ULAZNI STEPEN

1. ULAZNI STEPEN Johan Huijsing, OPERATIONAL AMPLIFIERS, Theory and Design,Kluwer Academic Publishers, 2001, Ch 4.

2. Ofset, polarizacija i drift Jednosmerni ulazni napon i struja potrebni za pobudu ulaznih tranzistora rezultuju ekvivalentnim ofset i polarizacionim ulaznim veličinama. Njihova promena u vremenu, sa naponom napajanja ili temperaturom naziva se driftom. Ulazna snaga koju daje pobudni izvor je proizvod diferencijalnog ulaznog napona i ulazne struje. Da bi ulazna snaga mogla da bude mala tj. osetljivost velika, potrebno je da ofset, struja polarizacije i drift budu mali. Najmanja pobudna snaga je potrebna ako su ulazni tranzistori u sprezi sa zajedničkim emitorom ili sorsom (GA - general amplifier). Postoje dve opšte tehnike za smanjenje efekata jednosmernih napona i struja: izolacija i balansiranje. Tehnika izolacije Jedna od najuspešnijih tehnika za smanjenje ofseta i ulaznih signala polarizacije je primena aktivnih elemenata čiji je ulaz električno izolovan od unutrašnjih jednosmernih napona i struja. Primer ove tehnike je varaktorski elektrometarski pojačavač sa varaktor – diodama kao naponski zavisnim kapacitivnostima, koji može da ima ulaznu ofset struju jednaku svega 10fA uz ulazni ofset napon od 1mV. Druga tehnika izolacije je razdvajanje korisnog frekventnog opsega od frekventnog opsega u kojem su komponente interferencija kao što su ofset, drift i fliker šum. Ova tehnika je primenjena u čoperskim pojačavačima, koji mogu da imaju ulazni ofset 1V i 1nA.

3. Izolacija se takodje primenjuje za redukciju uticaja okoline: termička izolacija itd. Da bi se postigle male vrednosti ofseta i drifta, ulazni stepen mora da ima dovoljno pojačanje, da bi se otklonio uticaj ofseta i drifta ostalih stepena. Stepen izolacije nije ograničen, nego se može povećavati povećanjem “izolacione barijere”. Nasuprot izolaciji, mogućnost balansiranja je ograničena preciznošću uparivanja elemenata, odnosno procesom integracije. Izolacija nekad ne može da se primeni, pa preostaje tehnika balansiranja. Tehnika balansiranja Tehnika balansiranja redukuje ulazni napon i struju jednog tranzistora uzemljenog ulaza zamenjujući ih razlikom ulaznog napona i struje dva ulazna tranzistora neuzemljenog ulaza.

4. Za uzemljeni ulaz je: a za neuzemljeni ulaz:  drugi i treći član jednaki su po oko 20V gde su:

5. Efekti gradijenata u dopiranju, temperaturi i istezanju materijala može približno da se poništi korišćenjem dvostruko balansiranih tranzistora u unakrsnom četvorostrukom rasporedu: Zbog profila dopiranja takođe se preporučuje da svi tranzistori budu jednako orjentisani. Takođe, zbog naprezanja profili aluminijuma i oksida oko svih tranzistora treba da budu jednaki. Kod balansiranog ulaza može da se ostvari korist od male ofset struje samo ako je i izvor pobudnog signala balansiran. U tom slučaju se poništavaju naponi na otpornostima izvora Rsd /2 koji potiču od srednje vrednosti jednosmernih ulaznih struja polarizacije, pa se na ulazni signal superponira samo RsdII OFFS , što je za red veličine manja vrednost. Drugi način smanjenja ulaznih struja je njihova kompenzacija internim strujnim izvorima. Ovo povećava ulazne struje šuma najmanje za faktor 2.

6. Ulazne struje se mogu smanjiti i smanjenjem ukupne emitorske struje, ali se time smanjuje i gm ulaznih tranzistora. Mogu se primeniti i super  tranzistori. Ako se upotrebe JFET ili MOSFET, ofset napon se povećava za red veličine, a povećava se i fliker šum. Temperaturni drift bipolarnog balansiranog (diferencijalnog) ulaznog stepena je Dakle, pod uslovom glavni deo ofset napona i drift ofset napona biće jednaki nuli. Dobrim trimovanjem u praksi se postiže drift ispod 1V/K.

7. Kolo za trimovanje potenciometrom ofset napona i drifta. Sledeći stepen treba da bude projektovan tako da ne narušava balans Za balansirani MOS ulazni stepen u režimu jake inverzije ofset napon je : Prvi član se vrlo teško kontroliše.

8. Temperaturni drift ofset napona je : Zbog različitih temperaturnih koeficijenata članova ofset napona, potrebno je dvostruko trimovanje, kao naprethodnoj slici. Dobrim trimovanjem u praksi se postiže drift ispod 10V/K.

9. Šum Šum može da se posmatra kao fluktuacija ulaznih veličina polarizacije i ofseta. Stoga se i za šum primenjuje izolacija i balansiranje. Tehnika izolacije Šum se predstavlja naponskim izvorom Vn i strujnim izvorom In, koji mogu da se predstave ekvivalentnom rednom otpornošću šuma Reqs = V2n /4kT odnosno ekvivalentnom paralelnom otpornošću šuma Reqp = 4kT/I2n . Kod BJT je Reqs re /2 + rbbi Reqp  2re . Praktične vrednosti su 100 i 10k  pa naviše. Kod MOST jeReqs  (2/3)/ gm (oko 500 ), a Reqp jepredstavljeno izolacijom oksidagejta (oko 100M na niskim učestanostima). Pored toga, fliker šum dominira kod BJT ispod 100Hz, a kod MOST ispod 10kHz. Napon šuma MOST je inverzno proporcionalan korenu iz površine gejta.

10. Drugi korak u niskošumnom projektovanju je prilagođavanje odnosa Vn i In otpornosti izvora Rs. Ako je ukupna raspoloživa snaga šuma izvora Pns , a ekvivalentna snaga šuma pojačavača je Pn = VnIn, faktor šuma F je Tehnika balansiranja U slučaju simetričnog izvora, minimum faktora šuma balansiranog (diferencijalnog) ulaznog stepena je isti kao kod nebalansiranog ulaznog stepena:

11. Ako je izvor asimetričan (a=1) šum je veći 2 puta. Da bi bilo F < 2, Rsd treba da bude između Reqs i Reqp . Kod niskošumnog projektovanja potrebno je da ulazni stepen ima dovoljno veliko pojačanje tako da uticaj šuma drugih stepena bude zanemarljiv.

12. Faktor potiskivanja srednje vrednosti Postiže se izolacionim (slika levo) i balansnim tehnikama (slika desno). Tehnika izolacije Prirodno se uklapa sa zahtevom za neuzemljeni ulazni par krajeva. Izolovani prenos signala može da se ostvari različitim vrstama nosilaca energije: Sprezanje optičkom energijom, magnetnom, energijom magnetnog polja transformatora, protokom naponski izolovanog električnog opterećenja. Poslednji način je pogodan za integraciju i može da se realizuje na dva načina: Neuzemljeni kondenzatori mogu prekidačima da se priključuju na ulaz ili na ostatak pojačavača, i drugo, primena strujnih izvora, koji mogu da prenose energiju i signal bez realizacije veze zavisne od napona.

13. Tehnika balansiranja Za sliku desno sa prethodnog slajda je , gde su Otpornici mogu da se upare u integrisanim kolima do 0,1%, što ograničava CMRR. Kombinovanje izolacije i balansiranja Ulaz kola je povezan sa ostalim delovima kola samo strujnim izvorima, pa srednja vrednost ulaznog napona ne utiče na raspodelu struja u ulaznom kolu.

14. Preciznija ekvivalentna šema izračunavanja postignutog preslušavanja odnosno potiskivanja ulaznog napona srednje vrednosti i varijacije napona napajanja. Uticaj paralelne ulazne impedanse Zp1 i Zp2 na faktor potiskivanja

15. Uticaj izlazne impedanse tranzistora Manje preslušavanje se može postići kaskodiranjem pri čemu se mora napon baza ili gejtova kaskodirajućih tranzistora butstrepovati CM ulaznim naponom. Impedansa strujnog izvora Ako se strujni izvor realizuje kao ZB sa Re Manje preslušavanje se može postići kaskodiranjem strujnog izvora (ili kompenzacijom varijacije njegove struje).

16. Impedansa između kolektora i baze Prvi uticaj je isti kao uticaj kao paralelne izlazne impedanse: Drugi uticaj se ogleda u direktnom prenosu signala od ulaza ka izlazu. Ove impedanse zajedno sa kolektorskim otpornicima sačinjavaju most. Deljenjem pojačanja tog mosta sa diferencijalnim naponskim pojačanjem dobija se: Impedansa u bazi Kroz ove impedanse teku komponente srednjih vrednosti struja baza koje opterećuju izvor signala Uticaj osnove Kod CMOS procesa sa osnovom p tipa, osnove svih n-kanalnih tranzistora su zajednički vezane za negativni priključak baterije za napajanje i ne mogu se vezati za sors (nasuprot tome, ostrvo p-kanalnih tranzistora može da se veže pojedinačno za sors. Razlike u transkonduktansama gmb tranzistora su izvor preslušavanja reda veličine -60dB:

17. Ovo drastično ograničava minimalnu vrednost preslušavanja n-kanalnih CMOS diferencijalnih stepena. Kod p-kanalnih CMOS diferencijalnih stepena sa ostrvom (“back-gate”) vezanim na sors preslušavanje je najviše 104 tj. 80dB, što je ipak za red veličine veće nego kod bipolarnih tranzistora. Situacija se popravlja povećanjem odnosa W/L (tj. povećanjem gm). Pri slaboj inverziji gm je samo oko 2 puta manje nego kod BJT. I ovde se može postići poboljšanje primenom kaskodiranja (pri čemu se mora napon baza ili gejtova kaskodirajućih tranzistora butstrepovati CM ulaznim naponom). Ukupni 1/Ht = CMCR (tj. 1/CMRR) Ukupni CMCR u najgorem slučaju se dobija superpozicijom

18. Najveći uticaj imaju 1/H2 i 1/H3 .Oba su ograničena unutrašnjim pojačanjem tranzistora  = rce /re tj.  = rdsgm , kod ulaznih tranzistora odnosno tranzistora u strujnom izvoru. Sa bipolarnim tranzistorima se postiže CMCR oko 105 , a sa CMOS oko 104 . U oba slučaja poboljšanje se postiže povećanjem izolacije npr. kaskodiranjem. Za malu vrednost 1/H celog operacionog pojačavača potrebno je da prvi tj. ulazni stepen ima malu vrednost 1/H1 i malu vrednost recipročnog faktora diskriminacije 1/F1 . Mala vrednost 1/F1 smanjuje uticaj CMCR drugog stepena 1/H2 na ukupnu vrednost 1/F1H2 . Takođe smanjuje dodatno preslušavanje ako je neki od stepena uzemljen kao kod OVA. Ako je drugi stepen sa 1/F2 uzemljen, doprinos preslušavanju je 1/(F1F2). U tom slučaju ukupan CMCR je Pri porastu učestanosti preslušavanje se povećava zbog parazitnih paralelnih kapacitivnosti.

19. “Rail-to-rail” ulazni stepeni Za p-kanalni par je a za n-kanalni par je Opseg CM ulaznog napona može da se proširi van granica napajanja za odnosno . Pošto bi se ova mogućnost izgubila ako bi se primenila strujna ogledala, iza ulaznih tranzistora se koriste “presavijeni” kaskodirajući tranzistori. Kada se oba ovakva para vežu paralelno, dobija se opseg CM ulaznog napona Da se ne bi pojavio zabranjeni opseg napona u sredini, treba da bude zadovoljen uslov , što je za CMOS tehnologiju oko 1,8V, a za BJT oko 1,6V.

20. “Presavijeni” kaskodirajući tranzistori M5 – M8, zajedno sa vezom M6 i M8 kao strujnog ogledala, sabiraju izlazne struje ulaznih parova. Mana ovog jednostavnog komplementarnog strujnog ogledala je varijacija transkonduktanse gmtot između gmRef i 2gmRef . Ova mana onemogućava optimalnu kompenzaciju. Konstantno gm pomoću konstantnog zbira struja strujnih izvora Za sliku na sledećem slajdu je:

21. Pri promeni CM napona kroz zonu prebacivanja kada se menja par koji funkcioniše, menja se i ofset napon ulaznog para. Širina zone prebacivanja je oko 120mV za BJT, centrirano oko VR1. Uz pažljivi lejaut promena ofset napona je oko 0,1mV, pa je CMCR u ovoj zoni Ovo može da se popravi oko 10 puta ubacivanjem otpornika u emitor Q5 . Ovim se širi zona prebacivanja (ali i povećava minimalni napon napajanja za RR rad).

22. Sa gornje slike se vidi da gmtot nije konstantno kada se komplementarni ulazni stepen realizuje sa CMOS tranzistorima u režimu jake inverzije i strujnim ogledalom jediničnog pojačanja, pošto je Konstantno gm pomoću konstantnog zbira korenova struja strujnih izvora Na sledećem slajdu je prikazan komplementarni ulazni stepen sa CMOS tranzistorima u režimu jake inverzije i strujnim ogledalom sa odnosom struja 1:3. Kada oba ulazna para funkcionišu, obe struje strujnih izvora su IRef . Kada samo jedan ulazni par funkcioniše, prekidač M5 ili M8 zajedno sa jednim od strujnih ogledala, učetvorostručava struju strujnog izvora aktivnog para (4IRef). Stoga je rezultantna vrednost gmtot približno konstantna (sl. dole). U prelaznim oblastima gmtot varira oko 15%.

24. Pri malim vrednostima napajanja može da se desi da oba strujna ogledala rade istovremeno. Tada struja naglo poraste zbog pozitivne povratne sprege. Prelazne oblasti su centrirane oko VB2 i VDDVB1. Uz varijaciju ofset napona od 1mV u obe prelazne oblasti od 500mV je preslušavanje Konstantno gm pomoću kontrole rasipanja (odvođenja) struje

25. Kontrolni tranzistori M5 i M6 zajedno sa tranzistorima ulaznih parova formiraju naponsku translinearnu petlju Bira se odnos W/L tranzistora M5 i M6 6 puta veći nego kod ulaznih tranzistora (p-kanalni tranzistori su tri puta širi od n-kanalnih zbog razlike u pokretljivosti). U režimu jake inverzije je Pri je Tranzistori u parovima imaju Na kraju CM opsega u kojem svi tranzistori provode je ili obrnuto, pa je što je samo 14% manje od Sa daljom promenom CM napona, struja aktivnog para postaje pa je ponovo Ovo kolo je jednostavnije i brže od kola sa strujnim ogledalima, ali se pri srednjim CM naponima troši 4 puta više struje. Izlazna struja drejna se menja od 0 do 4 Iref u funkciji CM napona.

26. Izmenom kola može se postići da se izlazna struja ne menja pri promeni CM napona. Kontrolni tranzistori se podele na dva i njihovi drejnovi spoje sa izlazima parova: Ako se ubaci napon razlike VLS između gejtova kontrolnih tranzistora može da se smanji odnos W/L kontrolnih tranzistora zadržavajući odnos 6 prema dva u odnosu na struje ulaznih tranzistora. Daljim povećanjem VLS može da se proširi prelazna oblast i tako smanji preslušavanje.

27. Ako se ovakav metod sa translinearnom petljom primeni na BJT ili MOS u režimu slabe izverzije, gmtot ostaje teorijski konstantno Ako su površine emitora kontrolnih tranzistora dva puta veće

28. I ovde se može postići konstantna izlazna struja podelom kontrolnih tranzistora. Ubacivanjem VLS i degeneracijom emitora podeljenih kontrolnih tranzistora smanjuje se preslušavanje.

29. Konstantno gm u CMOS tehnologiji pomoću kontrole zasićenja

30. Glavni strujni izvori su a kompenzacioni pa se u srednjem opsegu CM napona dobija od svakog para (pošto se napajaju sa ), pa je Na krajevima opsega CM napona su oba strujna izvora na jednoj strani isključena, a druga strana ima pa je ponovo Kada izvori sa jedne strane počinju da provode, glavni izvor nije zasićen dok ne provedu tranzistori njegovog ulaznog para, jer kompenzacioni izvor na suprotnoj stani prima samo

31. Konstantno gm u CMOS tehnologiji pomoću višestrukih ulaznih parova Struje iz ogledala ili iz tranzistora za kontrolu zasićenja usmeravaju se u dodatne ulazne parove. Tako se na krajevima CM opsega udvostručava ne samo struja nego i odnos W/L. Rezultujuća varijacija gmtot je 14%. Konstantno gm u CMOS tehnologiji pomoću konstantnog zbira VGS Suštinski način ostvarivanja konstantnog gmtot pri promeni CM napona kod CMOS kola u režimu jake inverzije je održavanje zbira VGS napona konstantnim, pošto se time i zbir transkonduktansi održava konstantnim. Realizacija konstantnog zbira VGS ulaznih komplementarnih parova se postiže elektronskom zener diodom Z kao na slici gore na sledećem slajdu. Slika dole prikazuje i realizaciju elektronske zener diode. Analizom funkcionisanja kola sa donje slike može se utvrditi da u srednjoj oblasti rade oba ulazna para i struje njihovih strujnih izvora su 2IRef , a na krajevima opsega radi samo jedan par a struja njegovog strujnog izvora je 8IRef .

33. gmtot za metod konstantnog zbira VGS

34. Projektovanje ulaznog stepena sa RR (1V) ulaznim CM naponom pomoću pobude na priključcima osnove. Sa ovakvom pobudom gmtot je oko 10 puta manje u poređenju sa pobudom na gejtovima, što ima za posledicu 10 puta veći uticaj ofseta i šuma. Pored prikazanih, postoje i tehnike kojima se ulazni CM opseg može proširiti znatno ispod donje ili iznad gornje granice napajanja.