đite na kolokvijum mnoooogo je lakŠe!leda.elfak.ni.ac.rs/education/elektronika... · t dd p d d...

1

Osnovi elektronikePredispitne obaveze: U JANUARU OSTALO

Redovno pohađanje nastave (predavanja+vežbe) 10% 10%

Odbranjene laboratorijske vežbe 10% 10%

Kolokvijum I (26.11.2016.) 50% 20%

Kolokvijum II (21.01.2017.) 50% 20%

------------------------------

120% 60%

29. novembar 2016. 1Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/

Ukupan skor u januaru može biti 120% PRE ISPITASavet: Izađite na kolokvijumMNOOOOGO JE LAKŠE!

2

Jednostepeni MOSFET pojačavači

3

Osnovi elektronike

29. novembar 2016. 3Uvod http://leda.elfak.ni.ac.rs/

Najzad da vidimo od čega se sastoji, kako radi, kako se pravi pojačavač sa MOS tranzistorima?

429. novembar 2016. Jednostepeni MOSFET pojačavači

Osnovne osobine MOS tranzistora

Sadržaj:1. Uvod

Osnovne osobine MOS tranzistora2. Pojačavač sa zajedničkim sorsom3. Pojačavač sa zajedničkim gejtom4. Pojačavač sa zajedničkim drejnom5. Kaskodni pojačavači6. Pojačavač sa CMOS parom7. Pojačavač sa zajedničkim sorsom


Osnovne osobine MOS tranzistora

MOSFET – transkonduktansni pojačavač:• Tranzistor radi u oblasti zasićenja:

• vGS>Vt; vDS>vGS-Vt

• Napon vGS kontroliše struju id=gmvgs

• id ne zavisi od RD !!! Samo od vgs

• iG=0, Ru => ∞• Laka realizacija u IC

0

)()1()(´2

1

)1()(´2

1

22

2

=

−⋅≈+−=

+−=

G

tGSDStGSnD

A

DStGSnD

i

VvAvVvL

Wki

V

vVv

L

Wki

λ

629. novembar 2016. Jednostepeni pojačavači sa BJT

Sadržaj

1. Pojačavač sa zajedničkim sorsom

2. Pojačavač sa zajedničkom gejtom

3. Pojačavač sa zajedničkim drejnom

Važi za SVE konfiguracije:Princip rada - Tranzistor u ZASIĆENJUDC polarizacija – obezbeđuje rad u ZASIĆENJUOdnosi snaga – troši energiju i u odsustvu signalaAnaliza za male signale na SF (ravna amplitudska)

Pojačanje?Ulazna otpornost?Izlazna otpornost?

Ponašanje na niskim frekvencijama, NFPonašanje na visokim frekvencijama, VF


Sadržaj

Važi za SVE konfiguracije:Postupak AC analize (za male signale):

A) Transformišemo električnu šemu u ekvivalentnu šemu za male signale (kako mali signali „vide“ pojedine komponente)

a) Zamenimo sve sve poluprovodničke komponente dinamičkim modelima


Sadržaj



b) Kratkospojimo DC izvore konstantnog napona

c) Uklonimo DC izvore konstantne struje


Sadržaj


A) Transformišemo električnu šemu u ekvivalentnu šemu zamale signale (kako mali signali „vide“ pojedinekomponente)

d) U el. šemi ostaju svi elementi neophodni za DC polarizaciju tranzistora

B) Odredimo iz ekvivalentne šeme pojačavačaNaponsko pojačanje neopterećenog pojačavačaUlaznu otpornostIzlaznu otpornost


Sadržaj



B) Odredimo iz ekvivalentne šeme pojačavačaNaponsko pojačanje neopterećenog pojačavačaUlaznu otpornostIzlaznu otpornost

C) Pojačavač u kolu zamenimo modelom


Analiza za male signam

Aovu

Ri

Ru

iu

vu

ii

vi

12

Rp

12

12

Vg

0

Rg12

+

+==

+=⇒

+=

+=⇒

+=

==

genu

u

ip

p

gen

u

gen

iu

genu

u

gen

ugen

genu

uu

ip

p

u

iu

ip

p

i

gen

u

u

i

gen

iu

RR

RA

RR

R

v

v

v

vA

RR

R

v

vv

RR

Rv

ARR

R

v

vvA

RR

Rv

v

v

v

v

v

vA

0

00

Rgen

vgen

Odredimo ukupno pojačanje



2. Pojačavač sa zajedničkim gejtom

3. Pojačavač sa zajedničkim drejnom

4. Kaskodni pojačavači

5. Pojačavač sa CMOS parom

Jednostepeni pojačavači sa MOST

13


a. Princip radab. DC polarizacijac. Odnosi snaga d. Stabilnoste. Analiza za male signale

i. Ulazna otpornost beskonačnaii. Pojačanje neopterećenog pojačavača?iii. Izlazna otpornost?

f. Analiza u frekvencijskom domenu

Pojačavač sa zajedničkim sorsom


• Tranzistor radi u konfiguraciji ZSUlaz => vGS pobuda u kolu gejtaIzlaz => iD, vDS potrošač u kolu drejna

iD= iS

• Tranzistor radi u oblasti zasićenja• Pojačava male signale (u okolini radne tačke)• Obrće fazu• Pojačavač napona


iD

vDS

iG=0

vGS

vGD

a) Princip rada:



b) DC polarizacija

Obezbediti rad u oblasti zasićenja:VGS > Vt; VDS>VGS-Vt

VDS

ID

VGS

IG1=IG2

Veoma malo

DD

GG

GGS V

RR

RV

21

2

+=

DDDDDS IRVV −=

0=GI

22

2

)(

)(´2

1

OVtGSD

tGSnD

VAVVAI

VVL

WkI

⋅=−⋅=

−=



b) DC polarizacija

Nagib -1/RD

Obezbediti rad u oblasti zasićenja:vGS>Vt; vDS>vGS-Vt

M

VDSM

IDM

Dinamički opseg izlaznog napona

vDS

VDSmin= vGS-Vt VDSmax= VDD

VDSM=VDD/2

VDSM

Radna prava

17


b) DC polarizacija - otpornik G-D

,DSGS VV =

Tranzistor uvek u zasićenju,

VDS=VGS>VGS-Vt

Zašto?

Šta to znači?

18

VS=?

VS< -Vt



b) DC polarizacija - izvor konstantne struje

( ) )(´2

122 tGSnD VV

LWkII −==

( )( )

1

2

LW

LW

IIREF

=

( ) ,)(´2

1 211 tGSnDREF VV

LWkII −==

VGS

VG=?

VG=0

SSSGtGS -V-V-VVVA

IV ===+= 0

I)VA(VI tGSD =−= 2

19


b) DC polarizacija + mali pobudni signal vgs

ID+ id

VGS+ vgs

Rp

20



vGS iD vDS

Pojačanje: A= vds/vgs

Da li obrće fazu?

Obrće fazu

DDDDDS IRVV −=

21



Da li i kako A zavisi od RD ?

RD A


Pojačavač sa zajedničkim emitorom

c) Odnosi snaga

VDS

iD

VGS

= Rp

Najjednostavniji slučaj

Trenutna snaga na RD

22 )( dDMpDpp

R iIRiRp +==

Srednja snaga na RD22

DeffpDMpp

R IRIRP +=

Prvi član odgovara struji u mirnoj radnoj tački (DC), a drugi potiče od efektivne vrednosti struje kroz RD.

DMdpdpDMpp

R IiRiRIRp 222++=

iG1=iG2

Veoma malo

2

0 min DMpiza

pR

pR IRPP

d

===


Pojačavač sa zajedničkim emitorom

c) Odnosi snaga Najjednostavniji slučaj

Trenutna snaga na tranzistoru

2)( DpDDDDDpDDT

DDSGGSDDST

iRiViiRVp

ivivivp

−=−=

=+=

Srednja snaga na tranzistoru

pRDDdT PPPP −==

Na tranzistoru se troši najveća snaga u odsustvu signala

DMDSMDMDMpDDT

DMpDMDDDMpDDRDDT

IVIIRVP

IRIVIRPPPPp

=−=

−=−=−=

)(max

22max min

VDS

iD

VGS

= Rp

iG1=iG2

Veoma malo

0



c) Odnosi snaga Najjednostavniji slučaj

Stepen iskorišćenja u odsustvu signala

%50

/2VV za

1

DDDM

=

=

−=−

=

−=

−==

η

η

η

η

DD

DM

CC

DMDD

DMDD

DMDMDMDD

DD

dDD

DD

pR

V

V

V

VV

IV

IVIV

P

PP

P

P

VDS

iD

VGS

= Rp

iG1=iG2

Veoma malo



d) Stabilnost

Nagib -1/RS

I’D2

Stabilnost: zavisnost ID od uzorka tranzistora

Uzorak 2

Uzorak 1

-1/RS→∞

DSGGS IRVV −=Radna prava



e) Analiza za male signale:

Pojačavač se pobuđuje iz mikrofona, a zvučnik ima ulogu potrošača

Rgen

vgen

Rp

Pobuđuje zvučnik

((Potrošač Rp)

Pobuda iz mikrofona (generator)


Sadržaj



a) Zamenimo sve sve poluprovodničke komponente dinamičkim modelima


Sadržaj



b) Kratkospojimo DC izvore konstantnog napona

c) Uklonimo DC izvore konstantne struje



e) Analiza za male signale: zamena dinamičkim modelima

Rgen

vgen

Rp

VDD i VEE - kratak spoj; I – beskonačna otpornost=prekid




Rgen

vgen

Rp

CS i CS1,2 kratak spoj



e) Analiza za male signale

Ekvivalentna šema

Rgen

vgen

Rp

Ru

Ri

vu

iu

vgs

vi




Ekvivalentna šema – tranzistor zamenjen modelom za male signale



e) Analiza za male signale:Svi elementi neophodni za DC polarizaciju

tranzistora ulaze u kolo pojačavača

Rgen

vgen

gmvgs

vgs

id

vd

iu

4.

Pojačavač

Rp

RiRu




Rgen

vgen

gmvgs

vgs

id

vd

iu

4.

PojačavačPobuda Potrošač

Rp

RiRu




( ) DgsmDogsmdsi RvgRrvgvv −≈−==

0

12

12

Ru=RG

Ri=?

Ao=?

Ru

gmvgs

ig=0

vgs

id

vds

Ri

iu

vu vi

∞→

=

pRu

i

v

vA0

( )Doddsi Rrivv −==

Obrće fazu




Rg

vg

Ru

gmvgs

ig=0

vgs

id

vds

Ri

iu

vu

)(0 Dom

pRu

i Rrgv

vA −==

∞→

vi

0

12

12

Ru=RG

Ri=?

Ao=?

DoDm RrRgA >>≈ za - 0




Rgen

vgen

Ru

gmvgs

ig=0

vgs

id

vd

Ri

iu

vu Rp

vi

0

12

12

Ru=?

Ri=?

Ao=?Aovu

Gu RR =




Rg

vg

Ru

ig=0

vgs

id

vds

Ri

iu

)(

0Do

ui

ii Rr

vi

vR =

=

=

vi

0

12

12

Ru=RG

Ri=?

Ao=-gmRD

DoDi RrRR >>≈ za

vu=0




Aovu

Ri

Ru

iu

vu

ii

vi

12

Rp

12

12

Vg

0

Rg12

gen

u

u

i

gen

iu

v

v

v

v

v

vA ==

0

12

12

Ru=RG

Ri=RD

Ao=-gmRD

Rgen

vgen

00 ARR

R

v

vvA

RR

Rv

ip

p

u

iu

ip

p

i+

=⇒+

=

genu

u

gen

ugen

genu

uu

RR

R

v

vv

RR

Rv

+=⇒

+=




Aovu

Ri

Ru

iu

vu

ii

vi

12

Rp

12

12

Vg

0

Rg12

( )

( )Dpmm

Dp

Dp

u

m

Dp

Dp

RRgenG

GDm

Dp

p

gen

iu

genu

u

ip

p

gen

u

u

i

gen

iu

RRggRR

RRA

gRR

RR

RR

RRg

RR

R

v

vA

RR

RA

RR

R

v

v

v

v

v

vA

genG

−=+

−≈

+−≈

+−

+==

++===

>>

0

0

12

12

Ru=RG

Ri=RD

Ao=-gmRD

Rgen

vgen




Aovu

Ri

Ru

iu

vu

ii

vi

12

Rp

12

12

Vg

0

Rg12

( ) 08.081010 3 −=⋅⋅−≈−=+

−≈

+−≈

++−=

−Dpmm

Dp

Dp

u

m

Dp

Dp

genG

G

Dp

Dmp

u

RRggRR

RRA

gRR

RR

RR

R

RR

RgRA

Rgen

vgen

Za slučaj da je RG=10MΩΩΩΩ, RD=2kΩΩΩΩ, gm=10mS (Rgen=600ΩΩΩΩ, Rp=8ΩΩΩΩ)



Nagib

DR1−


Nagib

( )pD RR

1−

Dinamička radna prava



Nagib

( )pD RR

1−

Nagib

DR1−




Nagib

zR1−

Nagib

DR1−


Za slučaj da je Rz=Rp=8ΩΩΩΩ)



Nagib

pR/1−

Idealna statička


Pojačanje će biti veće ukoliko

je RD veće.

Idealno bi bilo RD→∞

(samo Rp određuje pojačanje) .

Međutim, tada je u kolu prekid

i neće teći DC struja.

Koji je to element koji

propušta DC a ima beskonačnu

dinamičku otpornost?


Nagib

pR/1−

Idealna statička

e) Analiza za male signale – aktivno opterećenje

Koji je to element koji propušta DC a ima beskonačnu dinamičku otpornost?

DCAC



Ovo se lako implementira u CMOS tehnologiji preko pMOS tranzistora Q2 koji predstavlja dinamičko opterećenje tranzistoru Q1 koji radi u konfiguraciji ZS

tGS VV −2

or/1−Nagib=1/ro

IREF

Zasićenje ID2

VDS2=VGS2

Triodna

VDS2=VD2-VDD




pMOS kao aktivno opterećenje

IREF

VGS3=VDS2

=VGS2 tDDGtGS VVVVV −−=− 22

DDVDDDDSGS VVVV −== 222

iD1

Statička radna kriva

M



Male promene struje iD => velike promene napona vDS

Znači i male promene napona vGS => velike promene napona vDS


e) Analiza za male signale – RS degeneracija u sorsu

Rp

vu vgs

vi


Ru

Ri

Informativno

Rgen

vgen


Rg

vg

Rp

vuvgs

Gu RR =

gengenG

Gu v

RR

Rv

+=

u

Sm

mgs v

Rg

gv

+=

/1

/1

u

Sm

md

u

Sm

mmgsmd

vRg

gi

vRg

ggvgi

+=

+==

1

/1

/1

vi



Ru

Ri

Dodatak

Rgen

vgen


Rp

vuvgs

Gu RR =

gengenG

Gu v

RR

Rv

+=

( )pDdi RRiv −=

( )pDu

Sm

mi RRv

Rg

gv

+−=

1

vi

( )pD

Sm

m

u

i RRRg

g

v

vA

+−==

1

Sm

Dm

p

u

i

Rg

Rg

Rv

vA

+−=

∞→

=10



Ru

Ri

Koliko je A0 za RS=0?

Rgen

vgen


f) Analiza u frekvencijskom domenu


Prethodna analiza:

• Reaktanse svih kondenzatora zanemarene

Rezultat:

• Pojačanje ne zavisi od frekvencije -Ravna amplitudska karakteristika

• Prihvatljivo samo za frekvencije u propusnom opsegu



Realno kolo:

Reaktanse kondenzatora konačne

• Na NF CS i CC predstavljaju konačne impedanse

• CC blokiraju (oslabe) NF signal

• CS ponaša se kao impedansa u sorsu – smanjuje pojačanje

• Na VF Cgd i Cgs dolaze do izražaja

• Cgd kratkospaja G i D tranzistora

• Cgs kratkospaja G za S (masu)




NF – u AC modelu uticaj Cgd i Cgs je zanemariv pri NF (reaktanse

velike);

gmvgs




NF: Utiču CC1, CS i CC2; posmatramo uticaj

svakog posebno

• CC1

vgen

vi

gmvgsRgen

1/gm

Rp


vg

vS

[ ]genGC

pRRC +

=1

1

1ω

[ ]genGC

pRRC

f+⋅

=1

1 2

1

π

[ ]dBv

v

g

i

Informativno



vgen

vi

gmvgsRgen

1/gm

Rp


vg

vS

S

mp

C

g=2ω

S

mp

C

gf

⋅=

π22

[ ]dBv

v

g

iNF Utiču CC1, CS i CC2; posmatramo uticaj

svakog posebno

• CS

Dodatak



vgen

vi

gmvgsRgen

1/gm

Rp


vg

vS

)(

1

23

pDC

pRRC +

=ω

)(2

1

23

pDC

pRRC

f+⋅

=π

[ ]dBv

v

g

iNF Utiču CC1, CS i CC2; posmatramo uticaj

svakog posebno

• CC2

Dodatak




[ ]dBv

v

g

iNa VF: Cgd i Cgs dolaze do izražaja

• Cgd kratkospaja G i D

• Cgs kratkospaja G za S (masu)




VF – CC1, CC2 i CS predstavljaju kratak spojTranzistor se zamenjuje hibridnim ππππ modelom

gmVgs

Cgd

ro RD Rp

Rgen

Vgen

Rp´

gen

genG

Ggen V

RR

RV

+=´

Ggengen RRR =´

pDop RRrR =´

Igd

vi

Dodatak




Vgs Cgs

R´gen

Vgen´ Rp´

gseqgd

pmgdeq

VsCI

RgCC

=

+= ´)1( pCop RRrR =´

gmVgs

Ceq

IgdVi

VF – Zamena Tevenenovim generatorom na ulazui primena Milerove teoreme, za Ao= -gmRp´

A

ZZ

−=

11

Dodatak




VF

Vgs Cgs

R´gen

Vgen´ Rp´gmVgs

Ceq

IgdVi

´)1( pmgdgseqgsu RgCCCCC ++=+=

gen

genG

G

genu

gen

genu

gen

ugen

ugs V

RR

R

RsCV

RsCV

sCR

sCV

++=

+=

+=

´1

1´

´1

1´

/1´

/1

pCop RRrR =´

Dodatak




VF – Ukupno pojačanje na VF

Vgs Cgs

R´gen

Vgen´ Rp´gmVgs

Ceq

Igd

( ) ( ) genpDo

genG

G

Ggenu

mpgsmi VRRrRR

R

RRsCgRVgV

++−=−=

1

1´

( ) ( )o

pDo

genG

G

Ggenu

m

gen

iu

s

ARRr

RR

R

RRsCg

V

VA

ω/11

1

+=

++−==

Vi

Dodatak




VF – Gornja granična frekvencija

og

i

s

A

V

V

ω/1+= (dB)

g

i

V

V

genu

voRC ´

1== ωω

genu

vRC

f´2

1

⋅=

π

Informativno




VF – Rezime

Gornja granična frekvencija određena je vremenskom konstantom Rgen||RG i Cu.

Rgen utiče na fv .

U Cu dominira Ceq , zapravo deo Cgd koji se preslikava na ulaz.

Iako je Cgd malo, preslikava se kao (1+gmRp´) puta veća kapacitivnost i snižava fv.

Postoji način da se smanji uticaj Milerovog efekta; o tome kasnije (kaskodni pojačavači)



Domaći 6.1:

U kolu sa slike upotrebljen je tranzistor

sa Vt=1V, µµµµnCox’W/L=1mA/V2, λλλλ=0.

Poznato je VDD=15V .

a) Odrediti vrednosti ostalih elemenata kola pod uslovom da je

ID=0.5mA i da su padovi napona na RD i RS isti i iznose VDD/3. (RD=RS =10k, RG1=8M, RG2 =7M)

b) Izračunati za koliko će se promeniti ID ukoliko se tranzistor

zameni drugim kod koga je Vt=1.5V. (ID = 0.45mA, ∆∆∆∆ID = -0.05mA,∆∆∆∆ID/ID=-10% )

c) Ponoviti postupak pod a i b) u slučaju da se zadrži ista vrednost

za ID i RD a da je RS =0. (RG1=13M, RG2 =2M, ∆∆∆∆ID = -0.375mA, ∆∆∆∆ID/ID=-75% )

d) Izračunati naponsko pojačanje ulaznu i izlaznu otpornost u

slučaju a) i c). (Aa=-10/11, Rua=3.73M, Ric=10k, Ac=10, Ruc=1.73M, Ric=10k) 6629. novembar 2016. Jednostepeni MOSFET pojačavači

2. Pojačavač sa zajedničkim gejtom

a. Princip radab. DC polarizacija (kao za ZS)

Odnosi snaga Stabilnost

c. Analiza za male signale i. Ulazna otpornostii. Pojačanjeiii. Izlazna otpornost

d. Analiza u frekvencijskom domenu (info)

Pojačavač sa zajedničkim gejtom

67

a) Princip rada:


iD

vSG vGD

vDSiS

Izlaz

Ulaz• Tranzistor radi u konfiguraciji ZG

Ulaz –vS pobuda u kolu sorsaIzlaz – iD, vD potrošač u kolu drejna

• Tranzistor radi u oblasti zasićenja• Pojačava male signale (u okolini radne tačke)• Ne obrće fazu• Pojačavač napona

68

b) DC polarizacija - izvor konstantne strujePojačavač sa zajedničkim gejtom

Rp

Ru

vu

iuRi=RD

ii=gmvu

vi

vd

Gejt direktno vezan za masu

Rgen

vgen

69

b) DC polarizacija - izvor konstantne strujePojačavač sa zajedničkim gejtom

Rgen

vgen

Rp

Ru

vu

iuRi=RD

ii=gmvu

vi

vdvgen

vS

vGS= vG -vS

iD

Da li obrće fazu?

NE obrće fazu

DDDDDS iRVv −=

70

c) Analiza za male signalePojačavač sa zajedničkim gejtom

Rgen

vgen

Rp

Ru

vu

iu

vi

vd

VDD zamenjen dinamičkomotpornošću =0; kratak spoj

I zamenjen dinamičkom otpornošću prekid

Reaktanse CC1 i CC2 male na SF –kratak spoj

Reaktanse Cgs i Cgd velike na SF -prekid

Ri=RD



Rgen

vgen

Ru=1/gm

vu

iu

Ri=RD

vi

vdid

0

12

12

Ru=?

Ri=?

Ao=?Aovu

id=gmvgs

id=-gmvu

Pojačavač

umgsmd

uugs

sggs

vgvgi

vvv

vvv

−==

−=−=

−=

0

Dm

u

i

uDmi

Dumi

Ddi

RgAv

v

vRgv

Rvgv

Riv

==

=

−−=

−=

0

)(

Rp=∞

vu

Dm

u

i RgAv

v== 0



Rgen

vgen

Ru=1/gm

vu

iu

Ri=RD

vi

vdid

0

12

12

Ru=?

Ri=?

Ao=gmRD

Aovu

id=gmvgs

id=-gmvu

Pojačavač

( )

mu

uu

um

u

u

uu

d

u

u

uu

gi

vR

vg

v

i

vR

i

v

i

vR

1==

−−==

−==

m

ug

R1

=

Rp=∞

vu



Rgen

vgen

Ru=1/gm

vu

iu

Ri=RD

vi

vdid

0

12

12

Ru=1/gm

Ri=?

Ao=gmRD

Aovu

id=-gmvu

id =0

Pojačavač

Di

D

d

Dd

vi

ii

RR

Ri

Ri

i

vR

u

=

=−

−==

=0

Di RR =

Rp=∞

vu



Rgen

vgen

Rp

Ru=1/gm

iu

Ri=RD

vi

vdid=i

0

12

12

Ru=1/gm

Ri=RD

Aovu

i=gmvu

Pojačavačvu

Ao=gmRD




Aovu

Ri

Ru

iu

vu

ii

vi

12

Rp

12

12

Vg

0

Rg12

01.0700

1001010

2008

20008

/1

/1

1001010

1/1

3

0

3

≈⋅⋅

=

++=

++=

Ω=⋅

==

−

−

u

genm

mm

Dp

Dp

genu

u

ip

p

u

mu

A

Rg

gg

RR

RR

RR

R

RR

ARA

gR

Rgen

vgen

Za slučaj da je RD=2kΩΩΩΩ, gm=10mS (Rgen=600ΩΩΩΩ, Rp=8ΩΩΩΩ)

Ao=gmRD

Ru=1/gm

=RD



Rgen

vgen

Rp

Ru=1/gm

vu

iu

Ri=RD

vi

vdid=i

Dm

p

u

io Rg

Rv

vA =

∞→

=

( )genm

pDmuRg

RRgA+

=1

1

Veoma mala ulazna otpornost degradira ukupno naponsko pojačanje kod ZG



Poređenje ZS ZG

Dm Rg−oA

( )genm

pDmRg

RRg+1

1

/1 mguR

Dm Rg

GR

uA

iRDR DR

( )genG

GpDm

RR

RRRg

+−



Rgen

Rp

Ru=1/gm

vu

iu

Ri=RD

vi

vd

gen

mgen

gen

u igR

Ri

/1+=

gen

ugen

gen

u iRR

Ri

+=

Veoma mala ulazna otpornost degradira ukupno naponsko pojačanje ali predstavlja odlično prilagođenje za pojačavač struje

genu ii ≅

igen

79


Rs

vu

iu

vi

bsmbgsmd vgvgi +=

Balk i gejt su uzemljeni vG=vB=0

Sors i balk nisu na istom potencijalu vBS≠0; vGS=vBS

vgen

c) Analiza za male signale – aktivno opterećenje (IC)

vgsvbs

gsmbmd vggi )( +=

U prethodnim izrazima treba zameniti:

i. gm sa gm+gmb

ii. RD sa ro tranzistora koji predstavlja aktivno opterećenje

Dodatak



Rs

vu

iu=0

vi

mbmombm

po

uggrgg

RrR

+≈

++

+=

1

)(1

vgen


ombm rggA )(10 ++=

oit rR =

Ru

i=( gm+gmb)vu

o

p

mbmo

po

uA

R

ggA

RrR +

+≈

+=

1

sooi RArR +=

Dodatak



Rp


ZG Konvertor impedanse

strujni bafer

o

p

mbmo

po

uA

R

ggA

RrR +

+≈

+=

1

sooi RArR +=

omombm rgrggA ≈++= )(10

Dodatak



Rp

d) Frekvencijska analiza – aktivno opterećenje (IC)

VF

Cp

Vgen Vu

Milerov efekat nije dominantan jer su Cgd

i Cgs uzemljeni jednim krajem.

Cds ne dominira jer je malo

Vi



Rp

d) Frekvencijska analiza – aktivno opterećenje (IC)

VF

Cp+CgdVgen Vu

+⋅

=

mbm

sgs

P

ggRC

f1

2

11

π( ) ppgd

PRCC

f+⋅

=π2

12>

fv = fP2 mnogo veća nego kod ZS

Ulaz Izlaz

(gm+gmb)vu


a) Odrediti vrednosti jednosmernih napona VD i VS. (VD=2.5V,

VS=-2.5V)

b) Odrediti A0, Ru, Ri i Av ukoliko je RP=15k, Rg=50ΩΩΩΩ. (A0=15V/V,

Ru =1k, Ri=15k, Av =7.5V/V)

c) Odrediti ukupno naponsko pojačanje ukoliko je Rg=1k,

10k, 100k. (3.75V/V, 0.68V/V, 0.07V/V )

Domaći 6.2:

U kolu sa slike upotrebljen je

tranzistor sa Vt=1.5V,

µµµµnCox’W/L=2A=1mA/V2, VA=75V.

Poznato je VDD= VSS=10V,

ID=0.5mA, RD=15k.

Rg

RP



3. Pojačavač sa zajedničkim drejnom (source follower)

a. Princip radab. DC polarizacija

Stabilnostc. Analiza za male signale

c. Ulazna otpornostd. Pojačanjee. Izlazna otpornost

d. Analiza u frekvencijskom domenu

Pojačavač sa zajedničkim drejnom


• Tranzistor radi u konfiguraciji ZDUlaz – vG pobuda u kolu gejtaIzlaz – vS potrošač u kolu sorsa

• Tranzistor radi u oblasti zasićenja• Pojačava male signale (u okolini radne tačke)• Ne obrće fazu• Pojačavač napona


iS

vGDvSD

Izlaz

Ulaz

iD

a) Princip rada:


b) DC polarizacija - izvor konstantne strujePojačavač sa zajedničkim drejnom

Zato je i VGS = Const.

Odnosno VS mora da prati promene VG

Da li obrće fazu?

NE obrće fazu

Izlaz

Ulaz.)( 2ConstVVAII tGSD =−⋅==


b) DC polarizacija - izvor konstantne strujePojačavač sa zajedničkim drejnom

Rgen

vgen

Rp

Ru

vu

Ri

vi


c) Analiza za male signalePojačavač sa zajedničkim drejnom

Rp

Ru

vu

Ri

vi

I i VDD zamenjeni dinamičkimotpornostima;

D kratkospojen za masu.

Reaktanse CC1 i CC2 male na SF

Rgen

vgen

SF



Rgen

vgen

Rp

Ru

vu

Reaktanse Cgs i Cgd velike - prekid

SF

vi

0

12

12

Ru=?

Ri=?

Ao=?Aovu

Pojačavač

Ulaz

Izlaz



Rgen

vgen

Rp

Ru

vu

vi

0

12

12

Ru=?

Ri=?

Ao=?Aovu

Pojačavač

Ulaz

Izlaz

( )iumgsmd

iusggs

si

ug

vvgvgi

vvvvv

vv

vv

−==

−=−=

=

=

om

om

u

i

uomomi

oiumi

odi

rg

rgA

v

v

vrgrgv

rvvgv

riv

+==

=+

−=

=

1

)1(

)(

01

1<≈

+

=

mo

oo

gr

rA



Rgen

vgen

Rp

vu

vi

0

12

12

Ru=?

Ri=?

Ao≈1Aovu

Pojačavač

Ulaz

Izlaz

G

u

uu R

i

vR ==

Gu RR =

Ru



Rgen

vgen

Rp

vi

0

12

12

Ru= RG

Ri=?

Ao≈1Aovu

Pojačavač

Ulaz

Izlaz

Ru

mom

o

om

o

vi

ii

m

o

iim

o

ii

imimd

sgmgsmd

d

o

ii

vi

ii

grg

r

rg

r

i

vR

gr

vvgr

vi

vgvgi

vvgvgi

ir

vi

i

vR

u

u

1

1

1)(

)0(

)(

0

0

=≈+

==

+=−−=

−=−=

−==

−=

=

=

=

m

ig

R1

=

ii

vu=0



Rgen

vgen

Rp

vi

0

12

12

Ru= RG

Ri=1/ gm

Ao≈1Aovu

Pojačavač

Ulaz

Izlaz

Ru

ii

vu=0




Aovu

Ri

Ru

iu

vu

ii

vi

12

Rp

12

12

Vg

0

Rg12

07.0108

18

/1

1 ;1001010

1/1 ;1010

00

036

≈⋅

≈

++=

++=

=Ω=⋅

==Ω⋅==−

u

genG

G

mp

p

genu

u

ip

p

u

miGu

A

RR

R

gR

AR

RR

R

RR

ARA

AgRRR

Rgen

vgen

Za slučaj da je RG=10MΩΩΩΩ, gm=10mS (Rgen=600ΩΩΩΩ, Rp=8ΩΩΩΩ)

Ao=1

Ru=RG

=1/gm

96


Poređenje ZS ZD

Dm Rg−oA

1/1

<+

⋅+ genG

G

mp

p

RR

R

gR

R

)100- x10(malo /1 ΩΩmg

uR

1/1

<≈+ mo

o

gr

r

[ ])M (veliko ΩGR

uA

iRDR

[ ])M (veliko ΩGR

( )genG

GpDm

RR

RRRg

+−


Rp

vu

vibsmbgsmd vgvgi +=

Drejn i balk su uzemljeni vd=vb=0

Sors i balk nisu na istom potencijalu vds=vbs≠0;

c) Analiza za male signale – aktivno opterećenje u IC

vgs vbs

Pojačavač sa zajedničkim drejnomDodatak


Rp

vu

vi

Struja koja utiče u S gmb(vbs=vds) predstavlja struju kroz otpornost 1/gmb

kada je na njenim krajevima napon vds=vbs.

To je ekvivalentno paralelnoj vezi 1/gmb sa Rp i ro


vgs

vbs



R´p

vu

vi


vgs

vi

pombp RrgR /1´ =

pgsmi Rvgv ´=

iugs vvv −=1

´1

´<

+==

pm

pm

u

i

Rg

Rg

v

vA


Struja koja utiče u S gmb(vbs=vds) predstavlja struju kroz otpornost 1/gmb kada je na njenim krajevima naponvds=vbs.

To je ekvivalentno paralelnoj vezi 1/gmb sa Rp i ro

Dodatak


R´p

vu

vi


vgs

vi

pombp RrgR /1´ =

1)(1

<++

=

∞→

=

ombm

omo

p

u

io

rgg

rgA

Rv

vA

1)(

<+

≅mbm

mo

gg

gA

ombm

i rgg

R)(

1

+=



Domaći 6.3:

U kolu sa slike

upotrebljen je tranzistor sa

Vt=1.5V, VA=75V,

µµµµnCox’W/L=2A=1mA/V2.

Poznato je VDD= VSS=10V,

ID=0.5mA, RG=4.7M, RP=15k.

Pojačavač sa zajedničkim gejtomRgen

vgen

RpRu

vu

Ri

vi

a) Odrediti vrednosti jednosmernih napona VG i VS. (VG=0V, VS=-2.5V)

b) Odrediti A0, Ru, Ri i Av ukoliko je Rg=1MΩΩΩΩ.

(A0=0.993V/V, Ru =4.7M, Ri=0.993k, Av =0.768V/V)


4. Kaskodni pojačavač

a. Princip radab. DC polarizacija

Odnosi snaga Stabilnost

c. Analiza za male signale i. Ulazna otpornostii. Pojačanjeiii. Izlazna otpornost


Kaskodni pojačavač


Dva tranzistora:• ZS, a kaskadno ZG kao opterećenje• Ulaz – vG pobuda u kolu gejta ZS

Izlaz – vD potrošač u kolu drejna ZG• Tranzistori rade u oblasti zasićenja• Pojačava male signale (u okolini radne tačke)• Obrće fazu• Pojačavač napona

(Naziv istorijski: KASKadno-katODA = kaskoda)

Izlaz

Ulaz


a) Princip rada:


b) DC polarizacijaKaskodni pojačavač

vu

VGG

vi


vu

vi

c) Analiza za male signale

vu

VDD, VGG i I zamenjeni dinamičkimotpornostima:

rDD =0, D - vezan za masu

rGG=0, G - vezan za masu

rI→∞ D - prekid

SF

VGG



∞→uR

vi

vu

Ru

vi1

Rp

Ri


( ) 2122 o

rgrrgR moomi =≅

2121

211

,

)(

oomm

omo

rrggza

rgA

==

−=


))(( 2211

1

1

omomo

p

i

i

u

io

p

u

io

rgrgA

Rv

v

v

vA

Rv

vA

−=

∞→

=

∞→

=


d) Frekvencijska analiza

RpCp

Rgen

Vgen

Vi

VF

Kaskodni pojačavačInformativno


d) Frekvencijska analiza VF

Kaskodni pojačavačInformativno




Aovu

Ri

Ru

iu

vu

ii

vi

12

Rp

12

12

Vg

0

Rg12

08.0810

810

)(

10)1010()( ;10 ;

86

20

625220

82

−≈+

−≈

+−=

+=

−=⋅−=−==Ω==∞→ −

u

ip

p

om

ip

p

u

omomiu

A

RR

Rrg

RR

ARA

rgAArgRRo

Rgen

vgen

Za slučaj da je RG=10MΩΩΩΩ, gm=10mS, ro=100kΩΩΩΩ (Rgen=600ΩΩΩΩ, Rp=8ΩΩΩΩ)

Ao=1

Ru=RG

=1/gm


4. Pojačavač sa CMOS parom

a. Princip radab. DC polarizacijac. Analiza za male signale

i. Ulazna otpornostii. Pojačanjeiii. Izlazna otpornost


Pojačavač sa CMOS parom Informativno


Dva komplementarna tranzistora(CMOS Invertor - digitalna NE funkcija) • 2xZS vezana “paralelno”• Ulaz – vG pobuda u kolu gejta

Izlaz – vd potrošač u kolu drejna• Tranzistori rade u oblasti zasićenja• Pojačava male signale (u okolini

radne tačke)• Obrće fazu• Pojačavač napona

Izlaz

Ulaz

Pojačavač sa CMOS parom

a) Princip rada:


vU vI


R

DIUG VVVV ===

DIUG VVVV ===vI

vU

M

QN zas.QP triod.

QN triod.QP zas.

QN zas.QP zas.

IG=0

2/

; , za ;

;

DDDDDSDPGDDSGP

SGpGSNPNDPDN

DDGSPGSNDDSNGGSN

VVVVVVV

VVAAII

VVVVVVV

=−==−=

===

=+===

b) DC polarizacija


b) DC polarizacija

VU VI


R

DPDN II =

2

2

2

2

|)|(

|)|(2

)(

)(2

tPGDDP

tPSGP

P

PoxPDP

tNGN

tNGSN

N

NoxNDN

VVVA

VVL

WCI

VVA

VVL

WCI

−−=

−==

−=

−=

µ

µ

IG=0

Za VtN=-VtP; AN=AP

2/DDG VV =


b) DC polarizacija

vu vi


R

R1

vI

R2

R=R1 + R2


vi

R2


vu

VDD, zamenjeni dinamičkimotpornostima:

rDD =0, vezan za masu

Reaktansa XC=0

R1



0


Rgen

vgen

R2

R1



0


gmNvuR1

Rgen

vgen gmPvu Rp

R2 || roN ||roP



0


2gmvu

R2 || ro/2

R1

Rgen

vgen

Rpvu




1RRu =

22 2oo

ir

Rr

R ≈≅

)2

(2 2Rr

gA

Rv

vA

omo

pu

io

−=

∞→

=

0

2gmvu

R2 || ro/2R1

Rgen

vgen

Rpvu

genomo

mu

genp

omu

gen

u

u

i

gen

iu

RRrgr

gA

RR

RRR

rgA

v

v

v

v

v

vA

>>−=−≈

+−=

==

1

1

12

za 2

2

)2

(2omo

mo rgr

gA −=−≈2

2



Rezime:

• Tranzistori rade u zasićenju: VGS>Vt; VDS>VGS-Vt

• Za male signale tranzistor se ponaša kao linearni naponom kontrolisani strujni izvor id=gmvgs.



Rezime:1. Zajednički sors

Rg

vi

Rp

vgvu

Ru

Ri

veliko)M (reda Ω= Gu RR

x100V/V)- x10(reda

)(

0

0

Dm

Dom

RgA

RrgA

−≈

−=

) x10k(reda Ω≈= DDoi RRrR

)( pDomgG

Gu RRrg

RR

RA

+−≅


)( pDm RRgA −≈


Rezime:1.a Zajednički sors sa otpornikom u sorsu


Rg vi

Rp

vg vu

Ru

Ri

Gu RR =

1

)(

Sm

pD

mRg

RRgA

+−≈=

Di RR ≈

1

)(

Sm

pD

m

gG

Gu

Rg

RRg

RR

RA

++−≅

Veća stabilnost


Rezime:• Konfiguracija sa zajedničkim sorsom:

S je na masi za naizmenični signal; Ulazni signal se dovodi na G;Izlazni signal uzima se sa D;Obrće fazu;Veliko pojačanje napona;Velika ulazna otpornost;Relativno velika izlazna otpornost; Otpornost RS stabilizuje radnu tačku i popravlja amplitudsku karakteristiku ali smanjuje naponsko pojačanje



Rezime:2. Zajednički gejt


Rg

vi

Rp

vg vu

Ru

Ri )( pDm RRgA =

) x10k(reda Ω≈ Di RR

1

)( m

gm

pDu

Rg

RRgA

+≅

!!malo!

)100- x10(reda /1 Ω= mu gR

100V/V- x10reda

)(

0

0

Dm

Dom

RgA

RrgA

≈

=


Rezime:• Konfiguracija sa zajedničkim gejtom:

G je na masi za naizmenični signal; Ulazni signal se dovodi na S;Izlazni signal uzima se sa D;Ne obrće fazu;Veliko pojačanje napona;Veoma mala ulazna otpornost;Relativno velika izlazna otpornost (strujni bafer)



Rezime:3. Zajednički drejn


1/1

<+

=mpo

po

gRr

RrA

!!malo! )100- x10(reda 1

Ω≈m

ig

R

1 /1

<++

≅mpo

po

gG

Gu

gRr

Rr

RR

RA

veliko)M (reda Ω= Gu RR

Rgen

vgen

RpRu

vu

Ri

vi

1/1

<≈+

=mo

oo

gr

rA


Rezime:• Konfiguracija sa zajedničkim drejnom:

D je na masi za naizmenični signal; Ulazni signal se dovodi na G;Izlazni signal uzima se sa S;Ne obrće fazu;Pojačanje napona ≈ 1Velika ulazna otpornost;Mala izlazna otpornost (naponski bafer)



Rezime:4. Kaskodni pojačavač


vu

VGG

vi

∞→uR

( ) )M (reda 2122 Ω=≅

orgrrgR moomi

x1000)(reda )( 211 omo rgA −=


Rezime:• Kaskodna konfiguracija

ZS sa ZG kao opterećenjem; Ulazni signal se dovodi na G ZS;Izlazni signal uzima se sa D ZG;Obrće fazu;Veoma veliko pojačanje napona Velika ulazna otpornost;Velika izlazna otpornost



Rezime:4. Pojačavač sa CMOS parom


)M (reda 1 Ω= RRu

)10010 (

22 2

Ω−

≈≅

kxreda

rR

rR oo

i

omo

mo rgr

gA −=−≈2

2

vu vi

R

R1

vI

R2


Rezime:• CMOS par

2xZS u paraleli; Ulazni signal se dovodi na G;Izlazni signal uzima se sa D;Obrće fazu;Pojačanje napona kao ZS;Velika ulazna otpornost;Izlazna otpornost manja nego kod ZS;Ukupno naponsko pojačanje veće nego ZS


132

Šta smo naučili?

• Uporediti pojačavače sa ZS, ZG i ZD sa stanovišta naponskog pojačanja, ulazne otpornosti i izlazne otpornosti.

• Električna šema, princip rada pojačavača sa ZS i ekvivalentno kolo za male signale na srednjim frekvencijama (SF).

• Električna šema, princip rada pojačavača sa ZD i ekvivalentno kolo za male signale na SF.

• Električna šema, princip rada kaskodnog pojačavača i ekvivalentno kolo za male signale na SF.

Na web adresi http://leda.elfak .ni.ac.rs

> EDUCATION > ELEKTRONIKA

slajdovi u pdf formatu29. novembar 2016. Jednostepeni MOSFET pojačavači




Ispitna pitanja?

1. U polju karakteristika (ID-VGS i ID-VDS) nMOST-a u konfiguraciji pojačavača sa ZS označiti i napisati izraze koji određuju položaj karakterističnih tačaka. Objasniti fazni stav izlaznog napona.

2. U polju karakteristika (ID-VGS i ID-VDS) nMOST-a u konfiguraciji pojačavača sa ZS objasniti uticaj promene RD na naponsko pojačanje.

3. Odrediti izraze za naponsko pojačanje neopterećenog pojačavača, ulaznu i izlaznu otpornost pojačavača u konfiguraciji sa ZS.

4. Uticaj RS i izvora konstantne struje u kolu sorsa na rad pojačavača sa ZS.

5. Frekvencijske karakteristike pojačavača sa ZS (objasniti zašto se smanjuje pojačanje na NF i VF).

6. Odrediti izraze za naponsko pojačanje neopterećenog pojačavača, ulaznu i izlaznu otpornost pojačavača u konfiguraciji sa ZG.

7. Objasniti odnos faza izlaznog i ulaznog napona kod pojačavača sa ZS, ZG i ZD.

8. Odrediti izraze za naponsko pojačanje neopterećenog pojačavača, ulaznu i izlaznu otpornost pojačavača u konfiguraciji sa ZD.

9. Električna šema i karakteristike pojačavača sa CMOS parom.134


Jednostepeni MOSFET pojačavači

Sledećeg časa

Pojačavači sa bipolarnim tranzistorima

13529. novembar 2016. Modeli poluprovodničkih

komponenata

Za nMOS tranzistor kod koga je Vt=1V, µµµµnCox =120µµµµA/V2, W/L=10 i λλλλ=0.02V-1

odrediti: a) opseg napona VGS za koje tranzistor vodi;

VGS>VT=1V;

b) napon VDS u funkciji VGS pri kome tranzistor ulazi u zasićenje; VDS> VGS+VT=VGS+1V;

c) dinamičke parametre tranzistora: gm i ro u radnoj tački definisanoj sa ID=75µµµµA, ako se zna da tranzistor radi u zasićenju;

Model MOS tranzistora

/42435,0

101502

)(

2)(2'

2

1

35,01010120

21

1075

' 21

)(´ 2

1

6

6

6

n

2n

VAVV

Ig

VV

IVV

L

WC

V

Ig

V

L

WC

IVVVV

L

WCI

tGS

Dm

tGS

DtGSoxn

GS

Dm

tox

DtGStGSoxD

µ

µ

µµ

=⋅

=−

=

−=−⋅⋅

=

∂

∂=

=

⋅⋅

⋅==−⇒−=

−

−

−

Rešenje: Domaći 5.1

13629. novembar 2016. Modeli poluprovodničkih

komponenata

Za nMOS tranzistor kod koga je Vt=1V, µµµµnCox =120µµµµA/V2, W/L=10 i λλλλ=0.02V-1

odrediti: c) dinamičke parametre tranzistora: gm i ro u radnoj tački definisanoj sa ID=75µµµµA,

ako se zna da tranzistor radi u zasićenju;

d) nacrtati model i upisati vrednosti parametara;

Model MOS tranzistora

Ω≈Ω=⋅⋅

=⋅

==−

MkII

Vr

DD

A 67.066,666107502.0

11

6oλλλλ


137Modeli poluprovodničkih

komponenata

BJT sa ββββ=100, i VA=100V polarisan je u radnoj tački sa IC =1mA i VCE =5V. Nacrtati hibridni ππππ i T model

i odrediti dinamičke parametre u radnoj tački:a) gm;

b) rππππ ;

c) ro ;

Model bipolarnog tranzistora

/40/4,38026.0

1 m VmAVmA

V

mA

V

Ig

T

C ≈===

2,5k2,6k1

026.0100 Ω≈Ω=

⋅===

mA

V

I

V

gr

C

T

m

ββββββββππππ

Ω=+

=+

= kmA

V

I

VVr

C

CEA 1051

)5100(o

ic=βib

ic= gmvbe

rπ ro

29. novembar 2016.


138Modeli poluprovodničkih

komponenata

BJT sa ββββ=100, i VA=100V polarisan je u radnoj tački sa IC =1mA i VCE =5V. Nacrtati hibridni ππππ i T model

i odrediti dinamičke parametre u radnoj tački:

d) α α α α ;

e) re

f) Uporediti gm sa odgovarajućim parametrom MOSFETa iz prethodnog zadatka

Model bipolarnog tranzistora

Ω≈Ω==== kkVmAgI

Vr

mE

T 2578,25/4,38

1

100

101e

αααα

10,99 101

100

1≈==

+=

ββββ

ββββαααα

ic=βib

ic= gmvbe

rπ ro

29. novembar 2016.


VmAVAgVmAg mMOSFETmBJT /424,0/424/4,38 ==>= µ

đite na kolokvijum mnoooogo je lakŠe!leda.elfak.ni.ac.rs/education/elektronika... · t dd p d d...

Documents