Versorgung von Analogschaltungen
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Analoge CMOS-Schaltungen Versorgung von Analogschaltungen Roland Pfeiffer 4. Vorlesung Rückblick -Einfluß der Versorgungsspannung -Beispiel: MOS-R-Inverter -PSPICE-Simulationen -Lösung: differentieller Aufbau -zusätzliche Spezifikationen: PSRRVDD, PSRRVSS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Eingangsspannungsteiler Störend: hochohmiger Eingangsspannungsteiler Grund: hochohmige Widerstände verbrauchen sehr viel Chipfläche, außerdem Matching-Problem störend Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3 störend Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Eingangsspannungsteiler Wie hoch ist der Chipflächenverbrauch bei dem Eingangsspannungteiler des MOS-R-Inverters bei Realisierung als n-Diffusionswiderstand mit 10kΩ/, Mindestbreite 5µm und vergleichen Sie diesen Wert mit einem NMOS-Transistor W/L= 10µm/ 1µm, Source/Drainüberlapp 2µm ! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Referenzspannungsquelle Auf Analogschaltungen meist vorhanden: Bandgap-Referenzspannungquelle erzeugt eine temperaturstabile Spannung (typischer Wert 1,25 V). Diese Spannung wird über eine off-chip Präzisionswiderstand in einen temperaturstabilen Biasstrom umgewandelt (sehr genaue Analogschaltungen) oder der Strom wird aus der Bandgap-Referenzspannungsquelle direkt entnommen, wobei der Strom leicht temperaturabhängig ist (allgemeine Analogschaltungen). Dieser sog. „Biasstrom“ dient als Versorgung für die Analogschaltungen. BandgapReferenzspannungsquelle Biasstrom Präzisions-R Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Geeignete Schaltung: Stromspiegel Geben Sie mit eigenen Worten die Funktionsweise eines Stromspiegels an! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Geeignete Schaltung: Stromspiegel Geben Sie mit eigenen Worten die Funktionsweise eines Stromspiegel an! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen PSPICE-Simulation Wie heißt die Schaltung von MB1A auch, bei der ein Kurzschluß zwischen Gate und Drain herrscht ? analog6VI Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8 analog6IV Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Geeignete Schaltung: Stromspiegel Leiten Sie eine Beziehung zwischen den W/L's von MB1A und MB1B und den Biasstrom und den durch die Stromsenke fließenden Strom ab! Annahme: MB1B in Sättigung Was schließen Sie für die Abhängigkeit von der Drain-Source-Spannung? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Geeignete Schaltung: Stromspiegel Leiten Sie eine Beziehung zwischen den W/L's von MB1A und MB1B und den Biasstrom und den durch die Stromsenke fließenden Strom ab! Annahme: MB1B in Sättigung (ohne Kanallängenmodulation) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Geeignete Schaltung: Stromspiegel Bis zu welcher minimalen UDS,SAT befindet sich MB1B in Sättigung (UDS,SAT als Funktion von IDS) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen PSPICE-Simulation UDS,SAT besser aus Output-File, da genauere Gleichungen!! z. Bsp. analog4: Ausschnitt aus Output-File: UDS < UDS,SAT ⇒ Widerstandsbereich UDS > UDS,SAT ⇒ Sättigungsbereich Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Schaltung: ideale Stromquelle Mit Eingangskondensatoren CKA und CKB keine DC-Spannung an den Gates von M1A und M1B !! Ausweg: CKA und CKB entfernen, DC-Spannung (1,8V) an die AC-Quellen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Schaltung: ideale Stromquelle Stimmen die Ergebnisse mit denen aus analog5 überein? Wie ist die Spannung an der Stromquelle? analog6ideal Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Schaltung: reale Stromquelle Dimensionieren Sie MB1B mit IBias=100µA und W/L(MB1A) =100µm/1µm für einen Strom durch MB1B für 4,46 mA und Gatelänge von 1 µm (ohne Kanallängenmodulation)? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Schaltung: reale Stromquelle Wie ist die Spannung und der Strom durch MB1B? Haben Sie dafür eine Erklärung? Wie können Sie Abhilfe schaffen? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen „Differenzverstärker“ Überführung in „Differenzverstärker“ (genau: „differentieller NMOS-Differenzverstärker mit Widerstand und Kondensatorlast“) analog6real Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen „Differenzverstärker“ Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild von unteren Differenzverstärker! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen „Differenzverstärker“ Kleinsignalersatzschaltbild von Differenzverstärker Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen „Differenzverstärker“ Wie kann man das Kleinsignalersatzschaltbild von Differenzverstärker noch vereinfachen? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Differenzverstärkung Vergleichen Sie die Kleinsignalersatzschaltbilder vom „einfachen“ Verstärker und Differenzverstärker ! Was schließen daraus für die Differenzverstärkung? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21 Roland Pfeiffer Großsignalschaltbild zum Kleinsignalersatzschaltbild PSPICE-Simulation: Differenz-Verstärker Am besten 0,5 Volt/Ampere für VACP und VACN ⇒ Differenz 1 V ! Vorteilhaft bei dB-Ablesung bei Differenz-Verstärkern ! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Differenzverstärkung: Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse durch Simulation !! Stimmen die berechneten Ergebnisse? analog6real Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Differenzverstärkung: Frage: Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse durch Simulation !! Stimmen die berechneten Ergebnisse? Antwort: Ja !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Eingangsspannungsbereich: MB1B in Sättigung, M1A/M1B in Sättigung ⇒ Drainspannung „frei“ ab UDS,SAT ⇒ erlaubter DC-Eingangspannungsbereich „input common mode range“ an den Gates von M1A und M1B Sättigung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Eingangsspannungsbereich: MB1B in Sättigung, M1A/M1B in Sättigung ⇒ Drainspannung „frei“ ab UDS,SAT ⇒ erlaubter DC-Eingangspannungsbereich „input common mode range“ an den Gates von M1A und M1B Sättigung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen DC-Eingangsspannungsbereich: Prinzip: der Eingangsbereich zwischen minimaler und maximaler Eingangsspannung gibt den Bereich an, in dem sich alle Transistoren im gewünschten Bereich befinden und die berechneten Werte z.Bsp. für die Verstärkung gelten. Da sich CMOS-Verstärkerschaltungen meist im Sättigungsbereich betrieben werden, ist die Sättigungsspannung der einzelnen Transistoren für den Eingangsspannungsbereich hier entscheidend. DC-Eingangsspannungsbereich + + - DC-Eingangsspannungsbereich ⇒ Verstärkung etc. gültig - Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Minimale Eingangsspannung: Geben Sie eine Formel für VINPUT,MIN an ! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Maximale Eingangsspannung: Geben Sie eine Formel für VINPUT,MAX an ! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Eingangsspannungsbereich: Berechnen Sie VINPUT,MIN und VINPUT,MAX für unteren Differenzverstärker aus dem Output-File ! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Minimale Eingangsspannung: Maximale Eingangsspannung: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Eingangsspannungsbereich: Frage: Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse durch Simulation, indem Sie den DC-Wert der Eingangsspannungen verändern und mit den Diagramm vergleichen !! Stimmen die berechneten Ergebnisse? Differenzverstärkung DC-Wert der Eingangsspannungen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Eingangsspannungsbereich: keine klare Grenze für VINPUT,MIN und VINPUT,MAX, da sanfter Übergang zwischen Sättigungs-und Widerstandsbereich A VINPUT,MAX VINPUT,MIN VDC Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Rückblick Differenzverstärker: differentielle Ansteuerung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Rückblick Differenzverstärker: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Rückblick Differenzverstärker: z. Bsp. Verstärkung von Sensor-Signalen (differentielles Signal) in einer verrauschten Umgebung („common mode noise“) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktverstärkung: Bei Störungen kann die Spannung an den Gates von M1A und M1B gleichtaktigmäßig schwanken, diese wird mit der Gleichtaktverstärkung verstärkt. Da dies der Differenzverstärkung überlagert ist, sollte die Gleichtaktverstärkung unterdrückt werden. Spannung schwankt gleichtaktig mäßig Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktverstärkung: Diese Schwankung wird mit der Gleichtaktverstärkung ACM („common mode gain“) an die Ausgänge geführt. VACCM1=VACCM2=1 Volt Amplitude, da gleichphasig !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktverstärkung: Es gilt das Kleinsignalersatzschaltbild mit veränderten AC-Quellen. Wie kann man das Kleinsignalersatzschaltbild von Differenzverstärker bei Gleichtaktverstärkung noch vereinfachen? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktverstärkung: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 40 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktverstärkung: Leiten Sie einen Ausdruck ab für die „DC“-Gleichtaktverstärkung ACMDC von unteren Differenzverstärker (Drainleitwert M1 vernächlässigbar)! Was muß man schaltungstechnisch tun, um die „DC“-Gleichtaktverstärkung zu erniedrigen? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 41 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktverstärkung: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 42 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen PSPICE-Simulation Berechnen Sie ACMDC aus dem Output-File ! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 43 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktverstärkung: Leiten Sie einen Ausdruck ab für den Frequenzgang der Gleichtaktverstärkung ACM in der Form: ACM = ACMDC ⋅ Analoge CMOS-Schaltungen Folie 44 1 j ⋅ 2 ⋅π ⋅ f 1+ Pol Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktverstärkung: Berechnen Sie den Frequenzgang von ACM aus dem Output-File ! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 45 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktverstärkung: Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse durch Simulation !! Stimmen die berechneten Ergebnisse? analog6real3cm Analoge CMOS-Schaltungen Folie 46 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktverstärkung: Durch welche Effekte ist der Frequenzgang anders? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 47 Roland Pfeiffer Gleichtaktverstärkung: aber…. VACP VACN VR1A VR1B VR1A - VR1B Gleichtaktverstärkung für Differenzausgangsignal bei vollkommener Symmetrie egal !! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 48 mit idealer Stromquelle mit realer Stromquelle Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktverstärkung: erst bei Mismatch (Asymmetrien) Gleichtakt-Eingangsignal zum Differenz-Ausgangssignal !!! +ΔR Mismatch VACP VACN VR1A VR1B VR1A - VR1B mit realer Gleichtaktverstärkung Stromquelle bei Mismatch der Schaltung: ACM-DM Analoge CMOS-Schaltungen Folie 49 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktverstärkung: Bei Störungen kann die Spannung an den Gates von M1A und M1B gleichtaktigmäßig schwanken, diese wird mit der Gleichtaktverstärkung verstärkt. Da dies der Differenzverstärkung überlagert ist, sollte die Gleichtaktverstärkung bei Mismatch der Schaltung ACM-DM unterdrückt werden. Spannung schwankt gleichtaktig mäßig Analoge CMOS-Schaltungen Folie 50 Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Gleichtaktunterdrückung: Gleichtaktunterdrückungsverhältnis („common mode rejection ratio (CMRR)“): Verhältnis von gewünschter Differenzverstärkung zu Gleichtaktverstärkung bei Mismatch der Schaltung ACM-DM linear dB ADIFF CMRR = ⇒ CMRR [dB] = ADIFF [dB] − ACM − DM [dB] ACM − DM Achtung: Differenzverstärkung 180°, VACP/VACN: 0,5 V Amplitude Gleichtaktverstärkung 0°, VACDC1/VACDC2: 1 V Amplitude Analoge CMOS-Schaltungen Folie 51 Roland Pfeiffer Zusammenfassung -Versorgung von Analogschaltungen -Beispiel: differentieller MOS-R-Inverter ⇒ Differenzverstärker -PSPICE-Simulationen -zusätzliche Spezifikationen: input common mode range, CMRR Analoge CMOS-Schaltungen Folie 52 Roland Pfeiffer Spezifikationsliste Spezifikationsliste Spezifikation: Wunsch: Versorgungsspannungsbereich Differenzverstärkung PSRR VDD PSRR VSS CMRR input common mode range minimales VDD -VSS hoch hoch hoch hoch hoch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 53 Einheit: Volt dB dB dB dB Volt Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Schaltung: MOS-R-Inverter Wieso ist untere Schaltung nicht zur Verstärkung geeignet ? idealer Stromquelle Analoge CMOS-Schaltungen Folie 54 realer Stromquelle Roland Pfeiffer Versorgung von Analogschaltungen Schaltung: MOS-R-Inverter Alternative: Gate-Bias von M1 Ankopplung der AC-Quelle über Koppel-C Zu welcher Zweck dient der hochohmige Widerstand RK ? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 55 Roland Pfeiffer
