1. מעגלים אלקטרוניים לינאריים סמסטר אביב תשס"ב
פרק שמיני: מבוא לתכנון מגברים אופרטיביים
מרצים: אופיר דגני ואמיר קרניאל
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 1

2. מבוא לתכנון מגברים אופרטיביים
מבנה כללי (דיאגרמת מלבנים)
תכנון מיקום הקטבים
דוגמה לתכנון מגבר בטכנולוגית MOS
מגבר 741
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 2

3. תרשים עקרוני של מגבר אופרטיבי
Differential transconductance stage V1 V2 + -
High gain stage
Output Buffer
Vout
Bias Circuits
Compensation
דרגת כניסה הפרשית עם מוצא יחיד, כניסת מתח ויציאת זרם
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 3

4. Differential transconductance stage
תרשים עקרוני של מגבר אופרטיבי
Differential transconductance stage V1 V2 + -
High gain stage
Output Buffer
Vout
Bias Circuits
Compensation
דרגה עם הגבר גבוה, כניסת זרם ויציאת מתח
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 4

5. תרשים עקרוני של מגבר אופרטיבי
Differential transconductance stage V1 V2 + -
High gain stage
Output Buffer
Vout
Bias Circuits
Compensation
חוצץ מוצא על מנת ליצור אימפדנס נמוך במוצא
מקטין את התנגדות המוצא
מאפשר תחומי מתח רחבים
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 5

6. תרשים עקרוני של מגבר אופרטיבי
Differential transconductance stage V1 V2 + -
High gain stage
Output Buffer
Vout
Bias Circuits
Compensation
מעגלי הזנת DC, על מנת לשמור על כל הטרנזיסטורים בנקודת העבודה הרצויה
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 6

7. תרשים עקרוני של מגבר אופרטיבי
Differential transconductance stage V1 V2 + -
High gain stage
Output Buffer
Vout
Bias Circuits
Compensation
מערכת פיצוי המייצבת את התגובה בחוג סגור ומאפשרת רוחב סרט (על ידי הזזת הקטבים)
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 7

8. מעגלים אלקטרוניים לינאריים
תגובת תדר של מגבר
|H|
0[dB] GB fM
GB הוא התדר בו ההגבר המתקבל הוא הגבר יחידה
fM הזווית מעל 180- המתקבלת בתדר GB (phase margin)
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 8

9. מעגלים אלקטרוניים לינאריים
תגובת תדר של מגבר
|H|
0[dB] GB fM
מרווח הפאזה fM חייב להיות מעל אפס על מנת לקבל יציבות בחוג סגור
כאשר מרווח הפאזה שלילי מתקבל משוב חיובי, משמע חוסר יציבות
על מנת למנוע תנודות (ringing) רצוי מרווח פאזה גדול (45-70 מעלות)
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 9

10. מעגלים אלקטרוניים לינאריים
תגובת תדר של מגבר
תגובה למדרגה בחוג סגור
70o
60o
45o
מרווח הפאזה fM חייב להיות מעל אפס על מנת לקבל יציבות בחוג סגור
כאשר מרווח הפאזה שלילי מתקבל משוב חיובי, משמע חוסר יציבות
על מנת למנוע תנודות (ringing) רצוי מרווח פאזה גדול (45-70 מעלות)
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 10

11. מעגלים אלקטרוניים לינאריים
תגובת תדר של מגבר
|H|
0[dB] GB p1 p2
מגבר ללא מערכת פיצוי, הקטבים בתדרים גבוהים ואין מרווח פאזה
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 11

12. מעגלים אלקטרוניים לינאריים
תגובת תדר של מגבר p1 p2
|H| GB
0[dB] fM
מגבר עם מערכת פיצוי: P1 נמוך יותר ו P2 גבוה יותר
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 12

13. מעגלים אלקטרוניים לינאריים
תכנון מגבר אופרטיבי
בחירת טופולוגיה המתאימה לדרישות התכנון
בחירת טכנולוגיה, כלומר סוג הרכיבים המתאימים לדרישות התכנון
תכנון מימדי הרכיבים ורשתות הפיצוי
ראשית מבצעים תכנון ידני על פי משוואות תכנון מקורבות
לאחר מכן מבצעים סימולציה (למשל בעזרת SPICE) על מנת לכוונן את הפרמטרים במדויק.
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 13

14. דוגמה למבנה מגבר אופרטיבי
דרגת הפרש עם עומס אקטיבי בצורת ראי זרם M1 M2 M5 M4 M3
VSS
VDD
Vin+
Vin-
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 14

15. דוגמה למבנה מגבר אופרטיבי
דרגת מקור משותף CS עם הגבר גבוה M1 M2 M5 M4 M3
VSS
VDD
Vin+
Vin- M7 M6
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 15

16. דוגמה למבנה מגבר אופרטיבי
דרגת מוצא: מגבר הספק מסוג AB M7 M6 M1 M2 M5 M4 M3
VSS
VDD
Vin+
Vin- M8 M9
M10
M11
Vout
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 16

17. דוגמה למבנה מגבר אופרטיבי
מעגלי הזנה למקורות הזרם, לקביעת תנאי DC (Biasing Circuit) M1 M2 M5 M4 M3
VSS
VDD
Vin+
Vin-
M13
M14
M12 M6 M8
M10
Vout M9
M11 M7
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 17

18. דוגמה למבנה מגבר אופרטיבי
מערכת פיצוי (Compensation element) M7 M6 M1 M2 M5 M4 M3
VSS
VDD
Vin+
Vin- M8 M9
M10
M11
M13
M14
M12 CC
Vout
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 18

19. דוגמה למבנה מגבר אופרטיבי
מניתוח לאות קטן ניתן לקבל את הביטויים המקורבים הבאים.
קבל הפיצוי נבחר מהדרישה למרווח פאזה של 60 מעלות. M1 M2 M5 M4 M3
VSS
VDD
Vin+
Vin-
M13
M14
M12 M6 CC
M10 M8
Vout M9
M11 M7
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 19

20. מעגלים אלקטרוניים לינאריים
דוגמה למבנה מגבר אופרטיבי (741)
)From Sedra & Smith)
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 20

21. מעגלים אלקטרוניים לינאריים
מגבר (741): מקור זרם והזנת DC (Bias)
)From Sedra & Smith)
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 21

22. מעגלים אלקטרוניים לינאריים
מגבר (741): הגנה בפני קצר
)From Sedra & Smith)
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 22

23. מעגלים אלקטרוניים לינאריים
מגבר (741): דרגת כניסה – מגבר הפרש
)From Sedra & Smith)
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 23

24. מעגלים אלקטרוניים לינאריים
מגבר (741): דרגות ביניים CC, CE, פיצוי, CC
)From Sedra & Smith)
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 24

25. מעגלים אלקטרוניים לינאריים
מגבר (741): דרגת מוצא, מגבר הספק מסוג AB
)From Sedra & Smith)
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 25

26. מעגלים אלקטרוניים לינאריים - סיכום
משוואות של רכיב פיסיקלי ולינאריזציה
ניתוח אות גדול, הזנת DC, מקורות זרם
ניתוח אות קטן, תיאור על ידי זוגיים, תגובת תדר
חיבורי טרנזיסטורים CE,CB,CC,CD,CS,CG
מגברים רב דרגתיים, מגבר הפרש ומגבר שרת
משוב, מגברי הספק ומעגלים משולבים
מעגלים אלקטרוניים לינאריים
פרק שמיני - שקף 26