Elektronische basisschakelingen: Oefenzitting 2

Transcriptie

1 Elektronische basisschakelingen: Oefenzitting 2 Lynn Verschueren ([email protected]) October 31, 2018 De meest recente versies van deze teksten zijn te vinden op: h01m3/ Formuleoverzicht Deze oefenzitting gebruiken we volgende formules: NMOS transistor groot signaal v DS v GS V T : saturatiegebied : i DS = K W L (v GS V T ) 2 (1 v DS V E L ) v DS < v GS V T : lineair gebied: i DS = K W L ((v GS V T )2v DS v 2 DS ) PMOS transistor groot signaal v SD v SG V T : saturatiegebied : i SD = K W L (v SG V T ) 2 (1 v SD V E L ) v SD < v SG V T : lineair gebied: i SD = K W L ((v SG V T )2v SD v 2 SD ) Bipolaire transistor groot signaal i C = I S e v BE kt /q i C i B = i E i C = β i B kt q = 26mV (bij kamertemperatuur) NMOS transistor klein signaal (in saturatie) (kan je zelf afleiden!) g m = 2I DS V GS V T r 0 = V EL V DS I DS 1

2 Figure 1: Kleinsignaal schema van een nmos transistor PMOS transistor klein signaal (in saturatie) (kan je zelf afleiden!) g m = 2I SD V SG V T r 0 = V EL V SD I SD Figure 2: Kleinsignaal schema van een pmos transistor Bipolaire transistor klein signaal (kan je zelf afleiden!) g m = I C kt/q r π = β g m Figure 3: Kleinsignaal schema van een bipolaire transistor 2

3 1 Differentieelversterker 1.1 Differentieelversterker met weerstanden als last V dd v UIT,L v UIT v UIT,R 2 v B 2 I B V IN V IN V ss Figure 4: Elementaire differentieelversterker Gegegeven: De versterker uit figuur 4. De parameters voor de transistoren van het differentieel paar zijn: V T = 0.7V,K = 50 µa, W = 118µm,L = V 2 0.5µm,V E = 50 V. Verder is I µm B = 1mA, V dd = 3V en V ss = 0V. 1. Bereken V IN en zodat V B = 0.5V en V UIT,L = V UIT,R = 2V. 2. Teken een kleinsignaal schema in het bekomen werkingspunt. Bepaal de kleinsignaal parameters r 0 en g m. 3. Bepaal de volgende parameters: A d = v uit,l v uit,r A c = v uit,l v uit,r 2 = v uit in de veronderstelling dat = 0V in de veronderstelling dat = 0V Commonmode rejection ratio CMRR = A d A c. Druk dit ook eens uit in db. Beschrijf wat er gebeurt met de grootsignaalstromen in de twee takken en de spanningen op de knopen wanneer een beetje stijgt. (Bemerk dat r 0 >> en in een eersteorde beschrijving dus verwaarloosd kan worden). Wat is de functie van de transistoren? Wat is de functie van de weerstanden? 3

4 1.2 Differentieelversterker met nietideale instelstroombron V dd v UIT,L v UIT v UIT,R 2 v B 2 V bias I B V IN V IN V ss Figure 5: Differentieelversterker met nietideale instelstroombron Gegegeven: De versterker uit figuur 5. De parameters voor de transistoren van het differentieel paar zijn: V T = 0.7V,K = 50 µa, W = 118µm,L = V 2 0.5µm,V E = 50 V. De NMOS die voor de instelstroom zorgt levert I µm B = 1mA in het instelpunt waar V B = 0.5V en heeft r 0 = 75kΩ. Verder is V dd = 3V en V ss = 0V. 1. Bereken V IN en zodat V B = 0.5V en V UIT,L = V UIT,R = 2V. 2. Teken een kleinsignaal schema in het bekomen werkingspunt. Bepaal de kleinsignaal parameters r 0 en g m. 3. Bepaal voor het bekomen instelpunt volgende gegevens: A d = v uit,l v uit,r A c = v uit,l v uit,r 2 = v uit in de veronderstelling dat = 0V in de veronderstelling dat = 0V Commonmode rejection ratio CMRR = A d A c. Druk dit ook eens uit in db. 4. Extra: voor de insteltransistor geldt eveneens V T = 0.7V,K = 50 µa V 2 en V E = 50 V. Bepaal W en L van de instelnmos zo dat aan de µm gegevens voldaan is (I B = 1mA bij V B = 0.5V en r 0 = 75kΩ) indien V BIAS = 1.2V wordt gekozen. 4

5 1.3 Differentieelversterker met bipolaire transistoren Figure 6: Differentieelversterker met bipolaire transistoren Gegegeven: De versterker uit figuur 6. De parameters voor de transistoren van het differentieel paar zijn: β = 100, V BE,DC = 0.7V. Verder is V DD = 3V, V SS = 0V, R S = 10kΩ, en I BIAS = 1mA. 1. Bereken V IN en zodat V BIAS = 0.5V en V UIT,L = V UIT,R = 2V. 2. Teken een kleinsignaal schema in het bekomen werkingspunt. Bepaal de kleinsignaal parameters r π en g m. 3. Bepaal de volgende parameters: A d = v uit,l v uit,r = v uit in de veronderstelling dat = 0V A c = v uit,l v uit,r 2 in de veronderstelling dat = 0V Commonmode rejection ratio CMRR = A d A c. Druk dit ook eens uit in db. 5

6 2 Stroomspiegel 2.1 Elementaire stroomspiegel V dd V BIAS i B v IN i IN i UIT 1 : 5 V ss v UIT i in v in R IN i in A R UIT i uit v uit Figure 7: Elementaire stroomspiegel en kleinsignaal equivalent model Gegeven: De stroomspiegel uit figuur 7. De parameters voor de linkertransistor zijn: V T = 0.7V,K = 50 µa, W = 10µm,L = 1µm,V V 2 E = 50 V. µm De parameters voor de rechtertransistor zijn: V T = 0.7V,K = 50 µa, W = V 2 50µm,L = 1µm,V E = 50 V. Verder is I µm B = 0.1mA, V BIAS = 1V, = 100Ω, V dd = 3V en V ss = 0V. Ter Info: de gate en drain van de linkertransistor zijn met elkaar verbonden. Daardoor vertoont de i DS v DS karakteristiek een (iets meer dan) kwadratische verloop, wat van ver wel wat lijkt op de exponentiële karakteristiek van een diode. Daarom noemt men dit een transistor in diodeconfiguratie. Ter info: de bedoeling van dit circuit is om de stroom die in de linkertak vloeit zo goed mogelijk te spiegelen (met een vermenigvuldigingsfactor) naar de rechtertak. Om een goede spiegeling te bekomen moeten de twee transistoren in hetzelfde instelpunt werken, anders is er een afwijking van de gewenste verhouding tussen de i DS en (en daarmee in g m en r 0 als we enkel naar de kleinsignaalstroom kijken). Door het verbinden van de gates is de belangrijkste parameter, v GS identiek. 6

7 Ter info: in dit schema stelt en V bias een Théveninequivalent voor van een volgend stroomgestuurd systeemblok, en idealiter is (de kleinsignaal weerstand) dan ook klein. 1. Bepaal de DCinstelling van het circuit (concreet: bepaal de spanningen op alle nodes en de stroom I UIT als i B = I B ). (Derdegraadsvergelijkingen mag je met het rekentoestel oplossen). 2. Bepaal voor het bekomen instelpunt het kleinsignaal schema en de bijhorende parameters. 3. Bepaal het equivalente kleinsignaal model zoals afgebeeld in figuur 7 (e.g. bepaal R IN, R UIT en A voor de stroomspiegel alleen). 4. Bepaal i uit i in, rekening houdend met het volledige circuit uit figuur 7. 7

8 2.2 (Extra) Verbeterde stroomspiegel V dd i B V BIAS i IN i UIT V C T 3 T 4 v IN T 1 1 : 5 V ss T 2 v UIT Figure 8: Verbeterde stroomspiegel Gegeven: De verbeterde stroomspiegel uit figuur 8. De parameters voor de transistoren zijn V T = 0.7V,K = 50 µa en V V 2 E = 50 V. µm T 1 en T 3 : W = 10µm,L = 1µm T 2 en T 4 : W = 50µm,L = 1µm Verder is I B = 0.1mA, V BIAS = 1V, = 100Ω, V dd = 3V en V ss = 0V. 1. Bepaal V C zodat V DST1 = 0.5V 2. Bepaal de DCinstelling van het circuit. (concreet: bepaal de spanningen op alle nodes als i B = I B ). Voor de uitgangsinstellingen I UIT, V UIT en V 2 kan je stoppen als je een stelsel hebt dat in principe oplosbaar is. Het resultaat mag je uit de oplossingen overschrijven. 3. Bepaal voor het bekomen instelpunt het kleinsignaal schema. 4. Bepaal het equivalente kleinsignaal schema zoals afgebeeld in figuur 7. e.g. bepaal R IN, R UIT en A voor de stroomspiegel. Vereenvoudig waar mogelijk (e.g. laat in optellingen alle termen weg die minder dan 5% van het totaal uitmaken.) 5. Bereken i uit i b voor het volledige circuit. 8