1. Amplificatorul în conexiunea sursă comună cu sarcină ... · siunea de intrare furnizată de sursa V in se variază liniar între -100mV și 100mV cu pasul de 0.1mV. Comanda

CIA – Laborator 5 – Amplificatoare simple

1

1. Amplificatorul în conexiunea sursă comună cu sarcină rezistivă Schema de test (amp-sarcinaR.asc):

Exerciţii propuse:

1. Dimensionați amplificatorul pentru GBW>20MHz și CL=1pF. Pentru ca circuitul să îndepli-nească specificațiile impuse în ciuda efectelor parazite (capacități, gmb), parametrii se consi-deră mai mari cu un factor 1.5–2 (de exemplu proiectarea se va face pentru GBW=30MHz).

Indicații:

a. din expresia produsului amplificare-bandă (GBW) se calculează transconductanţa gm a tranzistorului de intrare;

b. se alege o valoare uzuală pentru tensiunea Vod a tranzistorului de intrare (de exemplu 200mV);

c. utilizând transconductanţa şi Vod se determină curentul prin amplificator; d. ştiind curentul, Vod şi VTh se calculează geometria tranzistorului W/L, respectiv com-

ponenta continuă a tensiunii de intrare, VinCM1; e. se alege componenta continuă a tensiunii de ieşire (VoutDC) aproximativ egală cu

VDD/2 pentru a permite un domeniu larg de variaţie al tensiunii instantanee în nodul de ieşire;

f. din VoutDC şi curent se determină valoarea rezistenţei.

2. Verificaţi PSF ale componentelor şi ajustaţi circuitul pentru a se conforma calculelor de mâ-nă. Completaţi următorul tabel:

VGS VDS VTh VDsat ID gm rDS R M1

3. Utilizând formulele de la curs și parametrii din tabelul de mai sus, estimați câștigul de joasă frecvență și produsul amplificare-bandă;

4. Estimaţi domeniul util de variaţie al semnalului la ieşirea amplificatorului şi verificaţi valoa-rea obţinută prin simularea caracteristicii de transfer (Vout/Vin) în curent continuu;

5. Ridicaţi caracteristicile de frecvenţa ale amplificatorului. Măsuraţi A0, frecvenţa polului do-minant (fp=BW) și produsul amplificare-bandă GBW. Se va observa prezenţa zeroului para-zit, datorat efectului Miller;


2

6. Simulaţi răspunsul în timp al amplificatorului la un semnal sinusoidal de intrare cu amplitu-dinea variabilă de 5mV, 10mV, 20mV şi frecvenţă 1kHz. La ce valori se limitează tensiunea de ieşire dacă amplitudinea semnalului de intrare este de 20mV?

7. Repetaţi exerciţiile 1-6 pentru celălalt amplificator din schema de test.

2. Amplificatorul în conexiunea sursă comună cu sarcină sursă de curent Schema de test (amp-sarcinasrs.asc):

Exerciţii propuse:


Indicații:


b. se aleg valori uzuale pentru tensiunile Vod ale celor două tranzistoare (de exemplu 200mV);

c. utilizând transconductanţa şi Vod a tranzistorului de intrare se determină curentul prin amplificator;

d. ştiind curentul, Vod şi VTh se calculează geometria tranzistoarelor W/L, componenta continuă a tensiunii de intrare (VinCM1) respectiv tensiunea de polarizare din grila tranzistorului din sarcină (V3);

e. se alege componenta continuă a tensiunii de ieşire (VoutDC) aproximativ egală cu VDD/2 pentru a permite un domeniu larg de variaţie al tensiunii instantanee în nodul de ieşire;

9. Verificaţi PSF ale componentelor şi ajustaţi circuitul pentru a se conforma calculelor de mână. Completaţi următorul tabel:

VGS VDS VTh VDsat ID gm rDS M1 M2


3






3. Amplificatorul cascodă Schema de test (amp-cascoda.asc):

Exerciţii propuse:

15. Dimensionați amplificatorul pentru GBW>20MHz și CL=2pF.

Dimensionarea amplificatorului înseamnă determinarea tensiunilor de polarizare V1, V3, tensiu-nea de mod comun de la intrare VinCM1 și a geometriilor pentru toate tranzistoarele din circuit astfel încât parametrii să corespundă cu cele din specificații.

În primul pas se scrie dependența produsului amplificare-bandă (GBW) de capacitate de sarcină. Din această relație se obține transconductanța amplificatorului (Gm) care este egală cu transconduc-tanța tranzistorului de intrare (gm1). Pentru ca circuitul să îndeplinească specificațiile în prezența efectelor parazite, parametrii se vor supradimensiona. În mod tipic produsul amplificare-bandă se va considera de 1.5-2 ori mai mare decât specificația minimă. Astfel, în calcule se folosește GBW= 30MHz.

12 61 2 2 1 10 30 10 188.5

2m

m m LL

GGBW G g C GBW S

C


4

În pasul al doilea se alege o valoare uzuală pentru tensiunea Vod, de exemplu 200mV. Curentul de polarizare al amplificatorului se calculează:

11

2 188.5 200 18.852 2

m odDm D

od

g VI S mVg I AV

În pasul al treilea se utilizează tabelul cu parametrii punctului static de funcționare de referință pentru a determina geometria tranzistoarelor.

2

1,2

2

3

5 18.85 240 2.711 50 200 1

15 18.85 257 9.341 50 200 1

od refD

ref D ref od

od refD

ref D ref od

VIW WL L I V

VIW WL L I V

Corespunzător acestor geometrii rezultă parametrii arie și perimetru ale difuziilor drenă și sursă

21,2 1,2

1,2 1,2

23 3

3 3

2.71 0.2 0.54

2 2.71 0.2 5.83

9.34 0.2 1.872 9.34 0.2 19.1

AS AD m m m

PS PD m m m

AS AD m m mPS PD m m m

În pasul al patrulea se determină tensiunile de polarizare V1, V3.

1 2 1 2 11.5 200 446 100 300 1046GS DS od Thn Thn odV V V V V V V mV mV mV mV mV ,

unde VThn este tensiunea de prag pentru VBS=0V, ΔVThn compensează variația tensiunii de prag cu VBS iar 1.5Vod1 este tensiunea drenă-sursă a tranzistorului M1.

3 3 3 3 200 446 2.354DD SG DD od ThpV V V V V V V mV mV V

În final se determină tensiunea de mod comun de la intrare VinCM1 și de la ieșire VoutCM. Valoarea VinCM1 este impusă de cerințele de polarizare al tranzistorului de intrare.

1 1 1 200 446 646inCM GS od Th nV V V V mV mV mV

Componenta continuă a tensiunii de ieşire (VoutDC) se alege aproximativ egală cu VDD/2 pentru a permite un domeniu larg de variaţie al tensiunii instantanee în nodul de ieşire, VoutDC=1.5V.

16. Verificaţi PSF ale componentelor şi ajustaţi circuitul pentru a se conforma calculelor de mâ-nă. Completaţi tabelul cu parametrii determinați din analiză.

Pentru verificarea punctelor statice de funcționare se rulează o analiză .OP. Citind potențialele nodurilor că tensiunea Vod1 este de 189mV, tensiunea drenă-sursă a tranzistorului M1 este de aproxi-mativ 109mV, astfel încât acest tranzistor este polarizat în regim liniar. Totodată, în urma verificării tensiunii continue de la ieșire se constată că aceasta este de 148mV care duce la probleme de polari-zare și funcționare defectuoasă a întregului amplificator.


5

Ajustarea Vod1 se face din tensiunea VinCM1, noua valoare fiind egală cu 660mV. Pentru a aduce tensiunea continuă de ieșire la 1.5V, se reglează iterativ sursa V3. Ajustarea conduce la V3= 2.2929V pentru care VoutDC=1.5V.

VGS VDS VTh VDsat ID gm rDS M1 660mV 305mV 446mV 199mV 17.4µA 135µS 324kΩ M2 741mV 1.2V 532mV 199mV 17.4µ 136µS 676kΩ M3 707mV 1.5V 446mV 189mV 17.4µ 131µS 510kΩ


Câștigul de joasă frecvență se estimează conform ecuației

0 1 3 2 2 1 1 3 135 510 68.8 36.8m out m DS m DS DS m DSA G R g r g r r g r S k dB

Banda estimată a amplificatorului și produsul câștig-bandă corespunzător vor fi

1 1 3122 2 510 1out L

BW kHzR C k pF

1 135 21.52 2 1

m

L

g SGBW MHzC pF


Tensiunea minimă și maximă de la ieșire se determină ținând cont de căderile de tensiune pe tranzistoare.

min 1 2 199 199 398OutN od odV V V mV mV mV

max 3 3 189 2.811OutN DD odV V V V mV V

Pentru verificarea excursiei maxime a semnalului de ieșire se rulează o analiză .DC în care ten-siunea de intrare furnizată de sursa Vin se variază liniar între -100mV și 100mV cu pasul de 0.1mV. Comanda Spice corespunzătoare va fi .dc Vin1 -100m 100m 0.1m. După rularea analizei se afișează tensiunea de ieșire V(OutN).


Diagramele Bode corespunzătoare amplificatorului cascodă analizat se obțin în urma unei anali-ze de curent alternativ .AC. Parametrii analizei se aleg astfel încât pe caracteristicile de frecvență să fie vizibile punctele importante. De exemplu, dacă banda estimată a amplificatorului este de aproxi-mativ 312kHz, pentru a vedea evoluția fazei, simularea trebuie să pornească de la frecvențe de ordi-nul kHz-lor. Similar, dacă zeroul parazit de înaltă frecvență este de interes, atunci limita superioară a gamei de frecvență acoperite trebuie să fie la zeci de GHz. Ținând cont de aceste valori, se impune


6

o variație decadică a frecvenței între 100Hz și 100GHz cu 100 de puncte afișate pe decadă. Coman-da Spice va fi .ac dec 100 100 100G.

Pentru a măsura amplificarea de joasă frecvență se poziționează cursorul pe palierul caracteristi-cii de amplificare, iar apoi se citește coordonata de pe axa Oy. Se observă că amplificarea A0 măsu-rată este aproximativ 36.5dB, corespunzătoare cu valoarea estimată din analiza punctelor statice de funcționare.

Banda amplificatorului se măsoară poziționând cursorul la 33.5dB pe axa Oy sau la -45o pe axa fazelor. Banda va fi frecvența la care amplificarea scade cu 3dB sau faza scade cu 45o față de valoa-rea de joasă frecvență. Citind parametrii din fereastra de măsurare rezultă BW aproximativ egală cu 310kHz.

Produsul câștig-bandă se definește ca și frecvența la care caracteristica de amplificare taie axa Ox, adică amplificarea devine unitară (0dB). Poziționând cursorul la 0dB pe axa Oy, GBW măsurat va fi de aproximativ 20.4MHz.



7

Pentru simularea comportamentului în domeniul timp se rulează o analiză tranzitorie care să cu-prindă 3-4 perioade complete a semnalului. Frecvența tensiunii de intrare sinusoidale se alege sufi-cient de mică astfel încât semnalul să fie amplificat (palierul caracteristicii AC). De asemenea, pasul maxim de simulare trebuie să fie un compromis între precizia reprezentării și timpul de analiză. Pentru circuitele liniare o precizie și un timp de simulare rezonabil se obțin pentru 1000 de puncte pe perioada de semnal. La un semnal de intrare de 1kHz analiza poate fi rulată până la 3ms (3T) cu pasul maxim de 1µs. Comanda Spice corespunzătoare analizei tranzitorii va fi .tran 0 3m 0 1u.

Analiza parametrică cerută în enunțul exercițiului impune definirea amplitudinii semnalului de intrare ca și parametru. Totodată, simulatorul trebuie instruit să ruleze analiza tranzitorie pentru fie-care valoare de amplitudine considerată. Parametrul adițional se definește prin comanda .param Ain=10mV plasată pe schemă (Edit → Spice Directive sau iconița .op din bara de meniuri), unde Ain va fi amplitudinea variabilă a semnalului de intrare. Asocierea amplitudinii semnalului cu varia-bila Ain se face modificând sursa Vin astfel încât semnalul tranzitoriu definit să aibă sintaxa SINE(0 {Ain} 1k).

Analiza tranzitorie poate fi repetată pentru fiecare valoare specificată a Ain dacă pe schemă se adaugă o nouă comandă care să inițieze analiza parametrică. Sintaxa comenzii va fi .step param Ain list 5m 10m 20m. Comanda .STEP instruiește simulatorul să ruleze câte o analiză tranzitorie pentru valorile din listă ale parametrului Ain.

Amplitudinea tensiunii de ieșire corespunzătoare fiecărei valori ale Ain se poate măsura dacă în meniul Plot Settings se accesează opțiunea Select Steps și se alege curba rezultată din analiza tran-zitorie pentru fiecare Ain. Amplitudinile măsurate pe semnalele de ieșire fără limitare vor fi 1.83V pentru Ain=5mV (calculată ca 1.5V+Ain∙A0), 2.15V pentru 10mV. Pentru amplitudini de intrare mai mari, excursia semnalului de ieșire va fi limitată la 2.75V.


4. Amplificatorul cascodă simetrică Schema de test (amp-cascoda-simetrica.asc).

Exerciţii propuse:


Indicații:


8


b. se aleg valori uzuale pentru tensiunile Vod ale tranzistoarelor (de exemplu 200mV); c. utilizând transconductanţa şi Vod a tranzistorului de intrare se determină curentul prin

amplificator; d. ştiind curentul, Vod şi VTh se calculează geometria tranzistoarelor W/L, componenta

continuă a tensiunii de intrare (VinCM1) respectiv tensiunile de polarizare (V1, V2, V3); e. se alege componenta continuă a tensiunii de ieşire (VoutDC) egală cu VDD/2 pentru a

permite un domeniu larg de variaţie al tensiunii instantanee în nodul de ieşire;

23. Verificaţi PSF ale componentelor şi ajustaţi circuitul pentru a se conforma calculelor de mână. Completaţi următorul tabel:

VGS VDS VTh VDsat ID gm rDS M1 M2 M3 M4







9

5. Amplificatorul cascodă pliată Schema de test (amp-cascoda-pliata.asc):

Exerciţii propuse:


Indicații:


b. se aleg valori uzuale pentru tensiunile Vod ale tranzistoarelor (de exemplu 200mV); c. utilizând transconductanţa şi Vod a tranzistorului de intrare se determină curentul prin

tranzistorul de intrare; curentul prin etajul de ieșire cascodă poate fi considerat identic pentru simplitate;

d. ştiind curentul, Vod şi VTh se calculează geometria tranzistoarelor W/L, componenta continuă a tensiunii de intrare (VinCM1) respectiv tensiunile de polarizare (Vbiasn1, Vcasn1, Vcasp1, Vbiasp1);

e. se alege componenta continuă a tensiunii de ieşire (VoutDC) egală cu VDD/2 pentru a permite un domeniu larg de variaţie al tensiunii instantanee în nodul de ieşire;

30. Verificaţi PSF ale componentelor şi ajustaţi circuitul pentru a se conforma calculelor de mâ-nă. Completaţi următorul tabel:

VGS VDS VTh VDsat ID gm rDS Minn M1 M2 M3 M4


10






Documents

1. Amplificatorul în conexiunea sursă comună cu sarcină ... · siunea de intrare furnizată de sursa V in se variază liniar între -100mV și 100mV cu pasul de 0.1mV. Comanda