Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Оглавление
Задание на курсовой проект 3
Теоретическая часть 4
«Телескопический» ОИТУН 7
«Изогнутый» ОИТУН 15
Вывод 22
Список используемой литературы 23
Задание на курсовой проект
В данном проекте необходимо рассмотреть переходной процесс на полностью дифференциальном усилителе на конденсаторах.
Исходные данные варианта (вариант №50):
Нагрузочные емкости равны 2пФ.
Отношение сигнала к шуму S/N составляет 80 дБ
Полоса усилителя максимальна
Vdda=2 В
Потребляемый ток Isup=50мкА
Отношение C1/C2=4
Отношение сигнала к шуму S/N составляет 90 дБ
Полоса усилителя максимальна
Vdda=2 В
Потребляемый ток Isup=500мкА
Отношение C1/C2=4
Теоретическая часть
Диапазоны входного синфазного и выходного напряжений
Диапазон входного синфазного напряжения ОИТУН типа «изогнутый каскод» с р- канальными входными транзисторами такой же, как у дифкаскада с р-канальными входными транзисторами:
Шум каскодного усилителя
Квадрат шумового тока входного транзистора Min в каскодном усилителе на рис.5.7а равен: .
Рис5.7 (а) – Базовый каскодный усилитель; (б) – малосигнальная эквивалентная схема для расчета шумового тока каскодного транзистора.
Здесь – приведенное к затвору напряжение собственного шума транзистора Min; – крутизна по затвору этого транзистора.
Каскодный транзистор M2 согласно эквивалентной схеме на рис.5.7б (при расчете шума схемы на затворе транзистора Min – постоянный потенциал) является повторителем для приведенного ко входу его источника шума , причем нагрузкой служит сопротивление сток-исток в пологой области ВАХ во входном транзисторе Min. При этом представлении учтено, что для малого сигнала (шум, очевидно, является малым сигналом) конденсатор выполняет роль виртуального источника питания. Потенциал «повторяет» переменный потенциал на затворе, т.е. , а величина шумового тока, производимого в M2 определяется резистором :
.
Сравним шумовые токи обоих транзисторов, для чего проанализируем их отношение и учтем, что приведенные ко входу среднеквадратичные шумы транзисторов Min и M2 при топологически одинаковых размерах Min и M2почти одинаковы, т.е. :
(5.47)
Соотношение (5.47) показывает, что шумом каскодного транзистора всегда можно пренебречь.
Введение в материал для отчёта
Шум на выходе ПК-интегратора обусловлен двумя составляющими:
(А) шум выборки на конденсаторе C1, приблизительно равный , (увеличение параметра kT/C1 приблизительно в 1,5 раза учитывает проникновение на вход ОИТУНа его собственного шума через конденсатор обратной связи C2).
(Б) «прямой» шум на выходе ОИТУНа.
При расчёте будем считать среднеквадратичную величину шума следующей:
(8)
Величина C1 получается, исходя из задания в Таблице, (где показаны данные в разделе «Отношение сигнала к шуму S/N (дБ)») и формулы (8). Здесь подразумевается:
, a
Точность результата (или величина недостижения результата) на выходе приблизительно равна величине. Разумно предположить, что эта же величина, характеризующая точность процесса, должна быть сравнима со среднеквадратичным шумом N на выходе усилителя, в принципе ограничивающая точность любого процесса. В целях простоты, предположим и установим, что величина как раз равна среднеквадратичному шуму усилителя, т.е. мы установили . Значение K0 можно рассчитать из этой формулы, однако рассчитанное таким образом значение K0 зависит от произвольной величины ΔVin. Необходимо вместо ΔVin выбрать параметр, внутренне присущий ОИТУНу и который по величине может быть входным сигналом. Таким параметром является ΔVout(max). Таким образом, с учётом всех предыдущих допущений получаем:
(9)
Минимально необходимое значение K0 рассчитывается из формулы (9).
Расчётная часть
При моделировании телескопического и изогнутого ОИТУНа использовалось питание 3 В, так как 2 В для данных моделей транзисторов слишком мало. При 1,5 В в схеме формирования режимных потенциалов р-канальные транзисторы в составе диода (М32 и М33 на рисунке 1) имеют напряжения Vds=Vt0+ΔVon. У данных р-канальных транзисторов Vt0=0,8 В, в результате чего падение напряжения на них составляло 1,9 В. То есть на затворы транзисторов М59 и М55 подавался отрицательный потенциал, в результате чего схема работала неправильно.
Коэффициент усиления:
Рассчитаем коэффициент усиления исходя из требуемого значения S/N:
Пусть оба слагаемых в правой части равны.
Рассмотрим 1 случай:
для расчёта необходимо перевести значение S/N =80 дБ из децибел в разы:
Теперь переведём полученное значение в децибелы и получим требуемое значение коэффициента усиления:
Рассчитаем коэффициент усиления разомкнутого усилителя (без обратной связи). Выразим коэффициент усиления через параметры транзисторов
Переведём в децибелы и получим теоретическое значение коэффициента усиления:
Рассчитаем коэффициент усиления замкнутого усилителя (с обратной связью), будем считать, что коэффициент усиления бесконечно большой, тогда выражение для коэффициента усиления схемы с обратной связью принимает простой вид:
Переведём в децибелы, получим:
Параметры усилителя:
wmos=64 мкм; (ширина транзисторов усилителя)
lmos=2,6 мкм; (длина всех транзисторов)
wbp=48 мкм; (ширина р-канальных транзисторов в схеме формирования режимных потенциалов)
wbn=16 мкм; (ширина n-канальных транзисторов в схеме формирования режимных потенциалов)
wmn=500 нм; (ширина транзистора М33)
lmn=3 мкм; (длина транзистора М33)
wmp= 1 мкм; (ширина транзистора М62)
lmp= 1 мкм; (длина транзистора М62)
idc= 10 мкA; (источник тока в схеме формирования режимных потенциалов)
Практическая часть
Рисунок 1 – «Телескопический» ОИТУН с n-канальными входами, схема формирования постоянных потенциалов и схема синфазной обратной связи.
Рисунок 2 - Схема для определения К0 «телескопического» ОИТУНа
Рисунок 3 – Параметрический анализ для выбора параметра lmos
Для подбора длины транзисторов усилителя использовался параметрический анализ 0,35 мкм до 4 мкм с шагом 0,25 мкм. Наиболее эффективный коэффициент усиления был достигнут при 2,6 мкм. Аналогичный анализ был проведён и для ширин, но не было получено каких-либо значительных улучшений или ухудшений работы схемы.
Рисунок 4 – Увеличенный результат параметрического анализа для выбора параметра lmos
Рисунок 5 – АЧХ усилителя
К0=91,14 дБ
Рисунок 6 – Схема для проведения АЧХ, ФЧХ и временного анализа (с емкостями обратной связи)
Рисунок 7 – Полученные АЧХ и ФЧХ
Гц
Запас фазы РМ= -180°+226°=46°
Рисунок 8 – Результаты проведения временного анализа
=1,223В
=-1,215В
350мВ;
мкс;
Расчётная часть
Коэффициент усиления:
Рассчитаем коэффициент усиления исходя из требуемого значения S/N:
Пусть оба слагаемых в правой части равны.
Рассмотрим 1 случай:
для расчёта необходимо перевести значение S/N =90 дБ из децибел в разы:
Теперь переведём полученное значение в децибелы и получим требуемое значение коэффициента усиления:
Рассчитаем коэффициент усиления разомкнутого усилителя (без обратной связи). Выразим коэффициент усиления через параметры транзисторов
Переведём в децибелы и получим теоретическое значение коэффициента усиления:
Рассчитаем коэффициент усиления замкнутого усилителя (с обратной связью), будем считать, что коэффициент усиления бесконечно большой, тогда выражение для коэффициента усиления схемы с обратной связью принимает простой вид:
Переведём в децибелы, получим:
Параметры усилителя:
wmos=64 мкм; (ширина транзисторов усилителя)
lmos=4,1 мкм; (длина всех транзисторов)
wbp=48 мкм; (ширина р-канальных транзисторов в схеме формирования режимных потенциалов)
wbn=16 мкм; (ширина n-канальных транзисторов в схеме формирования режимных потенциалов)
wmn=500 нм; (ширина транзистора М33)
lmn=500 нм; (длина транзистора М33)
wmp= 1 мкм; (ширина транзистора М62)
lmp= 1 мкм; (длина транзистора М62)
idc= 10 мкA; (источник тока в схеме формирования режимных потенциалов)
Практическая часть
Рисунок 10 – «Изогнутый»ОИТУН с n-канальными входами, схема формирования постоянных потенциалов и схема синфазной обратной связи.
Рисунок 11 - Схема для определения К0 «изогнутого» ОИТУНа
Рисунок 12 – Параметрический анализ для выбора параметра lmos
Для подбора длины транзисторов усилителя использовался параметрический анализ 0,35 мкм до 4,5 мкм с шагом 0,25 мкм. Наиболее эффективный коэффициент усиления был достигнут при 4,1 мкм. Так же анализ был проведён и для ширин, но, равно как и для телескопического, не было получено каких-либо значительных улучшений или ухудшений работы схемы.
Рисунок 13 – Увеличенный результат параметрического анализа для выбора параметра lmos
Рисунок 14 – АЧХ усилителя
К0= 93 дБ
Рисунок 15 – Схема для проведения АЧХ, ФЧХ и временного анализа (с емкостями обратной связи)
Рисунок 7 – Полученные АЧХ и ФЧХ
Гц
Запас фазы РМ= -180°+231°=51°
Вывод
В ходе работы были спроектированы два однокаскадных усилителя. Параметры данных усилителей были выбраны оптимальными для получения максимального коэффициента усиления. Любые изменения приводили к снижению характеристик. Рассчитанные шумы являются крайне незначительными и заметного влияния на работу усилителей не оказывают.
Список используемой литературы
1. Баринов В.В., Круглов Ю.В., Тимошенко А.Г. Телекоммуникационные системы на кристалле, Часть 1: Основы схемотехники КМДП аналоговых ИМС. Учебное пособие. – М.: МИЭТ, 2007.
2. Баринов В.В., Круглов Ю.В. Телекоммуникационные системы на кристалле, Часть 2: Проектирование АЦП и ЦАП для систем цифровой связи. Учебное пособие. – М.: МИЭТ, 2008.
3. Методические материалы для подготовки к лабораторным работам по курсу «Основы схемотехники».