Лабы 18 вариант / Лаба_6
.docxЛабораторная 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 = (𝑔𝑚1,2 ∗ 𝑅𝑜𝑢𝑡) ∗ 𝑉𝑑𝑖𝑓𝑓
1 1
( ) ( )
𝑅𝑜𝑢𝑡 =
𝑔𝑑𝑠1 𝑔𝑑𝑠2
1 1
= 2,08 ∗ 106
( ) + ( )
𝑔𝑑𝑠1 𝑔𝑑𝑠2
𝐺𝑎𝑖𝑛 = (𝑔𝑚2 ∗ 𝑅𝑜𝑢𝑡) ∗ 𝑉𝑑𝑖𝑓𝑓 = (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.