МОСФЕТ операциони појачавачи

С Википедије, слободне енциклопедије
Пређи на навигацију Пређи на претрагу
Основна структура ЦМОС операционог појачавача
Детаљнија шема кола са слике 1

Основни МОСФЕТ операциони појачавач су тип операциониг појачавача израђених технологијом МОСФЕТ (енгл. Metal–oxide–semiconductor field-effect transistor).[1] Операциони појачавачи израђени на бази МОСФЕТ-ова ближи су идеалним карактеристикама у одосу на оне конструисане на бази биполарних транзистора.[2]

На слици је приказана упрошћена шема двостепеног операционог ЦМОС појачавача. Улазни степен је диференцијални појачавач са активним отпором повезан са другим степеном за напонско појачање. У овој структури је изостављен излазни степен, али се може додати ако постоји потреба за контролом над великим спољашњим потрошачима. Коло обезбјеђује добар опсег промјена синфазног сигнала, широк спектар промјена излазног напона, велико напонско појачање и велики фактор потискивања синфазног сигнала. Коло обезбјеђује једноставну компензацију стабилности увођењем доминантног пола уз помоћ једног кондензатора. Детаљна шема кола, када се идеални струјни извори замијене са одговарајућим струјним огледалима је приказана на слици 2.

Улазна и излазна отпорност[уреди | уреди извор]

Први степен операционог појачавача са слике 2 састоји се од П-каналоног диференцијалног појачавача (М1-М2), струјног извора М5, оптерећен са Н-каналним струјним огледалом (М3-М4). Други степен је састављен од појачавача са заједничким сорсом (М6) и активног оптерећења (М7). У суштини, улазна отпорност тежи бесконачно великој вриједности, под условом да нема потребе за заштитним диодама за њихове гејтове. I улазна отпорност другог степена, у суштини, тежи бесконачности. Излазна отпорност за ово коло ће бити:

(1.1)

Иако је ова отпорност обично много велика у односу на ону која се добија са биполарним операционим појачавачима опште намјене, ипак због велике улазне отпорности на појачавачу са МОС транзисторима то не представља посебан проблем.

Напонско појачање[уреди | уреди извор]

Ако се претпостави да је улазна отпорност другог степена бесконачно велика, тада је појачање првог степена за коло са слике 1 изражено сљедећом релацијом:

Гдје су и транскондуктанса и излазна отпорност првог степена. Одатле слиједи:

На сличан начин може да се одреди и појачање другог степена:

Гдје је одређено са изразом (1.1). Укупно појачање појачавача ће бити:

(1.2)

Израз показује да је појачање пропорционално са . Ако се зна да важи:

Слиједи да укупно појачање директно зависи од Еарлијевог напона употријебљених компонената (који је пропорционалан ефективној дужини канала) и од напона прага (подешен са поларизацијом елемената).

Степен примјене излазног напона[уреди | уреди извор]

Степен промјене излазног напона је дефинисан са максималним и минималним излазним напоном за који сви активни елементи раде у активном режиму и појачање које је одређено са изразом (1.2) је приближно константно. За коло са слике 2, М6 се налази у триодном подручју ако је излазни напон мањи од Вов6 – Всс. Слично, М7 ће бити у триодном подручју ако излазни напон буде већи од . Поред тога, за нормалан рад кола излазни напон треба да се налази у границама:

Неједнакост показује да ће операциони појачавач имати велико појачање ако је излазни напон (по апсолутној вриједности) нижи од напона напајања за вриједност напона прага. Ван ових граница барем један од активних елемената улази у триодно подручје рада.

Улазни напонски офсет[уреди | уреди извор]

За диференцијални појачавач са симетричним излазом, улазни напонски офсет се дефинише на као улазни напон за који ће диференцијални излазни напон бити нула. У случају кола са несиметричним излазом, ова дефиниција ће важити ако позитивни и негативни напон за напајање су исте величине. Ако пак важи да је VDD ≠ VSS, да би се обезбиједио максимално симетричан излазни напон, у статичком режиму, излазни напон треба да буде средња вриједност између два напона напајања. Зато, у овом случају, најбоље је ако се улазни напонски офсет дефинише као напон који је потребан да излазни напон у статичком режиму буде средња вриједност између позитивног и негативног напона напајања. (Са тим је обухваћен и случај када је VDD = VSS па излазни напон треба да се постави на вриједност 0).

Напонски офсет у једном операционом појачавачу се састоји од двије компоненте: систематски напонски офсет и случајни напонски офсет. Прва компонента је резултат топологије кола и постоји чак у случају и када су сви елементи међусобно подешени. Други параметар је посљедица неједнаких параметара елемената унутар кола за које се по претпоставци сматра да су потпуно идентични.

Системски напонски офсет[уреди | уреди извор]

Када су кола изведена у биполарној технологији, појачање на сваком засебном степену операционог појачавача може бити изузетно велико (изнад 500) јер производ обично износи изнад 1000. Због тога улазни напонски офсет зависи углавном од карактеристика првог (диференцијалног) степена. У колима урађеним у МОС технологији производ износи између 20 и 100, па се остварује релативно мало појачање по степену. Због тога може се десити да и други степен игра значајну улогу у укупном напонском офсету операционог појачавача.

За одређивање систематског офсета код појачавача са слике 2, извршена је модификација кола са раздвајањем на два одвојена степена (слика 3). Ако су улази диференцијалног степена уземљени иако су елементи међусобно подешени, тада напон VDS4 мора бити једнак напону VDS3. Тада важи VDS1 = VDS2, односно ID1=ID2=ID5/2. Значи, ако је VDS3 = VDS4, имаћемо и да је ID3=ID4= -ID5/2. Ово је јединствена радна тачка у којој ће струја која излази из дрејна M2 улазити у дрејн M4.

Slika 3. Kolo sa slike 2 sa odvojenim prvim i drugim stepenom

Sa druge strane, napon gejt-sors na M6 потребан да би излазни напон био између вриједности напојних напона, може да се разликује од излазног једносмјерног напона првог степена. Нека је нпр појачање првог степена 50. Онда ће било која разлика од 50 mV захтијевати улазни напонски офсет од 1 mV. Да би се подесио излазни напон на средњу вриједност напојих напона, треба да се обезбиједи да струје у дрејновима M6 и M7 буду исте и да оба МОС-транзистора раде у активном режиму.

Када је излаз првог степена повезан са улазом од другог, имамо да је VGS6 = VDS4. При потпуној усаглашености елемената и када су улазни напони једнаки нули важи VDS4=VDS3=VGS3 i Vt3=Vt4=Vt6. Отуда: , када унесемо:

и како је ID3=ID4=IID5I/2 и ID6=IID7I а будући да су напони на гејту и сорсу транзистора M5 и M7 међусобно једнаки, слиједи:

Ако параметри компонената задовољавају добијени услов, МОС транзистори М3, М4 и М6 ће радити у условима исте густине струје. Због тога и због чињенице да су напони гејт-сорс за ова три елемента међусобно исти, биће исти и њихови напони између дрејна и сорса. Сагласно са тим, под овим условима, излазни једносмјерни напон ће бити:

Да би се одредио систематски напонски офсет од ове вриједности излазног напона треба да се одузме жељена вриједност излазног напона када улазни сигнал има {(VDD-VSS)/2} и добијена вриједност се подијели са појачањем операционог појачавача. Добија се:

У овом изразу AV је појачање појачавача, дефинисано изразом (1.2).

Случајни напонски офсет[уреди | уреди извор]

Да би се објаснио случајни напонски офсет извршићемо анализу МОС-диференцијалног појачавача са омским оптерећењем приказаним као на слици 4. При томе у овој анализи ћемо занемарити утицај другог степена операционог појачавача са слике 2.

Слика 4. Н-канални МОС диференцијални појачавач

За коло са слике 4 ћемо посматрати једносмјерне сигнале VI1, VI2, VO1 и VO2. Нека је VID=VI1-VI2 и нека су отпорности које се налазе на дрејновима M1 и M2 међусобно различите (RD1RD2). За улазну контуру може се написати:

Напонски офсет ће бити она вриједност излазног диференцијалног напона VID за који ће диференцијални напон на излазу (симетричан излаз) VOD=VO1-VO2 бити нула. Да би излазни напон био нула за коло са слике 4, треба да буде испуњен услов ID1RD1=ID2RD2. Слиједи:

Неусаглашеност имеђу два слична параметра је обично мала у поређењу са апсолутном вриједности самих параметара. Да би се омогућило боље разумијевање сваке од ових малих разлика параметара на укупан офсет напона, извршићемо модификацију посљедњег израза са редефинисаним параметрима, па се даљим сређивањем добија:

Ако је неусаглашеност елемената мала, подкорјена величина овог израза је приближно једнака јединици. Ако је (1 + x)/2 , када x1, горњи израз може да се упрошћавањем сведе на:

Сада, ако је улазни напон једнак излазном напонском офсету, диференцијални излазни напон ће бити нула, односно важиће ID1RD1=ID2RD2. Слиједи:

, па се добија:

Први члан са десне стране произлази од разлике напона прага код МОС транзистора. Ова разлика је присутна само код МОС не и код биполарних транзистора. Ако се израз примијени на коло са слике 2, добија се:

Први члан са десне стране израза је резултат разлике напона засићења код улазних МОС-транзистора. Други члан је резултат разлике напона засићења под оптерећењем добијених са струјним огледалом. Ова разлика може да се смањи са одговарајућим избором односа W/L, при чему ће се њихове транскондуктансе знатно смањити у односу на оне на улазним МОС транзисторима. Значи ако се дужине канала код М3 и М4 направе знатно дужим у односу на дужину канала код М1 и М2, тиме се може смањити случајни улазни напонски офсет. Трећи члан у једначини је резултат разлике односа W/L улазних МОС-транзистора и оптерећења и може се смањити ако улазни МОСФЕТ-ови раде на малим вриједностима напона засићења (типичне вриједности су од 50 до 200 mV).

Фактор потискивања синфазног сигнала (ЦМРР)[уреди | уреди извор]

Основна дефиниција фактора за потискивање је:

гдје је CMRR1 фактор потискивања првог степена. Други ниво који има неуравнотежен улаз и излаз не ствара неуравнотежено појачање синфазног сигнала и не утиче на фактор за потискивање појачавача. Коначно, ЦМРР фактор износи:

Израз показује да CMRR фактор може бити повећан смањењем напона засићења активних елемената.

Закључак[уреди | уреди извор]

Напон засићења МОСФЕТ-а може се смањити смањењем односа између његове струје дрејна и W/L. Дакле, смањење напона засићења код елемената операционог појачавача побољшава перформансе повећањем појачања:

Сви претходно наведени закључци из овог текста ће важити само уколико Мосфетови раде у подручју јаке инверзије. Исто тако, повећањем дужине канала повећава се Ерлиев напон, па се повећава појачање, ЦМРР и ПСРР. С друге стране, преносна функција МОС-транзистора је пропорционална напону засићења и обрнуто је пропорционална квадратном коријену дужине канала. Зато при пројектовању ових кола треба да се нађе оптимална веза између ових параметара.

Референце[уреди | уреди извор]

  1. ^ Yухуа Цхенг, Цхенминг Ху (1999). „§2.1 МОСФЕТ цлассифицатион анд оператион”. МОСФЕТ моделинг & БСИМ3 усер'с гуиде. Спрингер. стр. 13. ИСБН 978-0-7923-8575-2. 
  2. ^ У.А.Баксхи, А.П.Годсе (2007). „§8.2 Тхе деплетион моде МОСФЕТ”. Елецтрониц Цирцуитс. Тецхницал Публицатионс. стр. 8—2. ИСБН 978-81-8431-284-3. 

Литература[уреди | уреди извор]

Спољашње везе[уреди | уреди извор]