Dvoustupňový Operační Zesilovač

Dvoustupňový Operační Zesilovač „ Blokové schéma: Kompenzační obvody

Diferenční stupeň

Zesilovací stupeň

Výstupní Buffer

Proudové reference

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

„ Neinvertující napěťový zesilovač

„ Invertující napěťový zesilovač

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Statické nelinearity

„ Rid – vstupní odpor mezi diferenčními svorkami „ Cid – vstupní kapacita (diferenční) „ Ricm – stejnosměrný odpor „ Vos – vstupní napěťová nesymetrie „ IB1 a IB2 – diferenční vstupní proudy „ Ios- vstupní proudová nesymetrie (Ios = IB1 – IB2) „ CMRR – potlačení souhlasného signálu „ En – napěťový šum „ In – proudový šum Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Dynamické nelinearity „ Frekvenční odezva „ Přenosová funkce

|Av jω| (dB) 20logAv 0 -20dB/dek

-40dB/dek 1/t ω1

ω2

ω3

(log měřítko)

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Doba přeběhu a doba ustálení „ Doba přeběhu (Slew Rate SR) „ Diferenciální změna na výstupu. Je to prakticky maximální proud schopný nabíjet a vybíjet připojenou kapacitu „ Není limitován výstupním blokem, ale zdrojem proudu prvního stupně „ Doba ustálení (Settling time Ts) „ Doba potřebná, aby se výstup dostal na finální hodnotu „ Malosignálová změna

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

„ Potlačení změny napájecího napětí PSRR „ Ideálně by se mělo blížit nekonečnu

„ Vstupní napěťový rozsah ICMR (Imput Common Mode Range) „ Napěťový rozsah na vstupu diferenčního stupně, pro který není výstup saturován

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Architektura dvoustupňového OpAmp „ Jednoduchý dvoustupňový OpAmp můžeme rozdělit na jednotlivé bloky převádějící napětí na proud a proud na napětí

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Postup návrhu OpAmp „ Návrh struktury zapojení dle specifikace „ Tranzistorové zapojení dle daných specifikací „ Návrh parametrů jednotlivých bloků „ Výběr pracovních proudů a velikosti tranzistorů „ 80% návrhu spadá do této kategorie „ Obvodové simulace, pracovní podmínky, simulace v rozích, atd. „ Fyzická implementace „ Layout tranzistorů „ Realizace propojení, Floorplanning, Extrakce prarazitních vlivů, resimulace, LVS „ Technologická realizace „ Charakterizace a měření „ Verifikace prarametrů „ Případné modifikace Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Spcifikace OpAmp „ Definování technologického procesu (Vt, K, Cox…) „ Napájecí napětí „ Rozsah budících proudů a zátěže „ Rozsah pracovní teploty

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Požadavky „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „

Zisk Šířka pásma Doba přeběhu Doba ustálení Vstupní napěťový rozdah (CMR) Potlačení souhlasného signálu (CMRR) Potlačení vlivu změny napájení (PSRR) Rozsah výstupního napětí Výstupní odpor Offset Šum Plocha Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

OpAmp Kompenzace „ A(s) – Napěťové zesílení OpAmp „ F(s) – Zpětnovazební přenosová funkce „ Zesílení s otevřenou smyčkou „ Zesílení s uzavřenou smyčkou „ Podmínka stability

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Stabilita OpAmp

„ Fázová jistota Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Proč je stabilita důležitá? „ „Dobrá“ odezva je taková, která co nejrychleji dosáhne konečné hodnoty „ Fázová jistota by měla být nejméně 45o, nejlépe 60o

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Model nekompenzovaného OpAmp „ Model zanedbává kapacitu CGD

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

„ Za předpokladu že pól daný C1 je mnohem větší než C2 a C3

„ Kde RI (RII) je odpor proti zemi viděný z výstupu prvního (druhého) stupně „ CI (CII) je kapacita proti zemi viděný z výstupu prvního (druhého) stupně

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

„ Nejhorší případ je pro Fs = 1 „ V tomto případě je fázová jistota mnohem menší než 45O „ Nutná kompenzace Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Kompenzace Millerovou kapacitou

„ CC – Millerova kapacita „ CM – Kapacita proudového zrcadla „ CI – Výstupní kapacita proti zemi prvního stupně „ CII - Výstupní kapacita proti zemi druhého stupně Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Náhradní obvod, přenos a póly

„ Celkový přenos:

„ Kde

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

„ Dominantní Millerův pól:

„ Pól druhého stupně:

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Kompenzace dvoustupňového OpAmp

„ Šířka pásma v tomto případě: Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Vliv kapacity proudového zrcadla

„ Přenosová funkce:

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Vliv kapacity proudového zrcadla „ Naštěstí tento pól je většinou větší než GB, takže má jen malý vliv na stabilitu OpAmp „ Dokonce i pro případ (viz obr.), kdy je menší než GB je stabilita dobrá

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Návrh dvoustupňového OpAmp

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Stejnosměrná rovnovážná podmínka „ Všechny tranzistory musí být v saturaci „ M4 je jediný tranzistor, který nemůže být nastaven do saturace vnitřním nastavením (napětí, proud) „ Proto se nastavuje podmínka pro udržení M4 v saturaci „ Předpokládejme, že VSG4 = VSG6 „ => správné zrcadlení M3, M4 „ M4 gate a drain je na stejném potenciálu „ Jestliže VSG4 = VSG6, Pak

„ Podmínkou je, aby I6 = I7 „ Jestliže je podmínka splněna VDG4= 0 pak tranzistor je v saturaci Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Vztahy pro návrh OpAmp „ Doba přeběhu

(Předpokládáme I7 >> I5 a CL > CC

„ Zesílení prvního stupně: „ Zesílení druhého stupně: „ Šířka pásma: „ Výstupní pól: „ 60O fázová jistota vyžaduje: jsou > 10GB „

jestliže ostatní póly

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Vztahy pro návrh OpAmp „ Pozitivní ICMR:

„ Negativní ICMR:

„ Saturační napětí:

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů

Specifikace pro OpAmp „ „ „ „ „ „ „ „

Zisk Šířka pásma Fázová jistota (doba ustálení) ICMR (vstupní napěťový rozsah) Zátěžová kapacita Doba přeběhu SR Výstupní napěťový rozsah Spotřeba

Jiří Jakovenko – Návrh Integrovaných Obvodů