns pólusa, a közelítés jó.
A precíz helyettesítő kép fT környezetében már jelentös eltéréseket hoz
FÁZISTARTALÉK ÉS KOMPENZÁLÁSVisszacsatolt alkalmazásAz erősítést ellenállások aránya határozza megNyquist: φ(fT) ≤ 180°
fázistartalék: 180° – φ(fT) 30°…60°Ehhez kompenzálni kell: becslés és szimuláció
Kétfokozatú erösítö kompenzálása: egyszerüsített helyette-sítö kép alapján Cc és Rc kompenzáló elemekkel
Az alacsonyfrekvenciás erősítések:A10 = gm1R1 és A20 = gm2R2
és ezekből:A0 = A10 A20
Ha CC=0 és RC=0 akkor nincs visszahatás, van két egymáshoz közeli pólus, p1 és p2
2009.11.23. GP.
u1
u1gm2 R2
Rcp
C2uin gm1 R1
Ccp
C1 uout
30
{ a=1/(1+jω/ω0) = 1/(1+jω/p) }Pólus hasítás: (pole splitting)
Az elsö fokozat terhelése:
CMiller = CC (A20 + 1)
Ettöl p1 és fT lefelé tolódik
CC járulékos pólust és zérust hoz be
Ezeket RC el tudja tüntetni
A részletes vizsgálathoz harmad ill. negyedfokú komplex egyenletek megoldása szükséges
Elsö közelítés:
2009.11.23. GP.
20dB/Dekád
fT fT0
p20p10 p2 p3p1
log A
log f
A0
1
fTlog f
p3p2p1
φ
-90
0
-270
-180
31
A domináns pólus:
=
A második pólus:
A zérus helye pontosan adódik:
A tranzitfrekvencia:
A hasítást gm2-vel és CC-vel lehet beállítaniElöírjuk:
p2 = KT K = 4…8
és ebből
≈ 0,4…4pF
RC hatására csak a zérus helye módosul:
RC=1/gm2 esetén a zérus megszűnik, de ha
akkor z = p2 és kioltják egymástEz a lead compensation
A gyakorlatban becslések alapján, K=67 mellett meghatá-rozzuk CC valamint RC kezdő értékét.
Ezután szimulációval finomhangolunk
RC kiváltása tranzisztorral
A csatorna vezetése az origóban:
2009.11.23. GP. 32
G = dI/dU|UDS=0 = 2K(W/L)Uh
RC „floating”
A gate potenciálját a csatorna potenciáljából származtatjuk
2009.11.23. GP.
UGS
T12
Ubias
T11
T10
VDD
CC OUTQN
33
MŰVELETI ERŐSÍTŐK
OPTIMALIZÁLÁSI LEHETŐSÉGEK
GYAKORLATI KÉRDÉSEK
VISSZACSATOLT MŰVELETI ERŐSÍTŐK
TELJESÍTMÉNY ERŐSÍTŐK
2009.11.23. GP. 34
OPTIMALIZÁLÁSI LEHETŐSÉGEKKülönböző szempontok szerint
NAGY ERŐSÍTÉSKaszkód fokozat(ok) beépítésével
NAGY KIMENETI ÁRAMTERHELÉSKimeneti tranzisztorok W növeléseSource követö
NAGY KIMENŐ FESZÜLTSÉGTARTOMÁNY(rail-to-rail output)
A líneáris kivezérlés határa:UDS = Uh
alacsony Uh nagy W/LUhmin = 0.1 ... 0.2V
NAGY BEMENŐ FESZÜLTSÉGTARTOMÁNY(rail-to-rail input)
A differenciál páros lezár:Ucom=VT+2Uh és VT között
Felfelé:Ucom > VDD
N csatorna esetén: Ucom = 1 ... 5VP csatorna esetén: Ucom = 0 ... 3.9V
Rail-to-rail csak a kettő kombinációjával megy – nehéz
2009.11.23. GP. 35
KIS ZAJA zajkérdést mindig az első fokozatban kell megoldaniKét zaj-összetevő:
Termikus fehér zajFlicker (villódzási) zaj 1/f
Kedvezőbb a széles (nagy W/L) p-csat. diff. páros
KIS TÁPFESZÜLTSÉG„Feszültséggazdálkodás”3.3 volt alatt egyre nehezebbHa két tranzisztor „összenyit”: VTn + VTp > 2V
Differenciális erősítő min. közös módus: VT + 2Uh 1.2V
Kis tápfeszültséghez kis küszöbfeszültség:
VT ≈ 0.2VDD
KIS FOGYASZTÁSKis feszültség és/vagy kis áramfelvételKészenléti (stand-by) üzemmódAz áram csökkentésével a sebesség lassulKüszöb(feszültség) alatti üzem
GYAKORLATI KÉRDÉSEK
A BEMENETI OFSZET ÉS KOMPENZÁLÁSAA bemenetre redukált ofszet feszültségKimenet: AGNDEredet: aszimmetria, küszöbfeszültségek differenciájaGondos layout tervezés
2009.11.23. GP. 36
Ofszet kompenzáló áramkörök floating!!A hintakapcsolás kedvezően kompenzálható
Ofszet feszültség kompenzálása
A kompenzáló áram előállítása
A PROG programozó információ rendszer szintű.
Szakaszos működés esetén kondenzátor feltöltés2009.11.23. GP. 37
UOUT
AGND
R1 R2
UIN
RC
IC
GENERÁTOR
IREF
IC
PROG
MSB
TERMIKUS ÉS LAYOUT KÉRDÉSEKHőmérsékleti csatolások
A bemeneti fokozat szimmetriája
A bemeneti fokozat legyen a hőforrásoktól messze
A szimmetriatengelye a hőforrás felé mutasson
Termikus szimuláció
Építkezés egység-elemekből – szélhatások
Minden kis értékű egész számok arányából levezetve
(1:2, 2:3, 1:5, 4:5, stb.).
Common centroid struktúra:
A paraméterváltozások a hely függvényében lineárisok.
Kombinált elemeknél a geometriai centrum a mérték-adó
Több csoport azonos centrummal
VISSZACSATOLT MŰVELETI ERŐSÍTŐKCsak rezisztiv visszacsatolás
Ideális esetben a nyilthurkú erösítés végtelen
Követö és hinta kapcsolás
2009.11.23. GP. 38
A BB
A AB B
A B AB B
B A
A B
B
CB A
CA
1:2
1:1
2:31:1:1
1:1
Csak a referencia csomópontban (AGND) különböznek
Követö:
Av0 = 1 + R2/R1
Szélső esetben: R1=∞, R2=0 buffer A=1
Hinta:
Av0 = –R2/R1
Az erösítö bemenete virtuális rövidzár
A domináns pólus: p1 = ωT/Av0
Nagy a különbség a közös módusú igénybevételben
Ezzel összefügg az output voltage swing is
Az erősítés pontos beállításához az ellenállásokkal trük-
2009.11.23. GP. 39
R2
AGND
UIN
UOUT
R1
UIN UOUT
AGND
R1 R2
1. TELJESÍTMÉNY ERŐSÍTŐK
2. FESZÜLTSÉG-REFERENCIA (BAND-GAP REFERENCE)
3. ÁRAMREFERENCIA
2009.11.23. GP. 41
1. TELJESÍTMÉNY ERŐSÍTŐKKis kimenő impedancia, nagy feszültség és áram
A source-követő buffer kedvezötlen
A-oszt. teljesítményerősítő kétfokozatú műveleti erősítőből
Rail-to-rail kivezérlés, széles tranzisztorok, visszacsatolás
A hatásfok gyenge, ≤25%
I0 nyugalmi áram, kivezérlés közben I = 0 … 2I0
AB-osztály: IMax = 4I0 (8-10)I0
Ezzel a hatásfok: 50%
Elméleti háttér:
f(x) = (Z+x)2 – (Z–x)2 = 4Zx
Módosított inverter:
Nyugalmi bemenet: UBE0
Kimenet: AGND
A nyugalmi áram, I0 kicsi
2009.11.23. GP. 42
Ip
In
Iki = Ip-In
UBE
0 -I0
I0
Iki
UBE
UBE0
A feszültség eltolást MOS dióda valósítja meg, az elözö fokozatba beépítve.AB-osztályú végfokozat előerősítővel:
Kezdetben T3 és T6 vezet, a négyzetes karakterisztikák ki-egyenlítik egymást
Nagy kivezérlésnél az egyik lezár
Itt jön a felfelé görbülö négyzetes karakterisztika, de ellene dolgozik az átviteli karakterisztika telítödése ("lekonyulás")
A karakterisztika egyenetlenségeit (torzítás!) visszacsato-lás lecsökkenti.
Az áramkör nem robusztus, a munkapontbeállítás kényes!
2009.11.23. GP. 43
RL
T7
T6
T5
T4
T3
UBE
Ibias
T2T1
AGND
2. FESZÜLTSÉG-REFERENCIA (Band-Gap Reference)
Hídkapcsolás automatikus kiegyenlítéssel
műveleti erősítő végzi
A diódák: két diódának kötött pnp tranzisztor EB átmenete (n-zsebes CMOS technológia!)
UD1 a hőmérséklet függvényében csökken, UR1 pedig növekszik. A kettő kiegyenlítheti egymást.
UBG = UD1 + UR1
UD1 = UD2 + UR3
A diódák:
I = j0Aexp(U/UT)
j0 = konstT 3exp(-UG/UT)
Ekkorára kell UR1 pozitív hőmérsékletfüggését beállítani.
I1 = j0A1exp(UD1/UT) és I2 = j0A2exp(UD2/UT)
Az áramok aránya:
2009.11.23. GP. 44
I1
UR3
UBGG
A2 UD2
UR1
UD1
R3
R2 R1
I2
A1
Ez negatív (ca. -2mV/K°)
Az R3 –ra jutó feszültség:
UR3 I2 UR1
I2 = UR3/R3UR1 = I2R2 = UR3R2/R3 =
Eszerint UR1
1.teljesen kézben tartható,
2.az abszolút hőmérséklettel arányos:
A koefficiensek abszolút értékének meg kell egyezni:
És ebböl:
UBG = UD1 + UR1 = UG + 3UT
Szobahőmérsékleten:
UBG = 1120 mV + 3x26 mV = 1198 ≈ 1.2 V
Ez a feszültség –25° és +125° között 1mV-on belül állandó.
UD1 és UR1 600mV körül van.
Ha A2/A1 = R2/R1 = 8, akkor UR3-ra kb. 100mV adódik.
Minthogy az erősítőnél UCOM ≈ 600 mV, ezért p-csatornás bemenö fokozat kell.
n-zsebes CMOS technológia esetén csak npn tranzisztor van, a szubsztráttal közös kollektorral, ezért a struktúra módosul:
2009.11.23. GP. 45
3. ÁRAMREFERENCIARitkábban szükséges. Egyszerű megoldás: Band-Gap feszültség-referencia áramkör meg egy ellenállás – nem tökéletes.Áramtükrök stabilizálhatók úgy, hogy az Ubias-al vezérelt tranzisztorok meredeksége höfokfüggetlen marad:
Egységtranzisztorok
ID2 = ID1
W5=4W6
U5h=U6h/2
ID1RB = Uh6 / 2
gBn = gm6 = 1/RB
gBp = gm2 = gm6
A hömérséklet nem szerepel az összefüggésbenés ebből
2009.11.23. GP. 46
T3 T4
UBp
UBn
T2T1
RB
W5
T5 T6
VDD
W6
gBp
gBn
Az áramkörben pozitív visszacsatolás van, de stabil, ha
(W/L)5 > (W/L)6
Stabil akkor is, ha ID=0
Ellene start-up áramkör:
TL hosszú és keskeny
2009.11.23. GP. 47
T7
UBpTL
UBnT8
VDD
ZZ
ANALÓG KAPCSOLÓK
MINTAVEVÖ ÉS TARTÓ (S/H) ÁRAMKÖRÖK
KAPCSOLT KAPACITÁSÚ (SC) ÁRAMKÖRÖK
A REZGŐKONDENZÁTOR
INTEGRÁTOR KAPCSOLT KAPACITÁSSAL
SZIMULÁCIÓS NEHÉZSÉGEK
MŰVELETI ERŐSÍTŐ AUTÓZÉRÓVAL
2009.11.23. GP. 48
ANALÓG KAPCSOLÓKUDS=0 környezetében a tranzisztor vezérelhető ellenállás-nak tekinthetőIdeális kapcsoló: Nulla ↔ Végtelen ellenállás
Tranzisztor: ROFF ≈ ∞ de RON ≠ 0
A vezetés Uh-val közel egyenesen arányos:GON = gd(UDS=0) ≈ 2K·Uh
Jól használható kapacitív terhelés eseténA legegyszerűbb analóg kapcsoló áramkörök:
Rail-to-Rail üzem csak CMOS struktúrával lehetséges:
Alkalmazás: sample/hold, kapcsolt kapacitásos áramkörök
2009.11.23. GP. 49
~
UKI = 0 … (VDD – VT)
VDD
G~
UKI = VT … VDD
G
VDD
~
UKI = 0 … VDDVDD
GON=1/RON
UKI
VTN VTP
MINTAVEVŐ ÉS TARTÓ ÁRAMKÖRÖK(SAMPLE-AND-HOLD)
Analóg kapcsolók kapacitív terheléssel
Bekapcsolás: a kapacitás a kapcsolón keresztül feltöltődik
Kikapcsolás: a kondenzátor tartja a feszültséget
Kisülés a kapcsoló tranzisztor szivárgása miatt
Tartás 1 – 10 msec nagyságrendben
Zavaró hatás:
A kapcsoló pulzus kapacitív úton töltést injektál
2009.11.23. GP. 50
KAPCSOLT KAPACITÁSÚ (SC) ÁRAMKÖRÖKA REZGŐKONDENZÁTOR
Ide-oda kapcsolt kapacitás: rezgőkondenzátorNagyértékü ellenállások "utánzása"
Töltéstranszfer át nem lapolódó órajelekkel
Q1=CU1 Q2=CU2
Ekvivalens áram (I=Q/t) és ellenállás:
Iekv = f∙C∙(U1 – U2) Rekv = 1/(C· f )
Az áramszállítás szakaszos: τ =1/f
Csak akkor müködik, ha a kapcsolgatás frekvenciája lényegesen nagyobb, mint az üzemi frekvenciaMásodlagos effektusok: mint a S/H áramkörnélTöltés injektálás a gate-csatorna kapacitáson keresztülDummy tranzisztor ellenfázisban vezérelve:
Rail-to-rail üzem csak CMOS kapcsolókkal megy azzal a kompenzálás is megoldható2009.11.23. GP. 51
C
U1 U2
Rekv
C
Ø1
U1 U2
Ø2
Ø1 Ø2
Ø2Ø1
CU1 U2
Ø1 Ø2
INTEGRÁTOR KAPCSOLT KAPACITÁSSAL
Alkalmazás RC szürőkben, visszacsatolásra: kis C, nagy R
Példa: kapcsolt kapacitású integrátor
Ha AU ≈ ∞, akkor a kimenő jel a bemenet integrálja:
Ugyanez kisjelű feltételek mellett felírva:
Az integrálás időállandója pedig:
A kapacitások arányát IC-ben pontosan lehet méretezni
Az időállandót a frekvenciával kényelmesen és pontosan tudjuk szabályozni.
2009.11.23. GP. 52
C1
C2
Rekv
C
SZIMULÁCIÓS NEHÉZSÉGEKA kapcsolási frekvencia lényegesen magasabb, mint a feldolgozott jelek frekvenciája. A szimulációt a kapcsoló jel sok száz, esetleg sok ezer periódusáig kell futtatni sok idő.Kisjelű AC szimulációnál „keveredik” az idő és a frekvencia tartományban való szimuláció. Ez már nem idő kérdése.Nincs tökéletes megoldás, a tervezőnek itt nehéz dolga vanA tranziens szimuláció gyorsítható: funkcionális modell az erősítőknekAC szimuláció: a rezgőkondenzátorokat helyettesítjük az ekvivalens ellenállásukkal. Ez a csere befolyásolhatja a DC munkapontot
MŰVELETI ERŐSÍTŐ AUTÓZÉRÓVAL
Két működési fázis: előkészítés, végrehajtás Az előkészítő fázisban egy kondenzátort feltöltünk az erősítő ofszet feszültségére.A végrehajtási fázisban a bemenettel ellentétes polaritással sorba kapcsoljuk:
Előtöltéskor 1, 2 és 3 vannak zárva.
Az 1 kapcsoló feszültségkövető üzemet hoz létre.
A kimeneten „nulla+ofszet” jelenik meg.
2009.11.23. GP. 53
4
1
3 2
C4
AGND
A C kondenzátor feltöltődik az ofszet feszültségre
Normál üzemben a két 4 jelű kapcsoló bekapcsol
A negatív bemeneten a soros C kioltja az ofszetet.
A frissítési idő msec nagyságrendű
Hintakapcsolás autozéró kompenzálással:
Az 1 fázisban a kondenzátor feltöltődik az Uofszet -re
A 2 fázisban a bemenethez hozzáadódik a kondenzátorból az ofszet feszültség, és kompenzál.
2009.11.23. GP. 54
1
1
C2
AGND
DIGITÁLIS VEZÉRLÉSŰ ÁRAMGENERÁTORÁram-kimenetű D/A-konverter, többnyire áramtükrökbőlÁram-feszültség konverzió:
ÁRAMTÜKÖR GENERÁTOROKDuplázódó (1, 2, 4, 8, …) elemi áramgenerátorok
Common centroid elrendezésü egység-tranzisztorokKapcsolók a kimenet feléFeszültségre konvertált D/A átalakító:
Az áramgenerátorok fix feszültségre dolgoznak (AGND)A kapcsolók csak kapcsolnak.2009.11.23. GP. 55
U = RIGEN
AGND
RIGEN
UBIAS
I0
IR
W/L
2I0 4I0 8I0
1W 2W 4W 8W
UBIASIR
W/L
D0 D1 D2 D3
1W 2W 4W 8W
AGND
Kaszkód kapcsolók változó feszültséghez:
A kaszkód tranzisztorokat kapcsolónak is használjuk, UG2 és nulla között. (Analóg multiplexerrel vezérelve!)A minimális gate-feszültség:
UG2 = VT + 2Uh
Konstans áramfelvétel
Két kapcsoló tranzisztort ellenfázisban vezérelve az áramot a kimenetre vagy a tápforrásra irányíthatjuk.
Ezáltal az összáram-felvétel konstans marad, a rendszer-ben nem lesznek meredek áramugrások.
2009.11.23. GP. 56
UBIASIR
W/L 1W 2W
UG2
IGEN
D0 D1
UBIASIR
W/LD0 D1
1W 2W
IGEN
Pontosság/felbontás, monotonicitásA legnagyobb helyiérték bekapcsolása a kritikus
pl. 127-röl 128-ra7-8 bit még könnyen megy, esetleg 9-10 bitAlgoritmikus felépítésAlgoritmikus egységcellák„vond le és duplázd meg” A/D-C„felezd meg és add hozzá” – R–2R létra D/A-C
„felezd meg és add hozzá” CMOS környezetben áramtük-rök felhasználásával: két áramtükör és egy kapcsolható áramgenerátor
Egy egység layoutját megtervezzük és n-szer letesszük
2009.11.23. GP. 57
UA = VDD*k/2n
KAPCSOLÓK
RR R
2R2R2R 2R
n
k
D
BE
W
UBIAS
I
I0
W/L
I/2
I0
I/2+I0
W2W
W W
I/2 W
KI
A SZIGMA-DELTA A/D ÁTALAKÍTÁS
AZ ÉLVEZÉRELT KOMPARÁTOR
KOMPARÁTOROKRÓL ÁLTALÁBAN
AZ ÉLVEZÉRELT KOMPARÁTOR
A DÖNTÉSI SEBESSÉG BECSLÉSE
2009.11.23. GP. 58
A SZIGMA-DELTA A/D ÁTALAKÍTÁS
Analóg világ – digitális feldolgozásmixed-signal, (vegyes jelű) ASIC-ek
A szigma-delta A/D átalakítás
Pulzuskitöltés:
k/N = UA/VDD
és ebből
UA = VDD × k/N
Lassú müködés: teljes számlálási ciklus
A központi elem a komparátor2009.11.23. GP. 59
ANALÓGOUTPUT
DIGITÁLISINPUT
ANALÓGINPUT
JEL ELŐ-KÉSZITÉS D
AA
DDIGITÁLISFELDOLG.
DIGITÁLISOUTPUT
GO SZÁML. CL
a = N*UA/VDD
R
C
UA
REGISZTER LD
SZÁMLÁNC CYN = 2n
PULSE(UA/VDD)
UX ~ UA
CLK
AZ ÉLVEZÉRELT KOMPARÁTOR
KOMPARÁTOROKRÓL ÁLTALÁBAN
Döntési funkció
Ideális komparátor karakterisztikája:
Közelítés műveleti erősítővel: bizonytalanság a zaj miatt
Hiszterézises komparátor karakterisztika:
2009.11.23. GP. 60
?
UREF
UANAL0
1
UREF
UANALVSS
VDD
UREF
UANAL0
1
UREF
UANALKIMENET
Élvezérelt komparátor:
Pozitív visszacsatolás gyorsítja a döntést, az órajel felfutó éle kapcsolja be.
Kis különbségnél (<1mV) a zaj befolyásol
RAIL-TO-RAIL ÉLVEZÉRELT KOMPARÁTOR
Blokkvázlat:
A döntéshozó fokozat: félbevágott latch
a) Visszacsatolt inverter-latch:
2009.11.23. GP. 61
P-ERŐSÍTŐ
N-ERŐSÍTŐKOMP.
ÖSS
ZEG
ZÖ
ÁRAMFORRÁS
LAT
CH
Q
QNP
N
CLK
UREF
UANAL0
1
b) Az órajel a latchet kettévágja:
c) Az órajel a latchet ki-be kapcsolja
Ha CLK=0 Z=ZN=0, Q=QN=1
A felfutó órajel mindet VDD/2 közelébe hozza:
metastabil állapot, gyors billenés
INP és INN irányítják a döntést:
2009.11.23. GP. 62
Q
QNCLK
Q
QNCLK
INN INP
Z ZN
d) Az élvezérlés megoldása
Ha Z vagy ZN felmegy 1-be, KNOR = 0,
INP és INN lekapcsolódnak.
KNOR kapu megemelt komparálási szinttel
2009.11.23. GP. 63
Y
A B
Y
5V
5V
2,5V
A
KNOR
(B=0)
ZN
Q
CLK
INN KNOR
Z
INP
QN
A komparálás folyamata:
A DÖNTÉSI SEBESSÉG BECSLÉSECsak a döntéshozó fokozatbanLeglassabb döntés: ha UDIF ≈ UZAJ ≈ 100µVA pozitív visszacsatolt erösítöt kell modellezniA metastabil munkapontot kell megkeresniEhhez a transzfer karakterisztikát kell szimulálni:
2009.11.23. GP. 64
A0=63
A0=16
~5ns
CLK
5V
Z, NZt
NZ
Z
A metastabil munkapontban kell AC analízist végrehajtani, pólusokat meghatározni – egy fokozatra
A0 = 36dB 63, f0 = 1.55MHz
f1 = f0A0 = 63x1.55 = 97.6 MHz, szimulálva 112 MHz
Zárt hurokban az inverterek egymást hajtják
A megoldás:tehát U1 = U10 et/τ
ahol τ = 1/((A0-1)ω0)
U10 a kezdeti UDIF-töl függ
2009.11.23. GP. 65
Tranziens szimuláció:
UDIF=0 ideális egyensúly
UDIF=20µV, 200µV, 2mV, 20mV, 200mV
a döntés egyre gyorsabb
2009.11.23. GP. 66
TÁPFESZÜLTSÉG ELLÁTÁS:DC-DC KONVERTEREK
BEVEZETÉS, HÁTTÉR
FELFELÉ TRANSZFORMÁLÁS
(LEFELÉ TRANSZFORMÁLÁS)
2009.11.23. GP. 67
TÁPFESZÜLTSÉG ELLÁTÁS:DC-DC KONVERTEREK.
BEVEZETÉS, HÁTTÉR
Súly-, hely- és költségcsökkentés, hatásfok javítás
Eltűntek a hálózati transzformátorok.
Az 50 Hz-et dióda híddal (Graetz) egyenirányítják, kb. 300V
Erre kapcsolóüzemű tápegység, 10-100KHz
Telepes rendszerben felfelé is kell konvertálni
Elsösorban a vezérlö áramköröket lehet integrálni
A kondenzátort feszültségforrásról csak soros ellenálláson keresztül lehet feltölteni, a veszteség eleve 50%.
Az induktivitást veszteség nélkül "fel lehet tölteni" lineári-san növekvö árammal
I=(U/L)·t
W=LI2/2
Az induktivitás átkapcsolható egy másik áramkörbe, ahol energiáját más feszültség mellett adja le. A hatásfok 100%.
Az induktív bázisú egyenfeszültség átalakításnak három fő formája van:
Felfelé transzformálás (Step-Up)
Lefelé transzformálás (Step-Down)
Polaritás fordító átalakítás (Inverter)
Hosszútávon a kondenzátor áramának valamint az indukti-vitáson levő feszültségnek az átlaga nulla:
<IC> = <UL> = 0
2009.11.23. GP. 68
FELFELÉ TRANSZFORMÁLÁS (Step-Up, TV-booster ák.)
Elvi kapcsolás:
A K kapcsoló itt NMOS teljesítmény-tranzisztor
Jelformák:
2009.11.23. GP. 69
IDC
KITIC
IL
UTUDUB
RTIK
TP
tt2t1
IT
IL
K
IC
UT UDUB
IK
ID
Kezdetben a K kapcsoló zárása után:
IK=IL=(UB/L)·t IMAX = (UB/L)·t1
Kikapcsoláskor a polaritás fordul, az áram csökken. IMAX-ból t2 meghatározható:
t2 = IMAXL/(UTUB) = t1·UB/(UT–UB)
A szállított töltés:
Q = t2IMAX/2 = TPIT
A periódus:TP ≥ t1 + t2
Ez nem feltétlenül szükséges követelményA puffer megválasztása: A ∆UT ≈ Q/C ingadozás legyen elfogadható
Ez az áramkör nem stabilizáltKi kell egészíteni szabályzó áramkörrelMásodlagos effektusok csökkentik a hatásfokot
Mellékesen: induktív terhelések kikapcsolásakor túlfeszültség elleni védelem kell dióda
2009.11.23. GP. 70
LEFELÉ TRANSZFORMÁLÁS (Step-Down)Elvi kapcsolás:
Jelformák:
2009.11.23. GP. 71
K C ITIC
IL
UTUD
UB
RT
IB
ID
TP
tt2t1
IT
IL
K
IC
UT
UDUB
IB
ID
TÁPFESZÜLTSÉG ELLÁTÁS:
DC-DC KONVERTEREK
A KIMENÖ FESZÜLTSÉG STABILIZÁLÁSA
HÁROMSZÖG GENERÁTOR
SZIMULÁCIÓS PROBLÉMÁK
GYORSÍTÁS FUNKCIONÁLIS MODELLEKKEL.
2009.11.23. GP. 72
FESZÜLTSÉG SZABÁLYOZÁS/STABILIZÁLÁSKét zavaró tényező:
A bemeneti feszültség változhat A terhelő áram változhat
Szabályozás az időzítésen keresztül t1 szélessége, vagy TP periódus (frekvencia)
A kimenő feszültséget összehasonlítjuk egy referencia feszültséggel – pl. Band-Gap áramkörEgy lehetséges megoldás (t1 szab.):
Példa: Autóakkumulátorról → Notebook táplálása
UIN=12V-t STEP-UP konvertálja UOUT=19V-raA K kapcsolót a komparátor SW kimenete vezérliUOUT le van osztva UC=1.2 voltraAMP képezi UC-UREF-böl az ERR hibajeletAz SW kapcsolójelet a CMP komparátor állítja elö a RAMP háromszögjel és az ERR hibajel összehasonlításával.A szabályzó hurok kényes a beállításraNulla terhelésnél K ki sem nyitTúlterhelésnél t1 hosszát korlátozni kellA stabilitás függ a hurokerősítéstől (sebesség, lengések)
2009.11.23. GP. 73
AMPCMP
UC
RAMP
UREF UOUTSW
ERR
HÁROMSZÖGGENERÁTOR
STEP-UP
UB
K UTBAND-GAP
REFERENCIA
UIN
Emlékeztetönek: a Step-Up konverter elvi kapcsolása és jelformái:
2009.11.23. GP. 74
TP
tt2t1
IT
IL
K
IC
UT UD
UB
IK
ID
IDC
KIT
IC
IL
UTUD
UB
RTIK
A kapcsolójel kialakulása:
A háromszög-generátor
Kondenzátort áramtükrökkel töltünk és kisütünk
Az átkapcsolást az OP hiszterézises komparátor vezérli
OP kimenöjele (KISUT) kapcsolja egyszerre
Saját billenési szintjét LIM1 és LIM2
A töltöáram irányát
2009.11.23. GP. 75
RAMP
t1max
TP
ERR
EMAX
EMIN
SW
t1min
t
OP
RAMP
C
IREFLIM1
LIM2
KISUT
SZIMULÁCIÓS PROBLÉMÁKA szabályzókör szimulációja nem egyszerüA szimulációt nehezítik:
visszacsatolási hurkok és hosszadalmas szabályozási tranziensek
Iteratív fejlesztés – sok hosszú szimulációLehetöségek a fejlesztés gyorsítására:
Hierarchikus felépítés Blokkok önálló specifikációja és fejlesztése Könyvtár képzése, igénybevétele Összeépítés és verifikáció kis lépésekben Elöbb mindig a DC munkapont utána AC vizsgálat Funkcionális modellek átmeneti felhasználása
A jelen helyzetben könyvtárban lehet keresni: OpAmp Komparátor Band-Gap áramkör
Kezdetben ezek helyett funkcionális modellekA step-up konvertert meg kell méretezniA szimulációt lassítja a nagy C pufferkondenzátor, mert lassú a beállásGyorsítási lehetöség:
Kisebb kondenzátorral szimulálni Elötöltés a kondenzátornak – .ic V(UOUT)=xx
Az összeépítést nyílt hurokkal kezdjük – UOUT -nál bontunkA visszacsatoló osztót egy generátorral hajtjuk
2009.11.23. GP. 76
Összeépítés három lépcsöben
1. Osztó – AMP – Band-Gap:
Vizsgáljuk az ERR jel alakulását
2. Hozzávesszük a komparátort és a háromszög-generátortVizsgáljuk a SW jel alakulását
3. Felépítjük a teljes nyílt hurkot
Vizsgáljuk UOUT-ot a bemenet függvényében
Ha van stabil negativ visszacsatolt munkapont, akkor a hurkot lehet zárni.
Ha a zárt hurok müködik, akkor finomhangolás: UOUT pontos beállítása Vizsgálat változó terheléssel
2009.11.23. GP. 77
R2
R1
STEP-UPUOUT
ÁTALAKÍTÓ
Stabil munkapont
UOUT(Ki)=UOUT(Be)
UOUT(Be)
UOUT(Ki)
Problémák a belövésnél: A háromszög-generátor nem indult (start-up áramkör?) SW-t meg kellett bufferelni Zavaró visszacsatolás a közös MOS diódán keresztül
A demo áramkör 11 kHz-en működöttSzabályzási időállandó 1.5 msecEgy 8 ms-os teljes szabályzási szimuláció kb. 6 perc
Gyorsítás funkcionális modellekkelA rendszert funkcionális modellekkel egyszerüsítjük Referencia-feszültség: egyszerű feszültséggenerátor Háromszög-generátor: pulzusgenerátor Műveleti erősítők: feszültségvezérelt áramgenerátor el-
lenállással lezárva
Igy a vizsgálat mindössze ca. 30 mp-ig tart
2009.11.23. GP. 78
UREF
SWRA
MP
ERR
UC
UOUT
STEP-UP
UB
K UT
UIN
–
+
G–
+
G