SP - UMEL - Vysoké učení technické v Brně

Návrh analogových integrovaných obvodů (BNAO) 91Předpokládáme, že návrhář samozřejmě chce dosáhnout maximálně možného rozsahuvýstupního napětí, hlavně případě výstupního stupně. To je třeba hlavně z důvodu dosažení conejlepšího poměru signálu k šumu (SNR, signal-to-noise ratio).Rovnice ( 10.15 ) dává do souvislosti pracovní proud a poměr W/L tranzistoru.K dosažení vhodného poměru W/L (myšleno „realizovatelného“ a také je potřeba vzít už teďv úvahu potřeby layoutu a „matchingu“) musíme určit velikost pracovního proudu. Při jehourčování je třeba myslet na požadované zesílení,spotřebu a „rychlost“ (kmitočtové vlastnosti), neboťvšechny tyto parametry volba velikosti pracovníhoproudu přímo ovlivní (viz. Poučky v předchozíchkapitolách).Pracovní proud určuje konečné zesílení ašířku pásma celého stupně. Předpokládejme, že obaDOPORUČENÍ!Drž saturační napětí tranzistorův jakémkoliv výstupním stupninízké: rozsah výstupního signálubude velký a dynamický rozsah seodpovídajícím způsobem zvýší.tranzistory musí být v saturaci a potom můžeme použít rovnice ( 10.4 ) a ( 10.10 ) k určenívhodné velikosti pracovního proudu. První rovnice určuje konečné zesílení a druhá kmitočetjednotkového zesílení (pro pohodlnost čtenáře uvádíme obě rovnice znovu)Av= −⎛W⎞WCoxCoxL2 ⎛ ⎞2µ 1 ⎜ ⎟µ1 ⎜ ⎟( 10.16 )⎝ ⎠11 ⎝ L ⎠f =IIDTD( λ + λ ) 2πC2+ C3npPro danou (návrhář musí samozřejmě znát technologii, kterou bude při návrhu využívat)technologii jsou parametry (2µC ox ) 1/2 /(λ n +λ p ) a (2µC ox ) 1/2 známy. Potom opravdu rovnice (10.16 ) mohou být využity k určení hodnoty pracovního proudu a potažmo poměru W/L.předpokládejme například, že použijeme nmos tranzistor jehož KP je 180µA/V 2 , zvolíme takévhodné λ n =8,5*10 -2 V -1 a λ p =3,5*10 -2 V -1 . Typická hodnota (C 2 +C 3 ) je 0,75 pF. Po dosazenído ( 10.16 ) nám pro proud v mA vychází soustava rovnicAv⎛ W ⎞⎜⎝⎟L ⎠ 18 ⎛W⎞= −5 fT= 1.27 ⋅10⎜ ⎟I⎝ L ⎠D1ID( 10.17 )Tuto soustavu lze řešit zadáním požadovaného zesílení a tranzitního kmitočtu. Pokudchceme A v =-80 a f T =300 MHz dostáváme (W/L)=38 a I D =147 µA.Připomeňme ještě, že navíc musíme zajistit vhodné podmínky pro výstupní uzel. Zátěžinvertoru musí být kapacitní (jinak konečná velikost výstupního odporu spolu s rezistivnízátěží ovlivní hodnotu zesílení stupně) a navíc během změn výstupního signálu je potřeba,aby obvod byl schopen dodávat resp. odsávat proud ze zatěžovacího kapacitoru ve výstupnímuzlu. Pokud proud zajišťuje aktivní tranzistor (M1), tak s tímto není problém. V opačnémpřípadě, pokud pracuje jako zdroj proudu aktivní zátěž, dostáváme další omezení – rychlostpřeběhu (SR, slew rate)dVIout bias≤ ( 10.18 )dtCLoadkde C Load je celková kapacita výstupního uzlu, C 2 +C 3 , jak je vidět ve schématumalosignálového modelu, Obr. 48. Pokud je navržený pracovní proud dostatečně velký, abybyl splněn požadavek na SR, můžeme přistoupit k dalšímu kroku. V opačném případěmusíme zvětšit pracovní proud stupně a přistoupit ke kompromisnímu řešení mezi parametry,které si navzájem odporují – konečné zesílení X rychlost.