Лабораторная работа № 4

Простое токовое зеркало и усилитель с активной нагрузкой по курсу «СТКУ АУ»

Вариант 18

Цель работы: Изучение схемы токового зеркала и усилителя с активной нагрузкой.

Проведите DC моделирование с сохранением малосигнальных параметров. Отобразите потенциалы и рабочие параметры элементов на схеме.

Рисунок 1 – Схема с параметрами после моделирования

Проведите параметрическое DC моделирование (DC sweep), используя в качестве параметра напряжение источника V1, напряжение должно изменяться от 2 до 3,5 В. Выведите график зависимости тока через R1 от номинала источника питания.

Для наглядности, добавим на график маркеры.

Рисунок 2 – Зависимость тока через резистор от напряжения

Из представленного графика видно, что при изменении напряжения питания на 100мВ, ток через резистор изменяется примерно на 7.6мкА.

Создайте новый Cell View в вашей рабочей библиотеке и введите схему усилителя с активной нагрузкой.

Рисунок 3 – Усилитель с активной нагрузкой

Постройте АЧХ и ФЧХ в узле OUT.

Рисунок 4 – ФЧХ и АЧХ на выходе усилителя

Как видно из рисунка 4, до частоты примерно равной 1 кГц, усилитель работает не эффективно, т.е. на выходе выдаётся не максимальная мощность.

Измерьте низкочастотный коэффициент усиления и частоту по уровню -3 дБ.

Рисунок 5 – Частота по уровню -3 дБ

Приблизим график и найдём с помощью маркера частоту по уровню -3 дБ, она составит примерно 2,16 МГц.

Рисунок 6 – Усиление на малой частоте Коэффициент усиления по напряжению, составил 7,27 дБ на частоте 10 Гц.

Проведите временной анализ до 4 мкс, измерьте амплитуду сигнала на выходе и время его нарастания.

Рисунок 7 – Амплитуда на выходе

Рисунок 8 – Время нарастания сигнала

Как видно из рисунков 7 и 8, амплитуда на выходе составляет примерно 2,99 В, а время нарастания – 19,6 нс.

Расчёт паразитной ёмкости на выходе усилителя.

Время нарастания выходного сигнала, нс	Ширина n-транзистора усилителя, мкм	Длина n-транзистора усилителя, мкм
40	4	0,55

Таблица 1 – Данные для расчётов схем по варианту

Вычислим:

• площади дна стока (AD) и истока (AS)

𝐴𝐷 = 𝐴𝑆 = ⁽𝐴₁ + 𝐴₂ + 𝐴₃⁾ ∙ 𝑊𝑊 = ⁽0,3 + 0,4 + 0,15⁾ ∙ 4 = 3,4

• периметры внешних границ стока (PD) и истока (PS)

𝑃𝐷 = 𝑃𝑆 = 2⁽𝐴₁ + 𝐴₂ + 𝐴₃ ⁾ + 𝑊𝑊 = 2⁽0,3 + 0,4 + 0,15⁾ + 4 = 5,7

• количество квадратов в диффузионных областях протекания тока для стока и истока

𝑁𝑅𝐷 = 𝑁𝑅𝑆 =

𝑊𝑊

(𝐴₁ +

𝐴₂₎ 2

4

=

0,3 +

0,4 ^{= 8}

2

• ёмкость сток-подложка (исходя из методических указаний, 𝑉𝑉_{𝐵𝐵𝐵𝐵} = 0) Для n-какнального:

CJ ∙ AZ

C =

CJSW ∙ PZ

+

= 2,62 ∙ 10⁻⁹

BZ _{V MJ}

_V MJSW

(1 −

BZ₎

PB

(1 −

BZ₎

PB

Для p-какнального: C_BZ = 2,75 ∙ 10⁻⁹

Расчёт усиления.

Возьмём эквивалентную схему рассматриваемого усилителя:

Рисунок 9 – Эквивалентная схема усилителя

Чтобы вычислить сопротивления транзисторов, найдём их проводимости.

Проведём DC-моделирование и получим параметры транзисторов нагрузки, необходимые для расчёта усиления усилителя.

Рисунок 10 – Крутизна по затвору и проводимость сток-исток n-канального транзистора

Рисунок 11 – Проводимость сток-исток р-канального транзистора

Вычислим величину общего выходного сопротивления по формуле:

1 _∙ 1

𝑔𝑑𝑠𝑛

^𝑅𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 ⁼ ₁

𝑔𝑑𝑠𝑝

₁ = 3733,76 Ом

𝑔𝑑𝑠𝑛 ⁺ 𝑔𝑑𝑠𝑝

Теперь вычислим ёмкость нагрузки. Так как ёмкость подключена параллельно, то итоговую ёмкость можно вычислить как сумму паразитных ёмкостей сток- подложка p-канального и n-канального транзистора и ёмкость, вычисленные в предыдущем пункте и ёмкость нагрузки.

Получим: 𝐶𝐶_{𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜} = 2,62 ∙ 10⁻⁹ + 2,75 ∙ 10⁻⁹ + 1 ∙ 10⁻¹² = 5,31 ∙ 10⁻⁹

Рассчитаем коэффициент усиления по формуле:

𝐻⁽𝑗𝑗𝜔⁾ = − ^{𝑔𝑚𝑅𝑜𝑢𝑡}

1 + 𝑗𝑗𝜔(𝑅_𝑜𝑢𝑡𝐶_𝑜𝑢𝑡)

Так как максимальное усиление будет при частоте, стремящейся к нулю, то можно переписать формулу как:

𝐻⁽𝑗𝑗𝜔⁾ = −𝑔_𝑚𝑅_𝑜𝑢𝑡 = 441 ∙ 10⁻⁹ ∙ 3733,76 = 1,64

Переведём в децибелы, получим коэффициент усиления равный 4,29 дБ

Проверим с помощью AC моделирования схемы. Коэффициент усиления модели близок к рассчитанному.

Рисунок 12 – Максимальное усиление

Установка режимного тока для достижения заданного времени нарастания выходного сигнала.

Проведём параметрическое моделирование схемы, будем варьировать сопротивление резистора R0.

Рисунок 13 – Результаты параметрического моделирования Рассмотрим полученные графики более подробно.

Рисунок 14 – Выделен график с требуемым временем нарастания

Как видно из рисунка, выделенному графику соответствует сопротивление 467 кОм.

Теперь проведём tran моделирование с полученным сопротивлением.

Рисунок 15 – Результаты моделирования с полученным значением сопротивления

На рисунке 15 установлены маркеры, обозначающие 10% и 90% сигнала. Уточним, что 90% составляет 2,983 В, а 10% составляет 2,84 В. Дельта маркером отмечено время нарастания. Как можно заметить, оно примерно соответствует значению по варианту.

Вывод: в ходе выполнения данной лабораторной работы было проведено моделирования схемы токового зеркала. И усилителя с активной нагрузкой. Также было вычислено усиления с параметрами транзисторов по варианту. Кроме того, было вычислено значения сопротивления, усилителя при котором обеспечивается необходимая скорость нарастания. Исходя из произведённых вычислений, можно сделать вывод, что паразитная ёмкость транзистора тем меньше, чем меньше его площадь. Также можно отметить, что ёмкость стока p-канального транзистора больше, чем та же ёмкость n-канального транзистора. По результатам выполнения параметрического моделирования, можно сделать вывод о прямой зависимости времени нарастания выходного сигнала от сопротивления.