Proiect TPVLSIA

Nume: Nica Ioan AlexandruGrupa: 5407

/home/STUDENTS/ioan.nica/projects/TPVLSIA/project_TPVLSIA1. Oscilator Inel

Specificatii de proiectare: Frecventa : 530K Hz

Oscilatorul in inel este format din 3 integratoare legate ca in figura urmatoare:

Pentru a afla frecventa de oscilatie si castigul minim necesar startarii oscilatiilor se folosesc criteriile Barkhausen : Se considera in caluclele urmatoare ca amplificatoarele operationale sunt ideale. Pentru un singur amplificator avem :

Avand in vedere ca in bucla sunt 3 astfel de amplificatoare, transferul total pe bucla este: Faza transferului pe bucla este: . Avand in vedere ca pentru a obtine oscilatii, , alegand obtinem: => Inlocuind cu in expresia castigului obtinem: Cum rezulta usor ca . Ceea ce inseamna ca fiecare etaj trebuie sa amplifice cu minim 2. ( astigul unui etaj inversor este: ).Evident aceasta conditie nu poate fi indeplinita, amplificare v-a fi fie mai mare ca 2 (amplitudinea oscilatiei se limiteaza la sursele de alimentare), fie mai mica (circuitul nu oscileaza). Din aceasta cauza amplificatoarele se proiecteaza cu un castig mai mare ca 2, iar amplitudinea oscilatiei se fixeaza cu ajutorul unui circuit de limitare. Schema oscilatorului implementat este urmatoarea:

Pe langa oscilator, circuitul mai contine o sursa de curent, o referinta de tip bandgap un comparator, si un circuit de limitare cu diode.

A) Circuitul de limitare.Circuitul de limitare actioneaza asupra castigului amplificatorului. Cand tensiuna din iesire depaseste o anumita valoare, diodele intra in conductie, micsorand castigul etajului. Circuitul este prezentat mai jos: VyVx

In punct static de functionare este egal cu . Deci si sunt dati de urmatoarele ecuatii: In schimb in semnal , ceea ce inseamna ca si sunt dati de:

Tensiunile si sunt date de suma tensiunilor in PSF si in semnal. Astfel : Stiind ca dioda are o anumita tensiune de deschidere notata , putem afla tensiunile de intrare pentru care aceastea se deschid dupa urmatoaele relatii: ,inlocuind aici pe si si facand calcule obtinem: In calculele de mai sus, daca nu se inlocuieste si se poate obtine tensiunile pentru care diodele conduc. Astfel avem:

In figura de mai sus se prezinta circuitul de test pentru testarea limitarii. S-a folosit un amplificator operational ideal. Rezistentele si sunt constante (egale cu 1k ) iar si sunt variate de la 1k la 20k . Rezultatul este urmatorul:

ca o functie de timp

in functie de

B) Referinta de tip Bandgap

Schema referintei de tip Bandgap este urmatoarea: R1R2VxM3M4Q3Q1Q2M2

Mod de functionare: Circuitul se foloseste de reactia pozitiva introdusa de cele 2 oglizi de curent implementate cu ajutorul cascodei cu autopolarizare pentru a crea in sursele tranzistoarelor M1 si M2 tensiuni egale. Daca tranzistoarele si au arii diferite, atunci pe rezistenta R1 v-a cadea o tensiune a care valoare este egala cu diferenta dintre cele doua tensiune . ; =Daca aria lui este de ori mai mare ca aria lui atunci :, deci . Acest curent est oglindit prin intermediul oglinzii de curent formate cu tranzistoarele si in tranzistorul . Tensiunea este egala cu tensiunea ce cade pe rezistenta si pe tranzistorul . Circuitele de referinta de tip bandgap au ca scop crearea unei tensiuni de referinta ce intr-o anumita plaja de temperaturi este aproximativ constanta. Acest lucru este realizat be baza a doua tensiuni, una ce este direct proportionala si alta care este invers proportionala. In cazul tensiunii termenul invers proportional cu temperatura este tensiunea , iar cel proportional cu temperatura . Pentru a afla variatia tensiunii este necesara calcularea derivatei acesteia. Se stie ca variatia tensiunii este de aproximativ -2mV/, iar derivata termenului in raport cu temeperatura este: , unde: - = constanta lui Boltzmann = - = sarcina electronului. = 1.6* In general tensiuna ia valori in jurul lui 1.25 V. Avand in vedere ca circuitul are doua stari stabile, una in care si una in care rezulta ca circuitul are nevoie de startare, prezentat mai jos: In aceasta schma se comporta ca o rezistenta (tranzistorul este in trioda). Daca notam aceasta rezistenta cu , atunci tensiunea din grila lui v-a fi: . Daca bandgap-ul nu starteaza, tensiunea din sursa lui este 0, si acest tranzistor v-a injecta, un curent in circuitul de baza, startandu-l. Dupa ce acesta starteaza, tensiunea din sursa lui v-a fi desul de mare pentru a bloca acest trazistor, eliminand astfel circuitul de startare.

In interiorul referintei de tensiune este folosit un amplificator operational, cu rol de buffer, si un divizor rezistiv pentru a aduce tensiunea de iesire la 900 .C) AO BandgapStructura amlificatorului operational este urmatoarea:

Este folosit un amplificator in 2 etaje, cu compensare Miller, cu anulare pol-zero. Castigul acestui amplificator este: Circuitul are 2 poli principali (nu se tine cont de compensarea Miller): unul format in iesirea etajului diferential si unul in iesirea amplificatorului. Acesti doi poli sunt dati de urmatoarele ecuatii: , unde este dat de: , unde este dat de: Pentru compensare se foloseste compensarea de tip Miller cu cancelarea pol-zero. Schema echivalenta pentru ilustrarea principiului, este urmatoarea:

Daca nu ar fi rezistenta atunci condensatorul ar introduce un zero de valoare la pulsatia ce se afa in semiplanul drept. Pentru controlul pozitiei acestui zero s-a introdus rezistorul care introduce un pol suplimentar, sistemul avand acum 3 poli. Daca valoarea rezistentei este bine aleasa atunci se poate realiza anularea zeroului cu un pol nondominant. Valoarea zeroului prin introducerea lui v-a fi: . Implementarea compensarii este realizata cu azutorul circuitului alaturat. Tranzitorul este in trioda, fiind echivalent cu o rezistenta. Daca curentul prin este ales egal cu cel din (din schema mare) astfel incat atunci si v-a fi dat de:

Simulari Parametri AO-Bandgap1) Castigul si faza

2) Liniariteaa) Liniaritearea la 10 Hz nominam

b) Liniaritate la 10 Hz cornere

c) Liniaritate 100k Hz

d) Liniaritate 100k Hz cornere

3) CMRRa) Calculul CMRR

unde amplificarea de mod diferential si amplificarea de mod comun. Ne intereseaza in principal primului etaj. v-a fi dat de: , unde amplificarea de mod comun a primului etaj.Pentru aflarea lui se foloseste urmatoarea schema echivalenta de mai jos.Aici reprezinta rezistenta echivalenta a sursei de tensiune . Pentru un calcul mai usor, schema s-a modificat ca in figura din dreapta, si folosind metoda de calcul rapid obtine ca : Deci

In concluzie Simulari: Simularea in cornere a CMRRu-lui4) Raspunsul la treapta de semnal mare si semnal mic.a) Raspunsul la treapta mica

b) Raspunsul la treapta de semnal mare

c) PSRR

La iesirea amplificatorului se afla un divizor de tensiune ca aduce tensiunea din iesirea bandgapului la 900VSimulari Bandgap:a) Raspuntul tranzitoriua. Start-up lent

b. Start-up rapid

b) Variatia tensiunii de iesire cu temperatura

D) Sursa de curent Sursa de curent are urmatoarea schema:R1

Ea este compusa dintr-o sursa de curent de tip PTAT si un CTAT, curentii acestor doua referinte sumandu-se pentru a da panta de curent dorita. Referinta de curent PTAT nu o mai prezint, ea a fost prezentata referinta de tensiune de tip Bandgap, trebuie retinut doar ca, curentu generat are expresia: . In continuare voi prezenta doar referinta de curent de tip CTAT. Circuitul foloseste tensiunea a tranzistorului pentru a genera un curent ce este invers proportional cu temperatura. Tensiunea este mentinuta pe rezistor cu ajutorul reactiei negative. Condensatorul a fost introdus pentru compensare. Fara el bucla ar oscila, dupa cum se arata in print-screen.

Transferul pe bucla cu condensatorul

Transferul pe bucla fara condensatorul In final curentii generati de cele doua referinte de curent CTAT si PTAT sunt sumati in nodurile sumatoare, dand curentul de referinta.

Simulare in cornere a referintei de curent

E) Comparatorul Schema comparatorului este prezentata in figura de mai jos. Acesta este un comparator cu histerezis, cu reactie pozitiva interna data de de un latch. Modul de functionare: Presupunem intr-o prima faza ca este legat la tensiuna de referinta (fixam ), si este legat la o tensiune astfel incat . In acest caz tranzistorul si sunt blocate, iar este in trioda. Presupunem in continuare ca scade. Tranzistorul v-a ramane blocat pana cand | si | devin mai mari ca , ceea ce duce la fomarea buclei de reactie pozitiva si comutarea circuitului. Important de observat este ca atunci cand mai mare ca tranzistorul este deja in saturatie. In circuit exista si bucla de reactie negativa. Daca reactia negativa este mai puternica ca cea pozitiva, circuitul se va comporta ca un amplificator. Conditia de reactie pozitiva este urmatoarea:

Pentru a afla pragurile de comutatie presupunem ca se afla la marginea conductiei astfel incat se afla in saturatie. In acest caz avem: inlocuind in funcite de obtinem: , deci: si (1) (2)Scriind Kirchoff pe bucla ce contine obtinem: Inlocuind si cu formula (3) si , cu (1) se obtine tensiunea de prag . . In mod asemanator se poate deduce tensiunea .Al 2-lea etaj al comparatorului are rolul de a creste excursia de semnal.Simulari:a) Diagrame Bode

Simulare in nominal

Simulare in cornereb) Caracteristica de transfer Deoarece s-au folosit tranzistoare minime pentru acreste frecventa de operare, in cornere histerezisul prezinta variatii mari. Totusi acest lucru nu influenteaza performantele circuitului daca forma de unda obtinuta de la oscilatorul in inel are un mic.

Simulare in cornere

Simulare in nominalc) CMRR

d) Slew Rate

e) PSRR

F) Amplificatorul oscilatorului in inelSchema amplificatorului in inel este urmatoarea:

Schema a fost proiectata pentru castig mic, si liniaritate. Rezistentele de degenerare din sursele tranzistoarelor ce alcatuiesc etajul diferential din intrare avand scop de liniarizare a caracteristicii de transfer.Castigul diferential este dat de: (1) (2)Din (1) si (2) rezulta Polul dominant al acestui circuit este in iesire , si este dat de : , unde Simulare castiga) Diagrame BodePentru calculul CMRR se foloseste urmatoarea schema :

R4R3

Unde si = , fiind rezistenta echivalenta a sursei de curent.In concluzie Simulare CMRR

Simulare liniaritatea) Liniaritatea in nominal

b) Liniaritatea ca o functie de si

Simulare PSRR

Simulare semnal treaptaa) Treapta mica

b) Treapta mare

Simulari Oscilator: a) Forme de unda(nominal):

b) THD

c) Simulare in cornere

1. Regulator de tip LDO

Specificatii de proiectare: Curent maxim de iesire: 1mA Tensiunea de iesire: 1.8 V Tensiunea de intrare: 3V

Schema regulatorului de tensiune este prezentata mai jos:El este alcatuit dintr-un amplificator de eroare, o sursa de curent, o referinta de tip bandgap, un element serie (tranzistorul PMOS) si o retea de reactie formata din rezistente.

Mod de functionare:Atata timp cat tranzistorul PMOS se comporta ca o sursa de curent, tensiunea de iesire, datorita reactiei negative asigurata de amplificatorul de eroare v-a fi data de : . Aceasta tensiune v-a fi mentinuta in iesire atata timp cat amplificatorul ramane in zona de functionare liniara (pentru a asigura reactia negativa), si atata timp cat elementul serie (tranzistorul de tip PMOS) se comporta ca o sursa de curent. Parametrii importanti urmariti in simulare sunt:a) Line regulation, dat de: , care in cazul nostru este: b) Load regulation, dat de: , care in cazul nostru este:

c) Raspunsul tranzitoriu, la o variatie brusca a tensiunii din intrare sau a curentului din iesire

d) Transferul pe bucla. Deoarece sursa de curent si referinta de tip bandgap au fost prezentate anterior, voi prezenta doar amplificatorul de eroare.Schema sa este urmatoarea:Mod de functionare: Acesta este un amplificator in doua etaje, diferential la intrare si asimetric in iesire. Particularitatea este ca in iesire s-a folosit un etaj de tip cascoda, pentru a creste castigul amplificatorului si pentru a stabili polul dominant. Se observa ca in etajul cascoda, ambele tranzistoare au fost polarizate de la acelasi potentia. Acest lucru a fost posibil pentru ca s-au folosit tranzistoare cu diferit. De exemplu este tranzistorul de tip (high ), iar este (Low )Amplificarea de mod diferentail a etajului este urmatoarea: (1) (2)Din (1) si (2) deducem ca: Pentru CMRR se folosete urmatoarea schema echivalenta:

Aici si sunt egale cu 2 , unde este rezistenta echivalenta a sursei de curent. , si in concluzie

Simulari:a) Castigul si faza

b) CMRR

c) Liniaritate

d) Semnal treapta de amplitudine mare

e) Semnal treapta de amplitudine mica

Simulari LDO:a) Load regulation

b) Line Regulation

C) Castigul si marginea de faza pe bucla

D) Raspunsul da impuls de curent (worst case)

2. Convertorul Tensiune-Frecventa Schema covertorului tensiune frecventa este prezentata in figura de mai jos: M5M4M2M1

Sursa de curent este ce-a prezentata anterior. Au mai fost introduse doua ramuri. si . este un curent ce are o variatie foate mica cu temperatura, care trecut printr-o rezistenta genereaza o tensiune de referinta utilizata ca tensiune de referinta la comparator.. Este un curent ce are o variatie liniara cu temperatura, fiind folosit pentru incarcarea si descarcarea la curent constant a capacitatii, generandu-se astfel un semnal triunghiular. Acest semnal, fiind o functie de si . fiind o functie de temperatura rezulta ca semnalul este o functie de temperatura. Acest semnal este introdus intr-un comparator, generandu-se astfel un semnal dreptunghiular. A carui frecventa depinde de temperatura. Se realizeaza astfel conertorul temperatura frecventa. Comparatorul este acelasi ca in cazul oscilatorului si nu v-a mai fi prezentat.Generatorul de semnal triunghiular functioneaza astfel: fiind comandat de iesirea comparatorului, el actioneaza ca un comutator. In cazul in care el este circuitul este proiectat astfel incat sa fie in blocare. In acest caz v-a circula prin si . Deoarece sursele lui si sunt legate la acelasi potential, ele creaza o oglinda de curent. Deci prin v-a circula tot , (in cazul in care raportul de aspect al celor doua tranzistoare este egal) descarcand condensatorul la curent constant (am presupus blocat). Cand tensiunea de pe condensator depaseste a comparatorului acesta comuta si tranzistorul devine . Condensatorul se v-a incarca la curentul constant .Limita superioara a tensiunii de pe condensator este data de intrarea tranzistoarelor din sursa de curent in trioda. Limita inferioara a tensiunii de pe condensator este impusa de intrarea lui in conductie. El trebuie sa ramana blocat in timpul descarcarii condensatorului. Ceea ce implica: , deci v-a fi dat de: Pragurile comparatorului trebuie alse intre aceste doua limite pentru o functionare corecta. Se poate demonstra foarte usor ca frecventa de oscilatie a circuitului este data de:

Simulari:a) Frecventa in functie de temperatura

b) Teniunea de referinta in functie de temperatura

c) Forme de unda pentru T=27 grade