Verstärker

1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

Verstärker

„Common Source“ Kaskade CS mit Sourcefolger Kaskode

outmRg 2211 outmoutm RgRg 11 outm Rg outm Rg 1

foutmg CRgR 2221111 foutmoutfoutmg CRgRCRgR foutmg CRgR 11 outoutCR

fC

outR

gR

outC

1outR 2outR 1outR

2outR

outR

V

τ


Widerstand als Last

+

>Vth

-

+

-

>Vth

+

<Vth

A BC

A B C

A – Transistor sperrt

B – Transistor im Sättigung

B – Transistor im linearen Bereich

-

Vout

Vin


Widerstand als Last

Ids

Vds

sat

sat

I

LE

Vdssat

22 thgsox

dssat VVL

WCI

thgsdssat VVV

ds

satds I

LER

thgsoxgs

dssatm VV

L

WC

dV

dIg

2dssatm

ds

VgI

dssat

dsm V

Ig

2

Vgs1

Vgs2

Vgs3

2

2 dssatox

dssat VL

WCI

Vgs<Vt


Stromquelle als Last

V

IVin

Vout

dssatLVV min

dsLmRgA

dsLmLmmL

mLdsLm Rg

I

Vg

g

gRgA min

2

1

TL


Widerstand als Last

I

VR

I

VgRgA mm

I

V

R

Vin

Vout

dsLmLm RgI

VgA min

2

1

Stromquelle als Last

Widerstand als Last

V

I

TL


Stabilisierung

Vin

Vout

Vin=Vout

Arbeitspunkt


Diode als Last

22 thin

InIn

oxds VV

L

WCI

22 thout

LL

oxds VV

L

WCI

LLox

InInoxthinthout LWC

LWCVVVV

/

/

Vin

Vout Vout=vdd

A: Diode als NMOS B: Diode als PMOS


Linearer Spannung-Strom Wandler

22 thinox

out VVL

WCI

Versuchen wir die Kennlinie mithilfe einer Rückkopplung zu linearisieren


Linearer Spannung-Strom Wandler

T

GG OL

1

mOL gG 1 RgT m

RRg

gG

m

m 1

1

OC

SCDoutout T

TRR

1

1

RrR dsDout RgT mSC 0OCT

)1( RgrRR mdsout

Leerlaufverstärkung 1 Aol1

Leerlaufverstärkung 2 Aol2

Schleifenverstärkung T

Widerstand ohne Verstärkung

Schleifenverstärkung bei kurzgeschlossenen Knoten

Schleifenverstärkung bei offenen Knoten


Stromspiegel

IREF

)(UfI )(1 IfU

Biasspannung wird mit dem Spannungsteiler erzeugt. Der Biasstrom ist abhängig von Temperatur und Schwellespannung.

StromspiegelDer Biasstrom ist gut definiert


Stromspiegel - Parameter

mdssat g

IVV

2min

I

LErR satdsout

22 thgsox VVL

WCI

2

2 dssatox VI

WCL

2

2

I

VWECR dssatsatoxout


Stromspiegel mit Kaskode

mdssat g

IV

2

cascmcascdssat g

IV

2

dscascmcascdsOC

SCDoutout rgr

T

TRR

1

1



mdssat g

IV

2

cascmcascdssat g

IV

2

mdssat g

IVV

42min0

dsmdsout rgrR

dscascmcascdsout rgrR

dsmsat

out rgI

LER

2

0

2

I

VWECR satoxout

dsm

satoxout rg

I

VWECR

2

0

24

1

0V

Ohne Kaskode Mit Kaskode



thcascdssat VV

DC Ströme sind nicht gleich DC Ströme sind gleich


Stromspiegel AC Parameter

+

gm UIN-

UIN

rds

mmdsIN ggrR /1/1||

1/

11)()(

DgCgDIDU

mgesmING

1/)()()(

DgC

MDIgDMUDI

mgesINmGOUT

M

dbgsges CCMC 1

dbC

gdC

gsC

GU

INI

INI

GU


Differentielle Signale

1 2


Differentielles Paar

meq gR /1

+

gm UIN -

UIN

rds

mg/1 21m

m

m g

Rg

gG

dsout rR 2


Differentielles Paar

mg/1

21m

m

m g

Rg

gG

dsout rR 2


Differentielle Signale

)||2(21 Rg

V rdsm

)||2(22 Rg

V rdsm


„Common-Mode“ und Differentiell

v1 v2

2211 vAvAvout

vout



v1 v2=0

0211 AvAvout

vout



v1=0 v2

221 0 vAAvout

vout



v1 v2

222121

1

vvvvv

222121

2

vvvvv

21diff

cm

vvv

22diff

cm

vvv

2211 vAvAvout

diffcmout vAA

vAAv

2

2121

cmA diffA

vout

221 vv

vcm

12 vvvdiff



vcm vcm

v1 v2

vout

Vdiff/2 Vdiff/2

diffcmout vAA

vAAv

2

2121

cmA diffA



v1 v2

vout

Vdiff/2 Vdiff/2

diffout vAA

AAv

2

0 2121

diffA



vcm vcm

v1 v2

vout

02

2121

AA

vAAv cmout

cmA


Differentielle Verstärkung

Vdiff/2 Vdiff/2

v1 v2

21diff

cm

vvv

22diff

cm

vvv

diffdifcmcmout vAvAv

21diffvv

22diffvv

diffdifout vAv

0cmv


Differentielle Verstärkung

Vdiff/2 Vdiff/2

v1 v2

Gmdif Rdiff

diffmdiffdiff RGA


Differentielle Stromverstärkung

Vdiff/2 Vdiff/2

Masse~ Masse

Vdiff/2 Vdiff/2

V=0

21 iiiout

1i 2i

1i

0

meq gR /1


Differentielle Stromverstärkung

Vdiff/2 Vdiff/2

V=0

Vdiff/2

21diff

m

vgi

22diff

m

vgi

diffmout vgiii 21

mmdiff gG

1i 2i


Differentieller Widerstand



1/gm

dsout rR 2~

R )1( RgrRR mdsout

outR



1/gmM

2rds

OC

SCDoutout T

TRR

1

1

)1

2||(

mM

mM

dsdsMout

g

gr

rR

dsMdsout rrR ||

dsMdsmdiff rrgA ||

dsMr

,diffmdiffdiff RGA



2rds

OC

SCDoutout T

TRR

1

1

)2

2||( ds

dsMout

rrR

dsMdsout rrR ||

dsMdsmdiff rrgA ||

dsMr

,diffmdiffdiff RGA


Common-Mode Verstärkung

Vcm Vcm

v1 v2

21diff

cm

vvv

22diff

cm

vvv

diffdifcmcmout vAvAv

cmvv 1 cmvv 2

0diffv

cmcmout vAv


Common-Mode Verstärkung

Vcm Vcm Vcm Vcm

0cmA

1i 2i

0, 21 ii



v1 v2

diffcmout vAA

vAAv

2

2121

cmA

)||( dsMrdsmoutdifdiff rrgRGA

vout

cmA

0cmA

diffA


Differentieller Verstärker

Differentieller Verstärker Invertierender Verstärker Nichtinvertierender Verstärker


Verstärker mit einem Eingang

„Common Source“ Kaskade CS mit Sourcefolger Kaskode


Verstärker mit einem Eingang



Gmdif(D) Rdiff



2diffv

2diffv



1/

11

*1

DgC

IImMM

m

mMM

mdiffout g

DgC

gVIII

1/22*1

1/

12/

DgC

DgCgVI

mMM

mMMmdiffout

1

*1I1I

2I



cmv cmv



cmp

VD

DAI

11

+

-

m

sgsp g

CC )( sCA

cm

mgss

msm V

gCCD

DgCgI

1/

/1

sC

gsC

1I



cm

mgss

msm V

gCCD

DgCgII

1/

/21

1/

11

*1

DgC

IImMM

1/

/

1/

/

DgC

DgC

gCCD

DgCgVI

mMM

mMM

mgss

msmcmout

1I 2I

*1I

1*1 IIIout



1/

/

1/

/

DgC

DgC

gCCD

DgCgVI

mMM

mMM

mgss

msmcmout

1/

12/

DgC

DgCgVI

mMM

mMMmdiffout

sC

gsC

MC

mMg

mg



0 cmout VI

mdiffout gVI

1VVdiff

1VgI mout



dsMdsmdiff rrgA || dsMdsm rrgA ||


Zero - Kompensation

Transimpedanzverstärker(Strom – Spannungswandler)

Invertierender Verstärker

Buffer

Nichtinvertierender Verstärker

R1

R2

R1

R2

R1



dssatV

DynamikbereichAusgang

DynamikbereichEingang



dsMdsINout rrR ||

LC

1/

12/

1 DgC

DgC

DCR

RgA

mMM

mMM

Lout

outmINdiff

1

DCR

RgA

Lout

outmINdiff

MT

INT

)/1(|| Loutout DCRZ


Differentieller Verstärker mit Kaskode

dsCPCPdsMdsCNCNdsINout rgrrgrR ||

1

DCR

RgA

Lout

outmINdiff

LC

MT

INT

CPT

CNT

dsMdsC rr


Differentieller Verstärker mit Kaskode

LC

MT

INT

CPT

CNT

dssatV




Folded Kaskode




Folded Kaskode

dsMdsCNCNdsINdsCPCPout rrgrrgR ||

1

DCR

RgA

Lout

outmINdiff

INT

LT

CPT

CNT

MT

LC


Differentieller Stromverstärker

Differentieller Stromverstärker

0I 0I

01 Ii 01 Ii

21 ii

1i 2i


Symmetrischer Verstärker (CMOS OTA)

1

12

11

1)(

DgC

DgC

DgC

DCR

MRgDA

mMN

MN

mM

MN

mMP

MPoutout

outmIN

1M M1

dsMNdsMP

out rM

rR ||

MNC

MPCMPC

outC

MPT

INT

MNT



1M M1

MNC

MPCMPC

LC





)(log iT

log

log

0180

0

1p 2p

1p

090

1

12

11

1)(

Dg

C

Dg

C

DgC

DCR

MRgDT

mMN

MN

mM

MN

mMP

MPoutout

outmIN

dsMNdsMP

out rM

rR ||

dbgsMP CCMC 21

dbgsMN CCC 22

102 2 T 063M

out

m

MP

mMP

C

Mg

C

g2

out

m

C

MgT 10 GBW

GBW

Verstärker

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