PŘEDNÁŠKA 3 - OBSAH Přednáška 3 - Obsah 1
Parazitní substrátový PNP tranzistor (PSPNP)
i 1
1.1
U NPN tranzistoru .................................................................................... 1
1.2
U laterálního PNP tranzistoru ................................................................... 1
1.3
Příklad: proudové zrcadlo ......................................................................... 2
2
Parazitní „body effect“ u NMOS tranzistoru (CMOS proces)
2
3
Operační zesilovač
3
4
3.1
Ideální operační zesilovač ......................................................................... 3
3.2
Operační zesilovač v neinvertujícím zapojení .......................................... 3
3.3
Operační zesilovač v invertujícím zapojení .............................................. 4
3.4
Elementární jednostupňový operační zesilovač ........................................ 5
3.5
Stabilita operačního zesilovače ................................................................. 6
3.5.1
Princip kmitočtové kompenzace ........................................................... 8
3.5.2
„Podkompenzovaný“ (rychlý) operační zesilovač ................................ 9
3.5.3
Kmitočtové charakteristiky kompenzovaného elementárního OZ ..... 10
3.5.4
Kompenzovaný elementární OZ s emitorovou degenerací................. 11
3.6
Symetrický koncový stupeň .................................................................... 12
3.7
Praktická realizace jednostupňového OZ v bipolárním procesu ............ 13
Jednoduchý proudový zdroj s nízkým
14
1
1.1
PARAZITNÍ SUBSTRÁTOVÝ PNP TRANZISTOR (PSPNP) U NPN tranzistoru
Obr.1: Parazitní tranzistor PSPNP u tranzistoru NPN (vlevo) a schématické znázornění (vpravo)
Parazitní substrátový tranzistor se aktivuje při saturaci NPN tranzistoru, tedy při malém NPN tranzistoru. To se projeví výrazným vzrůstem bázového proudu NPN tranzistoru.
1.2
U laterálního PNP tranzistoru
Obr. 2: Parazitní tranzistor PSPNP u laterálního PNP (vlevo) a schématické znázornění (vpravo)
Parazitní substrátový tranzistor PSPNP se aktivuje při malém PNP tranzistoru.
(tedy v saturaci)
1
1.3
Příklad: proudové zrcadlo
Obr. 3: Parazitní tranzistor PSPNP - proudové zrcadlo
Pokud dojde u NPN tranzistoru v proudovém zrcadle k saturaci, aktivuje se parazitní substrátový tranzistor PNPS a zrcadlo přestane správně fungovat ( ), protože výrazně vzroste bázový proud saturovaného NPN tranzistoru.
2
PARAZITNÍ „BODY EFFECT“ U NMOS TRANZISTORU (CMOS PROCES)
Obr. 4: Parazitní "BODY EFFECT" u NMOS tranzistoru
Kromě řádného hradla má neizolovaný MOS (zde NMOS) tranzistor ještě parazitní „BODY“ hradlo, které je tvořeno rozhraním KANÁL – BODY (jde vlastně o PN přechod). V klasickém CMOS procesu je BODY (P-substrát) NMOS tranzistoru uzeměno. Pokud stoupá napětí na SOURCE takového NMOS tranzistoru, parazitní BODY hradlo přiškrcuje kanál (rozšiřuje se depletiční vrstva PN přechodu který je mezi BODY P-substrátem a N-kanálem), což vede k růstu takového NMOS tranzistoru. To limituje použití NMOSŮ, které nemají uzeměný SOURCE.
2
OPERAČNÍ ZESILOVAČ
3
(3.1) (3.2)
Obr. 5: Operační zesilovač
3.1
Ideální operační zesilovač (3.3) ,
(3.4) (3.5) (3.6) (při uzavřené zpětné vazbě)
3.2
(3.7)
Operační zesilovač v neinvertujícím zapojení
(3.8) (3.9) (3.10)
Obr. 6: Neinvertující zapojení OZ
3
(3.11)
(3.12) (3.13)
(3.14) (3.15) (3.16)
(3.17) (3.18)
3.3
Operační zesilovač v invertujícím zapojení (3.19)
Obr. 7: invertující zapojení OZ
(3.20)
4
(3.21) (3.22) (3.23) (3.24) (3.25) (3.26) (3.27)
3.4
Elementární jednostupňový operační zesilovač
Obr. 8: Elementární jednostupňový operační zesilovač
Vstupní diferenciální stupeň má transkonduktanci gm: (3.28) 5
Stejnosměrný (ss) napěťový zisk tohoto operačního zesilovače
: (3.29)
Např. pro
a
: (3.30)
3.5
Stabilita operačního zesilovače
V signálové cestě struktury OZ jsou zesilovací stupně a současně parazitní kapacity „připojené“ k vnitřním bodům s určitou dynamickou impedancí. To vytváří vnitřní RC články. Každému RC článku přísluší přenosový pól, který způsobí pokles přenosu -20dB na dekádu a současně také způsobí fázový posuv o -90° .
Obr. 9: Vnitřní RC články ve struktuře OZ
Obr. 10: Kmitočtové charakteristiky 6
Operační zesilovač vždy pracuje s uzavřenou zpětnou vazbou ( ). Jeho stabilita je zaručena tím, že tato vazba je záporná. Stabilita OZ se většinou vyšetřuje pro nejhorší možný případ – operační zesilovač zapojený jako napěťový sledovač („stoprocentní“ zpětná vazba).
Obr. 11: OZ zapojený jako sledovač
Pokud dojde vlivem vnitřních parazitních kapacit k fázovému posuvu -180° a zisk při tomto fázovém posuvu je větší než 1 (0dB), záporná zpětná vazba se mění na kladnou a OZ se rozkmitá.
Obr. 12: Kmitočtové charakteristiky nestabilního OZ
7
3.5.1 Princip kmitočtové kompenzace Pokud se do signálového uzlu s největší dynamickou impedancí úmyslně připojí kompenzační kondenzátor, dojde k poklesu zisku -20dB/dek už na velmi nízkých kmitočtech a zisk tak dosáhne hodnoty 0dB dříve, než fáze poklesne na -180° zesilovač (zapojený jako sledovač ) je stabilní. Doplněk fázového posuvu do -180° se nazývá fázová bezpečnost . Pro aplikace s operačními zesilovači by mělo být >60° (tedy fázový posuv menší než 120°).
Obr. 13: Kompenzační kapacita zapojená do struktury OZ
Obr. 14: Změna kmitočtových charakteristik po připojení kompenzační kapacity 8
3.5.2 „Podkompenzovaný“ (rychlý) operační zesilovač
Obr. 15: „Podkompenzovaný“ (rychlý) operační zesilovač
Tento operační zesilovač má velkou šířku pásma (dominantní pól na vyšším kmitočtu). U tohoto zapojení je zpětnovazební signál zeslaben faktorem .
Obr. 16: Kmitičtové charakteristiky "podkompenzovaného" OZ
Jako sledovač by byl tento OZ nestabilní a rozkmital by se. V uvedeném zapojení je OZ stabilní s fázovou bezpečností .
9
3.5.3 Kmitočtové charakteristiky kompenzovaného elementárního OZ
(3.31) (3.32)
Obr. 17: Kompenzovaný elementární OZ
(3.33) (3.34) Rychlost přeběhu je maximální rychlost změny výstupního napětí. Je dána rychlostí s jakou se mění napětí na kompenzačním kondenzátoru který je (při velkém vstupním rozdílovém napětí) nabíjen proudem Rychlost přeběhu je pevně svázána s , zvýšení rychlosti přeběhu je možné jen se zvýšením nebezpečí nestability. ,
Obr. 18: Zvýšení
(3.35)
nebezpečí nestability 10
3.5.4 Kompenzovaný elementární OZ s emitorovou degenerací
(3.36) (3.37) (3.38) (3.39)
Obr. 19: Kompenzovaný elementární OZ s emitorovou degenerací
(3.40)
(3.41) Pomocí emitorové degenerace je možné nastavit (šířku pásma) a (rychlost přeběhu) nezávisle na sobě. Tak lze zkonstruovat rychlý (velké ) a stabilní (přiměřená šířka pásma ) OZ. U OZ s MOSovým dif. stupněm je možné nastavit poměr a jen pomocí rozměrů MOS tranzistoru, strmost (transkonduktance) je přímo úměrná poměru
11
3.6
Symetrický koncový stupeň
Obr. 20: Symetrický koncový stupeň (3.42) Klidový příčný proud přes výstupní tranzistory je výstupního proudu:
, Maximální hodnota
(3.43) Výstupní napětí může být v rozsahu: (3.44) Toto zapojení není možno realizovat s neizolovanými NMOS tranzistory (v klasickém CMOS procesu) vzhledem k BODY EFEKTU NMOS tranzistorů.
12
3.7
Praktická realizace jednostupňového OZ v bipolárním procesu
Obr. 21: Praktická realizace jednostupňového operačního zesilovače v bipolárním procesu
(3.45)
(3.46) (3.47) (3.48) (3.49) (3.50) v rozsahu
(3.51)
v rozsahu
(3.52)
13
4
JEDNODUCHÝ PROUDOVÝ ZDROJ S NÍZKÝM
Pokud je k dispozici zdroj referenčního napětí (zde s nulovým teplotním koeficientem), je možné navrhnout proudový zdroj s nízkým pomocí jednoho odporu (který má kladný teplotní koeficient ) a jednoho tranzistoru.
Obr. 22: Proudový zdroj s nízkým
(4.1) má nulový telpotní koeficient pokud platí: (4.2) Např. pokud má odpor R teplotní koeficient ( to vlastně teplotní koeficient napětí s kladným znaménkem) je hodnota napětí
je : (4.3)
Hodnota
pak je: (4.4)
14
