Двухкаскадный ИТУН с входом на N-канальных транзисторах и первым каскадом типа "ломаный каскад" - Курсовая работа

(Uзи-Uпор)-число, выражающее превышение над порогом Найдем выражение для коэффициента усиления Ко: Ко равен произведению коэффициентов усиления первого каскада на второй Найдем выходное сопротивление второго каскада Rвых2=Rcи||Rcи(p5) Суммарная паразитная емкость ?СА складывается из емкости Сзи засвор-исток транзистора N5, емкости Сзс затвор-сток тр-ра N3 и диффузной емкости Сдифф.

Цель проекта- разработка наиболее быстродействующего усилителя заданной архитектуры для заданного тока потребления (наибольшая частота единичного усиления и наибольшая скорость изменения выходного напряжения в режиме большого сигнала).

Данные: Vdda = 5 V.

СУММАРНЫЙ ТОК ПОТРЕБЛЕНИЯ - НЕ БОЛЕЕ 4 МА.

Дифференциальный низкочастотный коэффициент усиления - не менее 10000 при емкостной нагрузке. Ko=50 000

Запас фазы - не менее 60О.

Емкость конденсатора нагрузки - 5 ПФ.

Число, выражающее превышение над порогом (VGS - VT) в милливольтах, должно быть не меньше толщины подзатворного окисла TOX в ангстремах.

Величина внешнего режимного тока: 10 МКА

Буквенные обозначения: ? - параметр модуляции длины канала, ?=0.1

Co- емкость окисла, Со=1.8e10-3Ф

(Uзи-Uпор)- число, выражающее превышение над порогом

Ігр- граничный ток

(1) g= v(2IОCО?(W?L)) - крутизна транзистора

(2) Ігр=?Co?(W/L)(Uзи-Uпор)? - граничный ток

(3) g=?(Uзи-Uпор)- крутизна в пологовом режиме

Рассчеты.

Найдем выражение для коэффициента усиления Ко: Ко равен произведению коэффициентов усиления первого каскада на второй

Ко=Ко1·Ко2

Для первого каскада

Ко1=2gвх1 ·Rвых1 где gвх1 - крутизна входного транзистора 1-го каскада, Rвых - выходное сопротивление.

Значит, gвх1= g(N1,N2)=v(2IОCО?(Wвх?L));

Rвых1=(Rn4 Rn6)ll[(Rp2LLRN2) Rp4];

Rвых1=Rn4·(gn6·Rn6)ll[(Rp2LLRN2)(gp4Rp4)]; Rвых1=(Rn4·gn6·Rn6(Rp2LLRN2)(gp4·Rp4))/(Rn4·gn6·Rn6(Rp2 Rn2) Rp2·Rn2·gp4·Rp4);

Для любого транзистора

Rвых=1/(?IГР), где Ігр- граничный ток Ігр=?Со·?(W/L)(Uзи-Uпор)?, ?- параметр модуляции длины канала. Крутизны найдем по формуле (1).

Для второго каскада

Ко2=gn8·Rвых2 (т.к. N8- входной транзистор второго каскада)

Найдем выходное сопротивление второго каскада Rвых2=Rcи||Rcи(p5)

Rси=1/gси=1/(?IГР), но Ip5=In8, также ?p=?n => Rси(n8)=Rси(p5)=Rси(n8)/2 усилитель ток потребление

Получим общую формулу для вычисления коэффициента усиления: Ko=[v(2Io/2Cо?(Wвх?L))](Rn4·gn6·Rn6?Rp2?Rn2?gp4·Rp4)/(Rn4·gn6·Rn6(Rp2 ) Rn2Rn2? gp4·Rp4 ?Rp2 (Rси(n8)/2)[ v(2IОCО?(Wn8?L))];

Она определяется через 2 неизвестных Wвх и Wn8-это входные транзисторы первого и второго каскадов.

Т.к. в данной схеме усиление велико (2 каскада), поэтому возьмем Ко=50000

Будем считать, что превышения над порогом транзисторов P1, P2,P3,P4,N5,N6одинаковы. Тогда можно будет оценить их ширины.

Т.к. все они находятся в пологовой области, то их крутизны g=?(Uзи-Uпор)=v(2I?), ?=?СОW/L

Можно принять, что Uзи-Uпор= 0.18В (в МВ равно толщине окисла в ангстремах. Тогда W=2I·L/(?CO(Uзи-Uпор)?);

WN?200мкм; WP?700мкм

Оценим величины частот, связанных с неосновными полюсами и основным.

Для этого найдем суммарные паразитные емкости для основного и неосновных полюсов. Основной полюс - точка F, неосновные полюса -точки А, B, С, D, E.

Рассмотрим точку А1(А2). Суммарная паразитная емкость ?СА складывается из емкости Сзи засвор-исток транзистора N5, емкости Сзс затвор- сток тр-ра N3 и диффузной емкости Сдифф.

?СА= Сдифф Сзи(n5) Сзс(n3)

Найдем диффузную емкость. Она складывается из емкости донной части p-n перехода сток(исток)-затвор и из емкости боковой поверхности p-n перехода сток(исток)- подложка двух тр-ов (N5 и N3).

Сдна =CJN?W(A1 A2 A4) CJN?W(A1 A2 A4)=2CJN?W(A1 A2 A4)

Сперим=2?CJSWN(W 2(A1 A2 A4);

Сзи(n5)=W?Co(2LD Lэфф)=W?Co?L; Сзс=Со?W?LD =>

?CA=W·Co·L Co·W·LD 2CJN·W(A1 A2 A4) 2CJSWN(W 2(A1 A2 A4))

Т.к. L>>LD, W>>A1 A2 A4 то ?CA?W·Co·L 2CJN·W(A1 A2 A4) 2CJSW·W

?CA?1e-12Ф/м; 1/?A=?CA/g

1/?A?25e-9;

Рассмотрим точку(узел)B1(B2). Суммарная паразитная емкость складывается из затворных емкостей транзисторов N3 и N4 Сзатв_n3 Сзатв_n5 и диффузных емкостей (N5 и P3). Отсюда аналогично точке А найдем ?СB: (учитывая, что для P- транзисторов Wp=3Wn=3W)

?СB=2W?L?Co CJN?W(A1 A2 A4) CJSWN(W 2(A1 A2 A4)) 3CJP·W(A1 A2 A4) CJSWP(3W 2(A1 A2 A4)

?СB2?W?L?Co CJN?W(A1 A2 A4) CJSWN·W 3CJP·W(A1 A2 A4) CJSWP3W

?СB?8e-15 Ф/м; ;1/ ?b= ?CB/g;

?b?5e-11

Рассмотрим точку(узел)С1(С2). Его суммарная паразитная емкость складывается из емкостей Сзи(р3) , Сзс(n2), Сзс(р1) и диффузных емкостей P1, P3 и N2.

Учитывая, что Wp1=6W, Wp3=3W, аналогично предыдущим емкостям найдем

?СС =3W?L?Co 7Co·W·LD 9CJP·W(A1 A2 A4) CJSWP(3W 2(3A1 A2 A4)) CJSWP(6W 2(A1 A2 A4)) CJN?W(A1 A2 A4) CJSWN(W 2(A1 A2 A4))

?СС?3W?L?Co 9CJP·W(A1 A2 A4) CJSWP·3W CJSWP·6W CJN?W(A1 A2 A4) CJSWN·W

?СС?43e-13 Ф/м; найдем теперь частоту неосновного полюса ?с. ?с =g/ ?СС;

1/ ?C?25e-12;

Рассмотрим точку(узел)G. Это неосновной полюс, связанный со вторым каскадом. Найдем частоту ?н(2каскада): ?н(2каскада)=gвх(2каскада)/(С1 С2 С1С2/Сс)

С1-суммарная паразитная емкость на выходе 1-го каскада

С2-второго каскада

С1 складывается из диффузной емкости тр-ов P4 и N6, емкостей затвор-сток N6 и P4, а также емкости затвора N8 (входного транзистора второго каскада)

С1=Сдифф Сзс_n6 Сзс_р4 Сзатв_n8

С2 складывается из диффузной емкости тр-ов P5 и N8, емкости затвор-сток P5 и емкости нагрузки.

С2=Сзс_р5 Сдифф Сн~Сн, т.к Сзс_р5 Сдифф<<Сн;

=> С1 =4W?LD?Co 3CJP·W(A1 A2 A4) CJSWP(3W 2(3A1 A2 A4)) CJN?W(A1 A2 A4) CJSWN(W 2(A1 A2 A4)) W·L·Co CJN·W(A1 A2 A4);

С1?W?L?Co 3CJP·W(A1 A2 A4) CJSWP·3W CJN?W(A1 A2 A4) CJSWN·W;

С2? Сн 3CJP·W(A1 A2 A4) 3CJSWPW CJN?W(A1 A2 A4) CJSWN·W;

C1?1.4e-14

C2?1e-9 gвх(2каскада)=GN8=v(2ICO?WN8/L); gвх(2каскада)=2.14vWN8

Примем Сс=Сн, тогда получим частоту неосновного полюса, связанного со вторым каскадом: ?н(2каскада)=?G ?G = WN8•20e9

Рассмотрим точку D

?D=(GN1 GN2)/?CD, где ?СD- суммарная паразитная емкость узла D.

Она складывается из емкостей затвор-сток N7, затвор-исток N2, затвор-исток N1 и диффузных емкостей.

?СD=СЗСN7 CЗИN2 CЗИN1 Сдифф

СЗСN7=COWLD; CЗИN2= CЗИN1=WВХСО(LD Lэфф); Сдифф=Сдно Сперим

?СD=COWLD 2WВХСО(LD Lэфф) 2CJSWN(Wвх 2(A1 A2 A4)) 2CJNWВХ(A1 A2 A4)) CJSNW(W 2(A1 A2 A4)) CJNW

?СD?2WВХСОL 2CJSWN•Wвх 2CJNWВХ(A1 A2 A4)) CJSNW•W CJNW(A1 A2

A4)

?СD?Wвх86e-9 8e-8

?D =v (Wвх)•e4/(Wвх86e-9 8e-8)

Теперь найдем частоту основного полюса (точка F) ?F=?осн=1/(Rвыхода1КАСКАДАССRВЫХОДА2АСКАДАGN8), т.к N8- выходной транзистор второго каскада.

Rвыхода2аскада=RСИN8??RСИP5

Получим ?F=WN86e3

Можно найти частоту единичного усиления ?E: ?E=2gвх/Сс=2gвх/Сн=v(Wвх/L)•2IOCO?/Сн=v(Wвх)e5

Далее находим эквивалентную частоту: 1/ ?экв =2/?А 1/?B 2/?c 1/?G 1/?F 1/?D;

Из условия 1/?ЭКВ=1/(4?Е) получаем уравнение с двумя неизвестными, подставляем в него найденное из коэффициента усиления равенство WN8=2.6Wвх, отсюда WN8?30мкм; Wвх=12мкм ?экв=8e5

Запишем выражение для передаточной функции: Н(j?)=50000/(1-j?/1e3)(1-j?/8e5)[(1 (?/1e3)?)( 1-(?/8e5)?)]

Можно оценить запас фазы: tg??v3 => tg?=-?(1/?осн 1/?экв)/(1-??/?экв?осн)?-(?/?осн)/(1-??/?осн?экв)=Ко/(1-Ко/4)?4 т.к. ?экв=4?Е; ?осн= ?Е/Ко; ?осн<< ?экв

Схема двухкаскадного ИТУН с входом на N-канальных транзисторах и первым каскадом типа ломаный каскод.

Размещено на .ru