W5. WZMACNIACZE PRĄDOWE,

WZMACNIACZE NAPIĘCIOWE O

WZMOCNIENIU ±1

Referencyjne źródła napięciowe lub
prądowe mają na celu wytworzenie źródeł
napięciowych lub prądowych o wysokiej
precyzji dokładności i stabilności.

 Napięcie/prąd wyjściowy powinny być

niezależne od temperatury.

 Napięcie/prąd wyjściowy powinny być

niezależne od zmienności procesów
technologicznych.

 Napięcie/prąd wyjściowy powinny być

niezależne od napięcia zasilającego.

1

1

2

v

OUT

≤ V

GG

+ |V

T0

|

V

MIN

= V

DS

(sat) = V

GS

- V

T0

= V

GG

- V

T0

ds

D

D

DS

DS

D

out

r

I

I

V

dv

di

r

















1

1

/

1

ŹRÓDŁO PRĄDOWE TYPU ABSORBCYJNEGO

(CURRENT SINK)

ŹRÓDŁO PRĄDOWE TYPU EMISYJNEGO

(CURRENT SOURCE)

3

LUSTRA PRĄDOWE JAKO NAJPROSTSZE WZMACNIACZE

PRĄDOWE

Następujące parametry charakteryzują lusto
prądowe:
Małosygnałowa rezystancja wyjściowa R

out

,

Małosygnałowa rezystancja wejściowa R

in

,

Minimalne dopuszczalne napięcie wyjściowe
V

MIN

(out),

Minimalne dopuszczalne napięcie wejściowe
V

MIN

(in)

Wzmocnienie prądowe A

i

Przy założeniu, że tranzystory są w pełni
symetryczne oraz przy pominięciu efektu
modulacji długości kanału, zależność można
uprościć do:

2

1

1

2

2

1

2

2

2

1

1

2

)

(

)

(

L

W

L

W

V

u

V

u

L

W

L

W

i

i

A

T

GS

T

GS

IN

OUT

i











4

WPŁYW NIEDOPASOWANIA TRANZYSTORÓW NA WZMOCNIENIE

PRĄDOWE

2

1

2

2

'

1

'

2

2

1

2

2

2

1

1

2

)

(

)

(

)

(

)

(

T

GS

T

GS

T

GS

T

GS

IN

OUT

i

V

u

V

u

K

K

V

u

V

u

L

W

L

W

i

i

A















5

WPŁYW NIEDOPASOWANIA TRANZYSTORÓW NA WZMOCNIENIE

PRĄDOWE

6

WPŁYW NIEDOPASOWANIA TRANZYSTORÓW NA WZMOCNIENIE

PRĄDOWE

7

I

REF

2

M

I

O

a)

3

M

4

M

1

M

U

GS

U

GS2

U

GS1

U

DS2

U

DS1

U

O

b)

U

GS

U

O

I

O

2U

U

GS

T







2 U

U

GS

T



M M obszar liniowy

1

2

,

M M obszar nasycenia

1

2

,

M obszar

nasycenia

M obszar

liniowy

1

2

Kaskodowe lustro prądowe: a) schemat ideowy, b)

charakterystyka

prądowo napięciowa





















O

REF

D

I

I

I

GS

GS

GS

GS

GS

DS

U

U

U

U

U

U

1

2

2

1

2

GS

DS

U

U



1

T

GS

O

U

U

U



2

Warunek nasycenia M

1,

M

2

8

I

REF

2

M

I

O

3

M

4

M

1

M

U

GS

U

GS2

U

GS1

U

DS2

U

DS1

U

O

U

GG

Niskonapięciowe lustro
prądowe typu “high swing”



















T

GS

GS

DS

GG

T

GS

DS

U

U

U

U

U

U

U

U

2

min

1

min

1

T

GS

T

GG

O

U

U

U

U

U

2

2

min









GS

GS

GS

U

U

U





1

2

Aby w układzie płynęły te
same prądy, to przy
jednakowych
tranzystorach, ich
napięcia U

GS

muszą być

takie same

Ostatni wzór pokazuje, że tranzystor wyjściowy nie wychodzi ze stanu nasycenia,
przy otrzymujemy niższej wartości minimalnego dopuszczalnego napięcia
wyjściowego, niż w przypadku zwykłego kaskodowego lusta prądowego. Jest to
obecnie najczęściej stosowane lusto kaskodowe.

9

KOMPLEMENTARNE PROSTE LUSTRO PRĄDOWE

Komplementarne lustro
prądowe – wzmacniacz
prądowy

Komplementarne lustro prądowe ze
zwielokrotnionym (dwukrotnym) wyjściem i
skalowanymi wzmocnieniami prądowymi.

Skalowanie wzmocnienia poprzezzmianę
wymiarów tranzystorów, zgodnie z ogólnymi
zasadami.

'

K

L

W

C

L

W

ox









10

KOMPLEMENTARNE LUSTRO PRĄDOWE „HIGH SWING”

a). Komplementarne , proste
lustro prądowe – wzmacniacz
prądowy

b). Komplementarne lustro prądowe
ze zwielokrotnionym (dwukrotnym)
wyjściem i skalowanymi
wzmocnieniami prądowymi.

Układ pracuje przy niskim napięciu
zasilającym, dlatego zastosowano:

V

bias n

= V

DD

V

bias n

= V

SS

2

SS

DD

C

V

V

V





W układach symetrycznych
potencjał masy
analogowej

:

11

KOMPLEMENTARNE LUSTRO PRĄDOWE „HIGH SWING” –

Wyjście nieodwracające i odwracające

V

V

DD

5

,

1



M

1

M

2

M

1a

M

1b

M

2a

M

2b

M

3

M

3a

M

4

M

4a

M

3b

M

4b

i

I

M

5

M

6

M

5a

M

6a

M

7

M

7a

M

8

M

8a

V

V

ss

0



i

I



B

A

i

I

b)

-1

-1

A

B

a)

i

I

i

o

I

I





'

i

o

I

I 

"

Komplementarne lustro prądowe „High Swing” –
Wyjście nieodwracające i dowracające
(Układ pracuje przy niskim napięciu zasilającym, dlatego
zastosowano:
V

bias n

= V

DD

V

bias n

= V

SS

Realizacja wzmacniacza napięciowego w oparciu o wzmacniacz

prądowy ze sprzężeniem prądowym

UPROSZCZONA KONCEPCJA WZMACNIACZA

OPERACYJNEGO ZE SPRZĘŻENIEM PRĄDOWYM

12

WZMACNIACZ PRĄDOWY Z SYMETRYCZNYM I

NIESYMETRYCZNYM WEJŚCIEM

Uproszczony schemat ideowy wzmacniacza prądowego: a). Układ z

jednym wejściem niesymetrycznym ; b). Układ z wejściem

symetrycznym

Schemat ideowy prostego wzmacniacza prądowego

z jednym wejściem niesymetrycznym i jego model zastępczy

13

Realizacja wzmacniacza

napięciowego w oparciu o

wzmacniacz prądowy ze

sprzężeniem prądowym

Analiza wzmacniacza operacyjnego ze

sprzężeniem prądowym

1

)

(

0





A

i

s

A

s

A



in

i

i

o

out

v

s

A

s

A

R

R

i

R

v































)

(

1

)

(

1

2

2

)

)(

(

)

)(

(

1

2

1

o

in

i

i

o

i

R

v

s

A

i

i

s

A

i









1

)

(

1

)

(

R

v

s

A

s

A

i

in

i

i

o





Gdzie
:

14

15

Analiza wzmacniacza operacyjnego ze sprzężeniem

prądowym (dodany wyjściowy bufor napięciowy o

wzmocnieniu k

u

= 1)

Wykorzystując zależności z poprzedniego slajdu, otrzymujemy wzmocnienie
napięciowe:













































































































































1

1

1

1

1

)

(

1

)

(

)

(

0

0

0

1

2

0

0

1

2

1

2

A

s

A

A

R

R

A

s

A

R

R

s

A

s

A

R

R

v

v

s

A

A

A

i

i

in

out

v









0

0

1

2

1

)

0

(

A

A

R

R

A











0

3dB

1 A

A











Gdzie A

v

(0) jest wzmocnieniem stałoprądowym, zaś

ω

-3dB

jest trzydecybelową

częstotliwością graniczną wzmacniacza ze sprzężeniem prądowym

Kształtowanie pola wzmocnienia wzmacniacza

operacyjnego ze sprzężeniem prądowym





]

dB

[

1

)

0

(

0

0

1

2

A

A

R

R

A











i

A

A

v

GB

R

R

A

R

R

A

A

A

R

R

A

GB

1

2

0

1

2

0

0

0

1

2

dB

3

1

1

)

0

(













































Pole wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego ze sprzężeniem prądowym

i

GB

GB

GB





1

2

16

Najważniejszą

właściwością

wzmacniacza

operacyjnego ze sprzężeniem prądowym jest
możliwość niezależnego kształtowania pola
wzmocnienia GB wzmacniacza. Możemy dobrać
jedną z rezystancji dla uzyskania maksymalnej
częstotliwości granicznej, a drugą rezystancję
tak

dobrać,

aby

uzyskać

potrzebne

wzmocnienie napięciowe.
Na rysunku na poprzednim slajdzie widać, że
3-dB częstotliwość graniczna wzmacniacza jest
stała, a ze wzrostem wzmocnienia rośnie pole
wzmocnienia wzmacniacza. Takiej właściwości
nie posiada żaden inny wzmacniacz.

i

GB

GB

GB





1

2

17

+

-

R

1

R

2

v

in

Current

Amplifier

+

-

Voltage

Buffer

v

out

v

out

i

2

i

1

i

o

i

o

i

in

ODWRACAJĄCY WZMACNIACZ OPERACYJNEGO

ZE SPRZĘŻENIEM PRĄDOWYM

18

19

PRZYKŁAD REALIZACJI PROSTEGO, ODWRACAJĄCEGO

WZMACNIACZA OPERACYJNEGO ZE SPRZĘŻENIEM

PRĄDOWYM

Biasing Wzmacniacz Wtórnik
prądowy
źródłowy

20

PRZYKŁAD REALIZACJI PROSTEGO, ODWRACAJĄCEGO

WZMACNIACZA OPERACYJNEGO ZE SPRZĘŻENIEM

PRĄDOWYM Z WYKORZYSTANIEM LUSTER PRĄDOWYCH

‚HIGH SWING’

Biasing Wzmacniacz Wtórnik
prądowy
źródłowy

21

CHARAKTERYSTYKA AMPLITUDOWA ODWRACAJĄCEGO
WZMACNIACZA OPERACYJNEGO ZE SPRZĘŻENIEM
PRĄDOWYM Z POPRZEDNIEGO SLAJDU

Niesymetryczny wzmacniacz
odwracający

o wzmocnieniu k

u

= --1

Małosygnałowy model
zastępczy
wzmacniacza:

22

4

4

2

3

3

1

2

1

0

ds

m

ds

ds

m

ds

m

m

i

o

u

g

g

g

g

g

g

g

g

u

u

k



















1

;

;

0

4

2

4

3

2

1

4

2

3

1





















id

o

u

m

m

ds

ds

ds

ds

m

m

m

m

u

u

k

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

Wzmocnienie napięciowe układu:

Dla
:

Niesymetryczny wzmacniacz odwracający o wzmocnieniu
k

u

= -1

































4

3

4

,

3

1

1

2

,

1

4

4

'

3

3

'

4

,

3

2

2

'

1

1

'

2

,

1

4

4

2

3

3

1

2

1

0

/

/

/

/











































D

D

P

N

D

P

N

D

ds

m

ds

ds

m

ds

m

m

i

o

u

I

I

L

W

K

L

W

K

I

L

W

K

L

W

K

I

g

g

g

g

g

g

g

g

u

u

k

Zawsze można tak dobrać wymiary tranzystorów, aby
wzmocnienie napięciowe układu było równe dokładnie „- 1”.

Podstawiajc:

Otrzymujem
y:

23





T

GS

Dsat

m

V

V

L

W

K

I

L

W

K

g







'

'

2

D

ds

I

g





24

Niskoomowy stopień wyjściowy na bazie wtórnika

napięciowego

A

ds

m

ds

ds

m

A

ds

ds

out

g

g

g

g

g

LG

LG

r

r

r

6

6

4

2

2

,

1

6

6

1













T

GS

Dsat

m

V

V

L

W

K

I

L

W

K

g







'

'

2

D

ds

I

g





25

Wtórnik napięciowy o wzmocnieniu
+1

Rezystancja wyjściowa układu
wynosi:





7

6

4

2

7

6

2

;

1

:

gdzie

;

1

ds

ds

m

m

ds

ds

o

o

of

g

g

g

g

LG

g

g

R

LG

R

R

















T

GS

Dsat

m

V

V

L

W

K

I

L

W

K

g







'

'

2

D

ds

I

g





26