1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Bolzmansche Formel
kTEenn /0
EmghE
dh
dEF
2 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Boltzmannsche Formel
kT
E
e
0
kT
mgh
e
0
-Q +Q
/QC
tAC ro /E -Q +Q
E
3 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Elektrisches Potential
-Q +Q
/QC
tAC ro /E -Q +Q
E
-Q +Q
pE
F
pE
4 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
MOS Transistor
N N
5 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Gate Spannung
N NN N
6 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Gate Spannung - Kanal
N NN N
7 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Gate Spannung - Kanal
N NN N
0 ψs = 26mV
n
ψ
ψs
VT
-Qs
Qs
8 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Gate Spannung - Kanal
N NN Nψs
VG
)('TGox VVCQ
Q‘ ( q/cm2)
Ladung pro Fläche
Oxydkapazität pro Fläche
-Q
-Qs
Qs+Q
9 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Strom
N NN N
VG Vds
10 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Strom
N NN N
VG Vds
dsTGoxnds
nn VVVCL
W
L
VWQESqI )('
Querschnitt
LadungsdichteMobilität
E-Feld
Breite/Lange des Gates
11 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Strom
N NN N
VG Vds
12 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Strom
N NN N
VG Vds
eVds
Vds
I
dsTGoxn VVVCL
WI )(
13 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Stromsättigung
N NN N
VG Vds
eVDB
VdsVdssat=Vgs-VT
Ilim
IsatI
2lim )( TGoxn VVC
L
WI
2)(2
1TGoxnsat VVC
L
WI
14 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Stromsättigung
N NN N
VG Vds
I
Vds
15 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Stromsättigung
N NN N
VG Vds
I
Vds
16 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Drain Spannung - Stromsättigung
N NN N
VG Vds
I
Vds
17 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Stromsättigung
N NN N
VG Vds
I
Vds
18 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Widerstand
Größere Spannung
Keine Spannung
Noch größere Spannung
F
I
Elektrostatische Wechselwirkung
I=0
Viskose Reibung. Konstante Kraft bewirkt den konstanten
Strom
19 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Widerstand (2)
Spannung
Keine Spannung
U
F
I
I=0
20 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Kondensator und Spule
dt
tduCti
)()(
dt
tdiLtu
)()(
+
+
U U
Analogie zu Kondensator Kleinere Spannung Größere Spannung
I -I
21 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Spule
KgKg KgKg
Kg Kg KgKg
F I ≈ 0, t = 0
Kg Kg KgKg
I>>0, Später
Keine Spannung
I=0
Trägheit statt ReibungBei konstanter Kraft steigt der Strom gleichmäßig
22 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker
Vout
Vin
23 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker
Vout
Vin
24 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker
Vout
Vin
25 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Kleinsignalparameter
TgsdsTGoxnsat VVVVVCL
WI ,)(
2
1 2
GG
satsat V
V
II
mG
sat gV
I
VG
ΔVG
ΔVG
gmVGVG
26 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker - gm
Vout
Vin
27 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker - Linearität
Vout
Vin
28 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker - Linearität
Vout
Vin
29 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker - Linearität
Vout
Vin
30 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker - Linearität
Vout
Vin
31 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker - Linearität
Vout
Vin
32 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker - Linearität
Vout
Vin
33 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker - Linearität
Vout
Vin
34 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker - Stabilisierung
Vout
Vin
35 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker - Stabilisierung
Vout
Vin
36 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker - Stabilisierung
Vout
Vin
37 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker – Stabilisierung mit Rückkopplung
Vout
Vin
38 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker – Stabilisierung mit Rückkopplung
Vout
Vin
39 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker – Stabilisierung mit Rückkopplung
Vout
Vin
40 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärker – Stabilisierung mit Rückkopplung
Vout
Vin
41 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärkung mit Rückkopplung
Vout
Vin
42 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärkung mit Rückkopplung
Vout
Vin
43 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärkung mit Rückkopplung
Vout
Vin
44 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Verstärkung mit Rückkopplung
Vout
Vin
45 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
AC Verstärkung
Vout
Vin
46 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
AC Verstärkung
Vout
Vin
47 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
AC Verstärkung
Vout
Vin
48 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
AC Verstärkung
Vout
Vin
49 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Rückkopplung
Rückkopplung – ein wichtiges Prozess in der Natur- Ein Teil des Ausgangssignals wird benutzt um das Eingangssignal zu
beeinflussen.- Regelung des Systems – negative Rückkopplung
50 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Rückkopplung (2)
Rückkopplung in Elektronik Vorteile
- Arbeitspunkt des Verstärkers mit Rückkopplung ist unempfindlich für Änderung des Prozessparameter und Temperatur
- Bandbreite ist höher- Linearität besser- Eingangs- und Ausgangsimpedanzen können angepasst werden.
Nachteile- Verstärkung wird kleiner- Gefahr vor Schwingungen- Millereffekt
51 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Einige Größen…
A
β
+Xs Xi Xo
A
β
+Xs Xi XoXi*
io AXX * soi XXX
soo AXAXX
A
AXX s
o 1
ii XX *
A
AA OLF
1
Closed-loop Gain (Gegenkoppelte Verstärkung)
Open-loop Gain (Lerlaufverstärkung)
Loop Gain – Return ratio (Schleifenverstärkung)
52 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Negative und positive Rückkopplung
OLF AA
OLF AA
Negative Rückkopplung
Positive Rückkopplung
A
AA OLF
1
Wenn AOL und βA Realzahlen sind, negative Rückkopplung bedeutet:
0A
ATT
AA OLF
;1
Wir definieren die negative Schleifenverstärkung T
53 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
„Messungen“ von AOL und T
A
β
+Xi XoXi*
A
β
+Xs Xi XoXi*
Test
T
AA OLF
1
s
oOL X
XA
i
i
X
XT
*
V VT
Leerlaufverstärkung Schleifenverstärkung
54 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Empfindlichkeit von AF
A
AAF
1
TA
A
AF
F
1
11
T
TAF
1
1
TA
1
lim F
TA
A (Leerlaufverstärkung) ist groß, aber stark Prozessabhängig. Rückkopplung wird normalerweise mit R und C aufgebaut
Wir rechnen die Empfindlichkeit von der rückgekoppelten Verstärkung auf die Änderung von A
55 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Rückkopplung und Linearität
Xi Xo
Xo
Xi
...2 iio BXAXX
A
B
)cos( 0t )cos( 0tA
)2cos( 0tB
+A
BHD
Ein Verstärker mit schlechter Linearität
Seine Verstärkung ist eine MacLaurinsche Reihe
Rot - Grundfrequenz
Blau – Die Oberwelle
Harmonic Distortion
(harmonische Verzerrung)
56 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Nichtlinearer Verstärker mit Rückkopplung
A
B
+
β
+
Die Rückkopplung verursacht auch die höheren Oberwellen, wir begrenzen unsere Analyse nur auf die erste
57 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Grundfrequenz
A
+
β
+
so XT
AX
1
)cos(1 0tT
AX o
)cos( 0tX s
)cos(1
10tT
X i
Xs
Xo
AT
58 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Oberwelle
A
B
+
β
+
Xs
Xo
)cos(1
10tT
)2cos(1 0tT
BX S
soo XAXX
T
XX s
o 1
)2cos()1( 02
tT
BX o
)2cos()1(
)cos(1 020 t
T
Bt
T
AX oges
TA
BHD
1
1
A
BHD Ohne RK war
Quelle für die Oberwelle
Eingang für die Quelle, Ergebnis von der letzten Folie
Mit RK
59 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Analyse von Schaltungen mit einer Schleife
PassivesNetzwerk
PassivesNetzwerk
Feedback
Xs
Xi Xi* Xo
FB
Xs Xi Xo
Xi*
Verstärker, leitet die Signalen nur in eine Richtung
Rückkopplung mit passiven Bauteilen, leitet die Signalen nur in beide Richtungen
Masse
Vereinfachtes Bild
60 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Analyse von Schaltungen mit einer Schleife
Xs Xi XoXi*
Xs Xi XoXi*iso XtXtX *
1211
V 0
11*
iXs
o
X
Xt
0
*12
sXi
o
X
Xt
Feedforward(Vorwärtsregelung)
Aktive Verstärkung
Aktive Verstärkung
Feedforward (Dead System Gain)
61 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Analyse von Schaltungen mit einer Schleife
Xs Xi XoXi*
Xs Xi XoXi*
osi XtXtX 2221 V
0
21
oXs
i
X
Xt
0
22
sXo
i
X
Xt
Signaldämpfung Rückkopplung
Signaldämpfung im Eingangsnetz
Rückkopplung
62 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Analyse von Schaltungen mit einer Schleife
osi XtXtX 2221
*1211 iso XtXtX
*ii XX
2212
211211
1 tt
ttt
X
XA
s
oF
0
21
oXs
i
X
Xt
0
22
sXo
i
X
Xt
Signaldämpfung am Eingang Rückkopplung
0
11*
iXs
o
X
Xt
0
*12
sXi
o
X
Xt
Feedforward(Vorwärtsregelung)
Aktive Verstärkung
Schleifenverstärkung
Leerlaufverstärkung
Dead system Gain
2212ttT 2112ttAOL
Schleifenverstärkung = =Aktive Verstärkung X Rückkopplung
Leerlaufverstärkung = = Aktive Verstärkung X Signaldämpfung im Eingangsnetz
63 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Die „Messungen“
Xs Xi XoXi*
V 0
11*
iXs
o
X
Xt
0
*12
sXi
o
X
Xt
Xs Xi XoXi*
V
0
21
oXs
i
X
Xt
0
22
sXo
i
X
Xt
Signaldämpfung am Eingang Rückkopplung
Feedforward(Vorwärtsregelung) Aktive Verstärkung
64 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs
Analyse von Schaltungen mit einer Schleife
Xi XoXi*
V
0
*2212
sXi
i
X
XttT
T
ttt
tt
ttt
X
XA
s
oF
11
211211
2212
211211
Leerlaufverstärkung
Feedforward Aktive Verstärkung X Signaldämpfung
Aktive Verstärkung X Rückkopplung