Лабораторная работа № 6

Изучение базовых характеристик КМДП дифкаскада по курсу «СТКУ АУ»

Вариант 18

Цель работы: Изучение малосигнальных и переходных характеристик и эффекта Миллера в КМДП усилителе с общим истоком, а также изучение базовых характеристик КМДП дифкаскада путем моделирования с использованием программных пакетов Cadence Virtuoso Schematic Editor и Analog Artist Simulation

Ввести схему дифференциального каскада.

Рисунок 1 – Схема дифкаскада

Isrc1, мкА	lmos, мкм (u)	CL, пФ (p)
1	0,5	0,1

Таблица 1 – Данные по варианту

Ввести схему для определения реакции дифференциального каскада на синфазный входной сигнал.

Рисунок 2 – Схема для определения реакции дифкаскада

Проведём AC моделирование от 10 Гц до 2 ГГц. И также проведём параметрическое моделирование по переменной vincm от 0 до 3 В с шагом 100 мВ.

Рисунок 3 – Результаты параметрического моделирования

На рисунке 3 можно результаты работы усилителя при различных значениях напряжения, подаваемых на его вход. Также отметим, что начиная с напряжения равного примерно 0,8 В, графики становятся близки друг к другу (эти графики располагаются в нижней части). Следовательно, чем больше напряжение на входе усилителя – тем меньше усиление на его выходе.

Ввести схему для определения реакции дифференциального каскада на малый дифференциальный сигнал с помощью частотного (АС) моделирования.

Рисунок 4 – Схема для определения реакции на малый сигнал

Проведём моделирование, для получения АЧХ и ФЧХ нашего дифференциального каскада.

Рисунок 5 – ФЧХ и АЧХ Теперь найдём требуемые значения.

Рисунок 6 – Коэффициент усиления на низкой частоте

Теперь отметим частоту по уровню -3 дБ.

Рисунок 7 – Частота по уровню -3 дБ

Из рисунка 7 можно сделать вывод, что частота по уровню -3 дБ составляет 477 кГц.

Теперь найдём частоту единичного усиления (т.е. когда коэффициент усиления равняется 0 дБ).

Рисунок 8 – Частота единичного усиления

Как видно из рисунка 8, частота единичного усиления составляет 31,68 МГц.

Ввести схему для исследования переходных процессов.

Рисунок 9 – Схема для временного анализа

Провести Tran анализ схемы, отметить на графике выходного сигнала время нарастания.

Рисунок 10 – Результат временного моделирования

Отметим, что из-за очень малой ёмкости нагрузочного конденсатора, напряжение нарастает очень быстро, следовательно, график очень похож на график самого импульса.

Теперь найдём время нарастания от 10% до 90%.

Рисунок 11 – Время нарастания импульса

Как видно из рисунка 11, время нарастания составляет 10 нс. Это довольно мало. Для сравнения, при ёмкости нагрузочного конденсатора равной 100 пФ, время нарастания составит приблизительно 1 мкс.

Найти малосигнальную крутизну по затвору входного транзистора (любого) и его сопротивление сток-исток, и сопротивление сток-исток нагрузочного транзистора.

Проводимость (gds) p-канального транзистора составляет 207,5 н.

Проводимость n-канального транзистора 273 н. Крутизна по затвору (gm) – 39,58 мк.

На основе этих значений рассчитать коэффициент усиления и частоту первого полюса

Рисунок 12 – Схема с подписанными напряжениями на входе и выходе

Из рисунка 12 найдём разницу между напряжением выходного и входного сигналов как 1,513 – 1,5 = 0,013

^𝑉𝑜𝑢𝑡 ^{= (𝑔}𝑚1,2 ^{∗ 𝑅}𝑜𝑢𝑡^{) ∗ 𝑉}𝑑𝑖𝑓𝑓

1 1

( ) ( )

^𝑅𝑜𝑢𝑡 ⁼

𝑔𝑑𝑠1 𝑔𝑑𝑠2

1 1

= 2,08 ∗ 10⁶

( ) + ( )

𝑔𝑑𝑠1 𝑔𝑑𝑠2

𝐺𝑎𝑖𝑛 = ⁽𝑔𝑚2 ∗ 𝑅_𝑜𝑢𝑡⁾ ∗ 𝑉_{𝑑𝑖𝑓𝑓} = ⁽39,58 ∗ 10⁻⁶ ∗ 2,08 ∗ 10⁶⁾ ∗ 0,013 = 1,070

Следовательно, усиление составляет 1,07 раз. В данном варианте, дифкаскад работает как повторитель.

Теперь рассчитаем частоту полюса как:

_{ω =} ^𝑔𝑚2

^𝐶𝐶𝑜𝑢𝑡1

39,58 ∗ 10⁻⁶

= ₁₀₋₁₂ = 39,58 МГц

Следовательно, частота по уровню -3 дБ составляет 39,58 МГц

Вывод: в данной лабораторной работе был рассмотрен дифкаскад, также были рассмотрены его реакции на синфазный входной сигнал с различной амплитудой. Также были определены реакции на малый сигнал. Был проведён анализ времени нарастания и частоты среза. Отдельно были рассчитаны коэффициент усиления и частота первого полюса, по приведённым в разработке формулам. Из проведённых моделирований и расчётов, можно сделать вывод, что данная схема работает, но коэффициент усиления близок к единице, следовательно собранная схема является повторителем.