Mach KD Vi Sai

1

CHƯƠNG 4

MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI

Tương ứng với chương 15 trong sách Microelectronic Circuit Design_Richard C. Jaeger & Travis N. Blalock

2

4.1. Sơ đồ, phân tích mạch một chiều và xoay chiều

4.2. Hệ số khuếch đại vi sai và trở kháng vào, ra

4.3. Hệ số khuếch đại đồng pha và trở kháng vào, ra

4.4. Hệ số nén tín hiệu đồng pha (CMRR)

4.5. Phân tích mạch khuếch đại vi sai sử dụng mô hình nửa mạch

4.6. Phân cực KĐ vi sai sử dụng nguồn dòng

4.7. Mạch khuếch đại vi sai dùng MOSFET: Phân tích mạch một chiều

4.8. Đặc tính truyền dẫn tín hiệu nhỏ

4.9. Thiết kế mạch khuếch đại vi sai

4.10. Mạch khuếch đại hai tầng


Nội dung chương 4

4.1.Sơ đồ, phân tích mạch một chiều và xoay chiều

Mạch khuếch đại vi sai,bao gồm cả mạch C chung/B chung mắc liên tiếp, loại bỏ tụ lọc nhiễu cao tần, cũng như tụ liên lạc tại ngõ vào và ngõ ra của mạch khuếch đại được nối trực tiếp.

Mỗi mạch khuếch đại có hai ngõ ra.

Hiệu điện thế vi sai ở ngõ ra là

sự khác nhau về điện thế giữa

cực collector và cực drain của

hai transistor. Tín hiệu đầu ra

so với đất có thể được lấy từ

cực collector/drain.

Mạch khuếch đại vi sai lí

tưởng sử dụng hai transistor

hoàn toàn giống nhau.

4.1. Sơ đồ, phân tích mạch một chiều

Tín hiệu ngõ vào được đưa về 0,

các cực phát được nối lại với

nhau.

Nếu các transistor là phù hợp,

BEV

BE2V

BE1V

CV

C2V

C1V

CI

C2I

C1I

EI

E2I

E1I

BI

B2I

B1I

EE2R

BEV

EEV

EI

E

IFC

I

F

CI

BI

CR

CI

CCV

C2V

C1V CE2

VCE1

V

V0C2

VC1

VOD

V

Dòng điện tại các cực là bằng nhau.

Phân tích mạch một chiều (ví dụ 1)

Ví dụ 1: Tìm Q-points của transistor trong mạch khuếch đại vi sai.

Biết: VCC=VEE=15 V, REE=RC=75kW, F =100

Phân tích mạch:

EE2R

BEV

EEV

EI

E

IFC

I

F

CI

BI

EV

CV

CEV

CR

CI

CV 15

Do tính đối xứng, cả hai

transistor được phân cực tại

Q-point (94.4 mA, 8.62V)

A3.95)3102(75

V7.015m

W

EE2R

BEV

EEV

EI

A4.94101

100m

EI

EI

FCI

A944.0100

A4.94m

m

F

CI

BI

V62.8V)7.0(--V92.7

V92.715

EV

CV

CEV

CR

CI

CV

Do tính đối xứng, cả hai

transistor được phân cực tại

Q-point (94.4 mA, 8.62V)

Ví dụ 1: Tìm Q-points của transistor trong mạch khuếch đại vi sai.

Biết: VCC=VEE=15 V, REE=RC=75kW, F =100

Phân tích mạch:

Phân tích mạch một chiều (ví dụ 1)

4.1. Sơ đồ, phân tích mạch xoay chiều

21id

v

icvv

22id

v

icvv

Phân tích mạch sử dụng phương

pháp xếp chồng các phần của chế

độ vi sai và chế độ chung.

21 cv

cv

odv

221 c

vc

v

ocv

icvid

v

ccAcd

A

dcAdd

A

ocvod

v

Add = Hệ số khuếch đại vi sai

Acd = common-mode to differential-mode

conversion gain

Acc = Hệ số khuếch đại chế độ chung

Adc = differential mode to common-mode

conversion gain

Đối với mạch khuếch đại đối xứng lí tưởng,

Acd = Adc = 0.

Tín hiệu ngõ vào thuần vi sai thì sẽ cho tín

hiệu ngõ ra thuần vi sai và ngược lại.

icvid

v

ccAdd

A

ocvod

v 0

0


0ev0)22(ev

ev)4

v3

v)((

mggEE

GEE

Ggmg

2id

v

4v

ev2id

v

3v ev

2id

v

4v

Hiệu điện thế của tín hiệu ngõ ra:

2id

v

c1v

CRmg

2id

v

c2v

CRmg

idv

odv

CRmg

2id

v

3v

Cực emitter trong mạch khuếch đại vi sai được xem

như là nối đất cho tín hiệu ngõ vào chế độ vi sai.

CRmg

ddA

0ic

vidvod

v

Hệ số khuếch đại vi sai cho tín hiệu ra cân bằng, :

Nếu cả vc1 và vc2 được dùng riêng rẽ như là một ngõ ra, ngõ ra này được gọi

là ngõ ra đơn.

c2v

c1v

odv

Add1

=vc1

vid v

ic=0

=-gmRC

2=Add2 22

0ic

vidvc2

v

2dd

AC

Rmg

ddA

Điện trở ngõ vào ở chế độ vi sai là điện trở ở tín hiệu nhỏ được chỉ định cho

điện áp ngõ vào ở chế độ vi sai giữa nền của hai transistor.

Nếu vid =0, . Đối với tín hiệu ngõ ra đơn, C

RorCR

odR 2)(2

CR

odR

r

)2/id

v(

b1i

r2

idv

b2ib1i

or in the loop

Hoặc trong vòng ridR 2b1i/idv



Cả hai nhánh của mạch khuếch đại vi sai là đối xứng

với nhau. Vì vậy dòng điện tại các cực và điện áp cực

thu là giống nhau. Đặc tính của cặp vi sai ngõ vào ở

chế độ chung là tương tự với mạch khuêch đại E

chung (hoặc S chung) với điện trở lớn ở cực emitter

(hoặc source).

Hiệu điện thế ngõ ra: EERor )1(2

icv

bi

icv

)1(2bi

c2v

c1v

EERor

CRo

CRo

icv

icv

)1(2

)1(2b

i)1(2ev

EERor

EERo

EERo

EEV

CV

EER

CR

EERor

CRo

ccA22)1(2

0id

vicvocv

Hệ số khuếch đại kiểu chung:

Đối với nguồn cung cấp đối xứng, hệ số khuếch đại kiểu chung = 0.5. Vì vậy,

điện áp ngõ ra kiểu chung và Acc = 0 nếu REE không xác định. Ta có kết quả

này do trở kháng ngõ ra của transistor được bỏ qua. Biểu thức chính xác:

Vì vậy, hệ số khuếch đại chuyển đổi chế độ chung bằng 0. 0c2

vc1

vod

v

EERoro

CRccA

2

11

EERo

rEERor

icR )1(

22

)1(2

bi2ic

v

22

CRorC

RocR

Cả 2 phần được mắc

song song với nhau


4.4. Hệ số nén tín hiệu tín hiệu đồng pha (CMRR)

Với tín hiệu vi sai ngõ ra, hệ số khuếch đại kiểu chung của mạch khuếch

đại cân bằng là bằng 0, CMRR là không xác định. Đối với tín hiệu ngõ ra

cân bằng,

ER

mg

ER

mg

ER

mg

CR

mg

CR

mg

ccAdd

A221

21

CMRR

Với tín hiệu vi sai ngõ ra, hệ số khuếch đại kiểu chung của mạch khuếch

đại cân bằng là bằng 0, CMRR là không xác định. Đối với tín hiệu ngõ ra

đơn,

ERmgERmg

ERmgC

RmgC

Rmg

ccAdd

A

cmAdm

A

2/1

21

2/2/CMRR

Mô tả khả năng khuếch đại một tín hiệu vi sai ngõ vào mong muốn của một

mạch khuếch đại và bỏ qua các tín hiệu ngõ vào kiểu chung không mong muốn.

c2v

c1v

odv

Để đạt CMRR cao, RE lớn và gm, tuy nhiên, RE lớn sẽ làm giảm gm

Sử dụng nguồn dòng, IE lớn cùng với gm lớn. 13

Vid/2

VCC

RC

vC2 vC1

RC

RE

-VEE

Vid/2

ERmg

ERmgC

RmgC

Rmg

ccAdd

A

cmAdm

A21

21

CMRR

4.4. Hệ số nén tín hiệu tín hiệu đồng pha (CMRR)

Ví dụ 2

; ;

1

11.3 12.22 ; 1.11

5.1 2

44 2.25 100

RE C RE

m o

I mA I I mAk

g mS r k r k

W W

Ví dụ: Tìm CMRR của một mạch khuếch đại vi sai. Biết:

14

Vid/2

VCC

RC

vC2 vC1

RC

RE

-VEE

Vid/2

Đáp Án:

CMRR như vậy thì không

đủ lớn cho nhiều ứng dụng

15

Vid/2

VCC

RC

vC2 vC1

RC

RE

-VEE

Vid/2

ERmg21CMRR

dBdBCMRR

mSKERmg

06.53)8.449lg(20

8.449441.5212CMRR

W

Ví dụ 2

4.5. Phân tích mạch khuếch đại vi sai sử dụng

mô hình nửa mạch

Mô hình nửa mạch được xây dựng bằng cách

vẽ mạch khuếch đại vi sai ở dạng đối xứng

đầy đủ - các nguồn cung cấp được chia làm

hai nữa mắc song song bằng nhau, điện trở

cực phát được chia làm hai nữa song song

bằng nhau.

Tất cả các dòng điện và điện áp trong mạch

đều không thay đổi.

Đối với tín hiệu ở chế độ vi sai, các điểm nằm

trên đường đối xứng được nối đấy trong việc

phân tích mạch ac

Đối với tín hiệu ở chế độ chung, tất cả các

điểm nằm trên đường đối xứng được thay thế

bằng một mạch hở.

Áp dụng các định luật để vẽ mô

hình nữa mạch, hai nguồn cung

cấp và cực phát được nối đất.

Mô hình nữa mạch đại diện cho

tầng khuếch đại cực phát chung.

2id

v

c1v

CRmg

2id

v

c2v

CRmg

idv

c2v

c1vov

CRmg

Phân tích mô hình nửa mạch:

ridR 2

b1i/

idv

)(2 orCR

odR



Tất cả các điểm nằm trên đường đối xứng trở thành mạch hở.

Mạch DC với VIC = 0 được dùng để tìm Q-point của mạch khuếch đại.

Mạch cuối cùng được sử dụng để phân tích tín hiệu của chế độ chung và đại

diện cho mạch khuếch đại cực phát chung với điện trở cực phát 2REE.




Mạch khuếch đại vi sai được phân cực bằng nguồn dòng điện tử để ổn định điểm làm việc và tăng giá trị của REE để cải thiện CMRR

Nguồn dòng điện tử có dòng Q-point ISS và an

trở kháng ngõ ra RSS như trong hình.

Mô hình DC của nguồn dòng điện tử là một

nguồn dòng dc, ISS trong khi mô hình ac là

một điện trở RSS.

SSR

0V

SSI

DCI


4.7. Mạch khuếch đại vi sai dùng MOSFET:

Phân tích mạch một chiều

Op amps sử dụng MOSFET có trở kháng

ngõ vào lớn và tốc độ thay đổi cao hơn

nhiều so với các tầng sử dụng transistor

lưỡng cực.

Sử dụng phương pháp phân tích nửa

mạch, ta có IS = ISS /2.

nKSS

I

TNV

nKD

2I

TNV

GSV

TNV

GSVn

K

DI

2

2

DR

DI

DDV

D2V

D1V 0oV và

GSV

DR

DI

DDV

SV

DV

DSV

SSI

DCIV

SSR

0V

SSI

DCI

00

Bởi vì GSVS-V00V

Phân tích mạch DC (ví dụ 3)

Ví dụ 3: Tìm Q-points của transistors trong mạch khuếch đại vi sai.

Biết: VDD=VSS=12 V, ISS =200 mA, RSS = 500 kW, RD = 62 kW, l = 0.0133 V-1,

Kn = 5 mA/ V2, VTN =1V

Phân tích mạch:

A100m2SS

I

DI

V20.125mA/V

A2001

mGS

V

V7V2.1)A)(62k100(-V12 W mDS

V

Để duy trì hoạt động trong vùng thắt của M1 cho VIC khác không ,

V8.6

TNV

DR

DI-

DDV

ICV

TNV

DR

DI-

DDV-

ICV

GDV

TNV

DSV

GSV

SDV

GSV

GDV

Hệ số khuếch đại vi sai

2id

v

d1v

DRmg

2id

v

d2v

DRmg

idv

odv

DRmg

Nút nguồn trong mạch khuếch đại vi sai được xem như nối đất

Hệ số khuếch đại vi sai của tín hiệu ra cân bằng:

Hệ số khuếch đại của ngõ ra single-end:

DRmg

ddA

0ic

vidvod

v

220

icvid

vd1

v

1dd

AD

Rmg

ddA

220

icvid

vd2

v

2dd

AD

Rmg

ddA

id

RD

Rod

R 2

Hệ số khuếch đại đồng pha

Nguồn dòng điện tử được mô hình hóa bởi hai lần trở kháng

ngõ ra ở tín hiệu nhỏ của nó, đại diện cho trở kháng ngõ ra

của nguồn dòng.

Mô hình nửa mạch ở chế độ chung tương tự với mạch khuếch

đại đảo với điện trở nguồn 2RSS.

icv

21d2v

d1v

SSRmgD

Rmg

icv

icv

21

2

sv

SSRmgSS

Rmg

0d2

vd1

vod

v Vì vậy, hệ số chuyển đổi chế độ chung = 0

SSR

DR

SSRmgD

Rmg

ccA221

0id

vicvocv

Do hệ số khuếch đại dòng rất lớn

của FET, ro có thể được bỏ qua.

ic

R

Hệ số nén tín hiệu đồng pha (CMRR)

Đối với tín hiệu ngõ vào thuần kiểu chung, tín hiệu ngõ ra của mạch khuếch đại

dùng MOS được cân bằng là 0, CMRR là không xác định. Đối với ngõ ra single-ended,

RSS (lớn hơn nhiều sơ với REE và vì vậy cung cấp một Q-point ổn định hơn) nên cực đại.

Để so sánh trực tiếp mạch khuếch đại dùng MOS và BJT, ta giả sử mạch khuếch đại MOS được phân cực bởi:

Từ các dữ liệu trong ví dụ, CMRR của mạch khuếch đại MOS là CMRR=54 or 35 dB (gần 10 dB xấu hơn trong mạch khuếch đại dùng BJT).Để tăng CMRR trong mạch khuếch đại sử dụng BJT và FET, nguồn dòng với điện trở RSS hoặc REE lớn được sử dụng.

SSRmg

SSR

DR

DRmg

ccAdd

A

cmAdm

A

)2/(

2/)(2/CMRR

SSI

GSV

SSV

SSR

TNV

GSV

GSV

SSV

TNV

GSV

SSR

SSI

TNV

GSV

SSR

DI

)(2CMRR

Biên độ điện áp ngõ vào ở chế độ đồng pha

Đối với nguồn cung cấp đối xứng, VEE >> VBE, và RC = REE,

EER2

CR

F

CCV

BEV

EEV

EER2

CR

F

CCV

ICV

EER

EEV

BEV

ICV

FCI

ICV

CR

CI

CCV

CBV

1

1

2

0

3CC

V

ICV

4.8. Đặc tính truyền dẫn tín hiệu nhỏ

Mạch khuếch đại vi sai sử dụng MOS cải thiện biên độ của tín hiệu tuyến

tính ngõ vào đặc tính méo của mạch chỉ dùng một transistor.

Méo bậc hai được loại bỏ và méo được giảm rất lớn. Tuy nhiên méo

chiếm ưu thế khi MOSFET are nor perfect square law devices và méo

cũng xuất hiện khi điện áp phụ thuộc vòa trở kháng ra của transistor.

22

2 TNV

GS2v

TNV

GS1vn

K

D2I

D1I

2id

v

GSV

GS2v

Đối với mạch khuếch đại vi sai đối xứng với ngõ vào thuần vi sai:

2id

v

GSV

GS1v

idvmg

idv

TNV

GSVnK

D2I

D1I

4.9. Thiết kế mạch khuếch đại vi sai (ví dụ 4)

• Ví dụ 4: Tìm Q-points của

transistors trong mạch khuếch đại vi

sai.

• Biết: Adm=40 dB, Rid >250 kW,

đơn cực CMRR> 80 dB, VIC ít nhất

phải bằng ±5V

BJT với có thông số : F =100, VA

=75V, IS =0.5 fA

• Giả sử: mạch hoạt động trong

vùng tích cực, nguồn cung cấp đối

xứng, o = F, vid cực đại ±30 mV.

voc

4.9. Thiết kế mạch khuếch đại vi sai (ví dụ 4)

μA20

rT

VoC

I

• Ví dụ 4: Tìm Q-points của transistors trong

mạch khuếch đại vi sai.

• Biết: Adm=40 dB, Rid >250 kW, đơn cực

CMRR> 80 dB, VIC ít nhất phải bằng ±5V

BJT với có thông số : F =100, VA =75V, IS =0.5

fA

• Giả sử: mạch hoạt động trong vùng tích cực,

nguồn cung cấp đối xứng, o = F, vid cực đại

±30 mV.

•Phân tích mạch:

Adm=40 dB =100. Để có được hệ số khuếch đại

này, ta dùng BJT. Với Adm = gm RC =40 IC RC , ta

có thể đạt được hệ số khuếch đại này với một điện

áp 2.5 V đặt trên RC.

Đối với mạch khuếch đại vi sai lưỡng cực, Rid

=2r, so, r =125 kW.

Chọn IC = 15 mA . Vì vậy RC =2.5 V/15 mA =167

kW. Chọn RC = 180 kW.

VIC = 5V cần một điện áp tại cực collector

voltage ít nhất là 5 V tại mọi thời điểm. Vid

cực đại bằng ±30 mV cho mạch tuyến tính.

Vì vậy thành phần ac của ngõ ra vi sai

<100(0.03 V)=3V, tại mỗi collector sẽ xuất

hiện mội nửa. Vì vậy VRC <4 V( 2.5 V dc +

1.5 V ac) và nguồn cung cấp dương phải được

đảm bảo

Chọn VCC =10 V để lái được dung hạn 1 V theo

như mong muốn. Với nguồn cung cấp đối

xứng, VEE = -10 V. Single-ended CMRR = 80

dB cần được đảm bảo. Chọn nguồn dòng với

IEE =30 mA and REE > 20 MW

V94)V5(V4 IC

VCC

V

MΩ7.16)μA15)(V/40(

410CMRR

mgEER

voc

4.9.Thiết kế mạch khuếch đại vi sai (ví dụ 4)


Để có hệ số khuếch đại cao hơn, mạch

khuếch đại pnp C-E được nối vào ngõ ra

của tầng ngõ vào vi sai.

Nối đất giả định tại cực emitter cho phép

tầng ngõ vào đạt được hệ số khuếch đại

đảo hoàn toàn mà không cần phải sử dụng

sử dụng tụ lọc nhiễu.

Pnp transistor cho phép ghép trực tiếp các

tầng với nhau, cho phép cực emitter của

pnp được nối với đất và cung cấp một đồ

dời điện áp để đưa ngõ ra về không.

Tụ liên lạc và tụ lọc nhiễu cao tần được

loại bỏ .

Mạch khuếch đại vi sai cung

cấp tín hiệu đầu vào vi sai như

mong muốn, CMRR và tín hiệu

ngõ ra sao với đất.

4.10. Mạch khuếch đại hai tầng Mạch này yêu cầu một điện

trở được mắc nối tiếp với cực

emitter của Q3 để ổn định Q-

point (vì dòng thu của Q3 phụ

thuộc theo hàm mũ với điện áp

base-emitter), tại mức hao tổn

của hệ số khuếch đại điện áp.

Với mạch tương đương dc, IE1= IE2 = I1 /2. Nếu

dòng nền của Q3 được bỏ qua và hệ số khuếch đại

dòng C-B là 1,

Vì tín hiệu ngõ vào bàng 0, nên ngõ ra cũng bằng 0

IS3 là dòng bão hòa. For zero offset voltage

BEVC

R1

I

CCV

CE2V

CE1V

2

REE

VC3

I /CCVEC3V

S3I

C3I

TVEB3V 1ln

S3I

C3I

F3

C3I

2

1I

F

TV

CR

S3I

C3I

TV

EBV

C)R

B3I-

C2(I

1ln

2

1ln3

Nửa mạch có thể được tạo nên tự sơ đồ mạch

tương đương ac cho dù sự bất đôi xứng của

nó, vì điện áp thay đổi tại cực collector của

Q2 là không ảnh hưởng dòng của transistor

hoạt động trong vùng tích cực.

Từ mô hình tín hiệu nhỏ,

Rm

gvt

A

rC

Rmg

LRm

g

vtA

3c2

vov

2

)3

(2

212

2

idvc2

v

1


)3

)(3

(2

2

21c2

v

ov

idv

c2v

idv

ov

Rm

grC

Rmg

vtA

vtA

dmA

12

22

idi/

idv

rr

idR R

orR

outR

3


)3

(

1221

32

c2v

ov

icv

c2v

icv

ov

Rm

gR

mg

rC

Rm

g

cmA

122

1221

CMRR Rm

g

Rm

g

cmA

dmA

)3)(3

(2

2

c2v

ov

idv

c2v

idv

ovRmgrCRm

g

dmA

iic

vic

1 2R1

4.10. Phân tích AC-chế độ đồng pha-CMRR

36

KẾT THÚC CHƯƠNG 4


Mach KD Vi Sai

Documents

Transcript of Mach KD Vi Sai