Схемотехника аналоговых устройств

1. Р11. Основы схемотехники аналоговых ИМС

«СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ 1»
Школа Н.Ф.
Лекция №12 2016 г.

2. 11.1. Схемотехника усилительных и преобразовательных каскадов Каскодная схема

Каскодной схемой называется двухкаскадный
усилитель, образованный каскадами ОЭ и ОБ,
через активные элементы которых протекает
одна и та же переменная составляющая
выходного тока, пропорциональная входному
сигналу.

3.

Упрощенная схема каскода для сигналов
Виртуальная
«земля»- «0»
iК2
iЭ2
iК1
RГ VT1 iЭ1
VT2
UВЫХ1
UВЫХ2
Iвых
еГ
ОЭ
ОБ
RKH

4.

Выводы.
• В каскодной схеме каскад ОЭ максимально реализует свою
широкополосность, т.к. сопротивление его коллекторной
нагрузки переменному току мало за счет малого входного
сопротивления каскада ОБ.
• В каскодной схеме каскад ОБ максимально реализует свою
широкополосность, т.к. сопротивление источника его входного
сигнала переменному току велико за счет большого выходного
сопротивления каскада ОЭ.
• В каскодной схеме обратная связь с выхода на вход
отсутствует благодаря низкоомной точке «0»
(виртуальная земля).
• В каскодной схеме емкость Миллера снижена
благодаря отсутствии усиления по напряжению
каскада ОЭ (благодаря низкоомной точке «0»).

5.

11.2Генераторы стабильного тока
Транзистор как источник стабильного тока.
Генераторы стабильного тока (ГСТ)двухполюсник, сила тока через который
почти не зависит от приложенного к нему
напряжения. Различают ГСТ на БПТ и ПТ,
а также одно- и двух- транзисторные.

6. 11.2Генераторы стабильного тока Транзистор как источник стабильного тока.

Генераторы стабильного тока на БПТ

7.

Схема а): ток коллектора практически не
зависит от напряжения Uк, которое имеет
только одну полярность (+).
V1
I k Ib
R1
RГCT
200 B npn,
UА
r
, гдеU A
I KP
80 B pnp.
K

8.

Генераторы стабильного тока на ПТ
Схемы ГСТ на
ПТ проще:
RГСТа RВЫХ Ri 1 ( 1 S 1 RИ ),
RГСТб RВЫХ Ri 2 1 S 2 Ri 3 ( 1 S 3 RИ ) .

9.

11.3 Генераторы малого
стабильного напряжения
Генераторы малого стабильного напряжения
(ГСМН)низковольтные
(порядка
1В)
стабилизаторы постоянного напряжения.
ГСМН - двухполюсник, падение напряжения на
котором почти не зависит от протекающего по
нему тока.
Простейший ГСМН- диод, по которому
протекает ток. Напряжение стабилизацииоколо 0,7 В.

10.

Школа Н.Ф.:
ФАКУЛЬТАТИВНО
Генератор малого стабильного напряжения,
кратного Uбэ
U ГМСН U БЭ 1 U БЭ 2
U ГМСН n U БЭ n 0 ,7 B .

11.

11.4 Схемы сдвига уровня
• Схемы сдвига уровня применяют для
гальванических межкаскадных связей. В
ИМС часто приходится сдвигать уровень на
некоторую величину.
• Основное требование:
схема должна
передавать сигнал по возможности без
искажений и потерь.
• Простейший элементом сдвига уровня
является стабилитрон, но он имеет
повышенный уровень шума.

12.

ЭП
IГСТ
Заменить на
стабилитрон
U CДВ U вых U вх U БЭ I ГСТ R .
ГСТ
RвыхГСТ
K~
1.
R RвыхГСТ

13.

11.5 Токовое зеркало
Токовым зеркалом или отражателем тока
называется транзисторный узел, у которого токи
двух входящих в одну точку ветвей равны, причем
один из них (вводной) управляет другим
(выходным).
I2
K IТЗ
1,
I1
I 1 полный входной ток ,
I 2 полный выходной ток .
Входное сопротивление ТЗ мало а
выходное - велико, поэтому ток не
зависит от Е2.

14.

Простейшее токовое зеркало
I1 IK1 2 IБ ,
I 2 IK2 ,
IK 2
KI
IK1 2 IБ
1
1
Школа Н.Ф.:
ФАКУЛЬТАТИВНО
K I ТЗ
К ОСЛ
2
.
IK2
1
,
2 IБ
2
IK1
1
1
(1 )
( 1 )
.

15.

11.6. Каскад с эмиттерной связьюдифференциальный каскад (ДК)
Дифференциальный усилительный каскад
(ДК) или усилитель разности – это
симметричный усилитель с двумя входами и
двумя выходами, относительно которых
коэффициенты усиления равны по величине и
противоположны по знаку.
Основное назначение ДК –усиливать
разностный сигнал.
Прообразом ДК является мостовая схема

16.

11.6.1. Общие положения
I к1 I к 2 ,
Uвых д
Iк
Iк
I0
I э1 I э 2
,
2
Rк 1 Rк 2 Rк ,
U к1 U к2 ,
U б1 U б2 .
Uвх1
Uвх д
Uвых1
Iэ
Iэ
I0
Uвх2
Uвых2

17. 11.5 Токовое зеркало

Сигналы во взаимно-симметричных точках
можно представить комбинацией синфазных и
дифференциальных сигналов:
U1 U 2
U cc
,
2
U дс U 1 U 2.
Uдс
U дс
U 1 U cc 2 ,
U 2 U U дс .
cc
2
Uсс
U2
U1
0

18. Токовое зеркало можно рассматривать как частный случай ГСТ. ТЗ наиболее часто используют в качестве ГСТ и динамических нагрузок каскадов

11.6.2. Свойства ДК
На основании принципа суперпозиции в
линейном
приближении
возможно
рассматривать отдельно воздействие на
ДК дифференциального и синфазного
сигналов
и
сделать
оценку
его
показателей.

19.

Характеристики ДК для
дифференциального сигнала
U дс U бэ 1 U эб 2
U бэ 1 U бэ 2
U дс U дс
.
2
2
I к 1 S 1 U бэ 1
I э1 I э 1 I э 2 I э
Uдс
«0»
I э1 I э 2 I 0 . I 0 R0 Const
U дс
U
S дс ; S 1 S 2 S ;
2
2
I к 2 S 2 U бэ 2
S1
U
U
S 2 дс S дс I к 1 .
2
2
I к 2 I к 1 , I э 2 I э 1 ;
I э 1 I э 1 I э 2 I э 2 I э 1 I э 1 I э 2 I э 1 I э 1 I э 2 I 0 .

20. 11.6. Каскад с эмиттерной связью- дифференциальный каскад (ДК)

Эквивалентная
схема ДК для
ДС
U выхдс U вых 1 U вых 2 K 1 U 1 ( K 2 ) U 2
U дс
K1 K2
U дс
K1
( K 2 )
U дс
2
2
2
S R KH S R KH
U дс S R KH U дс K U дс .
2
U выхдс
Kд
K .
U дс
K 1д
U вых 1
U вых 2 K
K
, K 2д
.
U дс
2
U дс
2

21.

Характеристики ДК для синфазного
сигнала
Для синфазного сигнала СС входы ДК следует
объединить и, поскольку плечи симметричны,
рассмотреть воздействие на одно плечо.
Ucc
Ucc
Uвых1
Ucc

22.

Для полностью симметричной схемы при воздействии
синфазного сигнала СС разностный сигнал на
выходе ДК отсутствует, поэтому оценивают
выходной сигнал относительно общей шины.
1.K 1c K 2 c
U вых 1
U cc
S Rк
Rк
1.
S
2 R0
1 2 R0
Вывод. ДК ослабляет синфазный входной сигнал
благодаря глубокой ООС по току через R0, поэтому
чем больше R0, тем глубже ОС, тем больше
ослабление СС.

23.

11.6.3. Погрешности ДК
1)Коэффициент ослабления синфазного
сигнала Мс
Отношение коэффициентов усиления дифференциального
и синфазного сигналов называется коэффициентом
ослабления синфазного сигнала
K 1д
Mc
K 1с
КОСС Мс.
1
S R КН
2
S R КН
S
1 2 R0
R0
R0
1
S
S R0
1 2 R0
.
2
h11б
rэ

24.

2)Разбалансы ДК
Источники несимметрии плеч ДК называются
разбалансами.
Они обусловлены неидентичностью элементов
плеч
ДК.
Мерой
разбалансов
является
относительный выходной дифференциальный
сигнал.
U вых .д . р
U вх .с
U вых .с
U вх .с
rэ Rэ Rг
Rг Rк Ri
.
2
Rк
Ri
rэ Rэ rэ Rэ
rэ Rэ

25.

3) Погрешности ДК по постоянному току
К ним относятся:
• напряжение смещения нуля и его дрейф;
• входные токи смещения, ток сдвига и их дрейфы.
Iк1
Iк2
Uвых
Iб1
Iб2
Uбэ1 Uбэ2

26. 11.6.2. Свойства ДК

1. Напряжение, которое необходимо приложить
между входами ДК для достижения условия баланса
Uвых=0 называется напряжением смещения нуля.
U вых I к 1 Rк 1 I к 2 Rк 2 ;
U вых 0 I к 1 Rк 1 I к 2 Rк 2 ;
Если : Rк 1 Rк 2 ,U вых 0 I к 1 I к 2 .
Неравенство токов
вызвано неидентичностью
транзисторов, в первую очередь, разбросом
их
напряжений Uбэ:
U см U бэ U бэ1 U бэ2
I K1
T ln
.
IK2

27.

Дрейфом напряжения смещения нуля называется его
зависимость от дестабилизирующих факторов, в первую очередь
от температуры.
Температурный дрейф количественно характеризуется
коэффициентом температурного дрейфа:
U см U бэ 1 U бэ 2 U бэ 1 U бэ 2 U бэ U см
С,
Т
Т
Т
Т
Т
Т
U см
U см ( Т ) U см 0 С Т , C
.
Т
1
мкВ
Если : U бэ 1 мВ , то : С
3 ,3 о .
300
С
Компенсация действия напряжения
называется балансировкой ДК.
смещения
нуля
Каскад на полевых транзисторах имеет существенно
большие значения напряжения смещения нуля и его дрейфы.

28.

2. Током смещения называется средний входной ток
активных элементов каскада ДК:
I СМ
I Б1 I Б 2
2
Током сдвига (разностным током) называется
разность входных токов активных элементов каскада
ДК:
I СДВ I
IБ1 IБ2
I СДВ
,
I Б 1 I CM
2
I I I СДВ .
CM
Б 2
2

29.

• Погрешность напряжения нуля, вызванная
протеканием токов баз транзисторов через
внешние сопротивления, подключенные к их
базам, составляет:
U ВХ I Б 1 R1 I Б 2 R 2
I CM ( R1 R 2 ) I СДВ
R1 R 2
.
2

30.

• Температурная зависимость входных токов
ДК определяется :
IЭ
IO
IБ
,
1 2( 1 )
IO
I CM
.
2( 1 )

31. Характеристики ДК для синфазного сигнала

Вывод:
малые
токи
создают
малые
погрешности и имеют малые дрейфы.
Для получения малых токовых погрешностей:
• ток I0 задают малым;
• применяют супер - транзисторы;
• применяют каскады Дарлингтона;
• применяют полевые транзисторы.

32.

Применение ДК в ИМС благодаря
следующим свойствам:
• Способность вычитать, т.е. нечувствительность к
синфазным входным сигналам. Два входа дают
возможность подавать сигнал ОС.
• Высокая симметрия схемы в интегральном
исполнении,
малые
разбалансы
и
малые
погрешности по постоянному току, обеспечивающие
малую
чувствительность
к
температуре
и
производственному разбросу.
• Отсутствие блокировочного конденсатора большой
емкости в цепи эмиттеров и одновременно большой
коэффициент усиления дифференциального сигнала.

33.

11.6.4. Режим большого сигнала ДК
В дифференциальном каскаде
стремятся сделать стабильным:
ток
IO
I O I Э 1 I Э 2 I K 1 I K 2 Const .
При
воздействии
на
каскад
дифференциального сигнала токи коллекторов
изменяются таким образом, что их сумма всегда
остается постоянной.

34.

Линейный участок, где
gm Const, составляет +-2 T.

35.

На выходе ДК всегда присутствует емкость
нагрузки,
скорость
перезаряда
которой
определяет скорость нарастания выходного
большого сигнала:
dU C I O 2 I KP 2 mi T S
V
.
dt
CO
CO
CO
Из выражения следует, что импульсные
свойства каскада с ростом
исходного тока
коллектора транзисторов ДК улучшаются (растет
скорость нарастания), однако это приводит к росту
входных токов, что увеличивает погрешности
каскада по постоянному току.

36.

С0
I0

37.

11.6.5. Дифференциальный каскад с
динамической нагрузкой
Токовое зеркало
с эмиттерными резисторами
применено в ДК
в качестве
динамической нагрузки.
Потенциометр
R4 служит для
балансировки
нуля схемы ДК.

38.

11.7 Бестрансформаторный
двухтактный каскад(схема)
R2 R3 R1 R4
ЭП
ОЭ