Zacznijmy naszą podróż w świat analogowych układów CMOS. Będziemy korzystać z wiedzy Behzada Razaviego.
Wstęp do wzmacniaczy
Wyobraź sobie głośnik. Potrzebuje mocniejszego sygnału niż ten, który dostaje z odtwarzacza mp3. Wzmacniacz robi dokładnie to: zwiększa sygnał.
Analogowe układy CMOS wykorzystują tranzystory MOS. To jak elektroniczne zawory.
Porównajmy tranzystor MOS do kranu z wodą. Napięcie na bramce (Gate) kontroluje przepływ wody (prądu) między drenem (Drain) a źródłem (Source).
Rodzaje tranzystorów MOS: NMOS i PMOS. NMOS "włącza się" przy wysokim napięciu na bramce, a PMOS przy niskim.
Podstawowe konfiguracje wzmacniaczy
Mamy trzy podstawowe typy: wspólne źródło (Common Source), wspólny dren (Common Drain) (zwany też wtórnikiem źródłowym) i wspólna bramka (Common Gate).
Wspólne źródło (Common Source)
Wyobraź sobie dźwignię. Mały ruch na jednym końcu powoduje duży ruch na drugim. Wspólne źródło to podobnie – mały sygnał wejściowy na bramce daje duży sygnał wyjściowy na drenie.
Wzmocnienie jest wysokie, ale impedancja wyjściowa również.
Używamy go, gdy potrzebujemy dużego wzmocnienia napięciowego.
Wspólny dren (Common Drain)
To jak bufor. Sygnał wyjściowy "podąża" za sygnałem wejściowym. Wzmocnienie jest bliskie 1.
Ma wysoką impedancję wejściową i niską impedancję wyjściową. To dobry sposób na dopasowanie impedancji.
Wyobraź sobie, że masz słaby sygnał, który łatwo zakłócić. Wspólny dren "wzmacnia" go prądowo, zachowując napięcie.
Wspólna bramka (Common Gate)
Mniej popularna, ale przydatna. Ma niską impedancję wejściową i wysoką impedancję wyjściową.
Przydaje się do wzmacniania prądowego i pracy z wysokimi częstotliwościami.
Źródła prądowe
To elementy dostarczające stały prąd. Wyobraź sobie kran, który zawsze odkręcony jest na taką samą wartość.
Proste źródło prądowe to tranzystor z ustalonym napięciem na bramce.
Źródło prądowe Widlar to bardziej zaawansowana wersja, pozwalająca na uzyskanie małych prądów.
Źródło prądowe Wilsona poprawia stabilność i zmniejsza wpływ zmian napięcia zasilania.
Wzmacniacze różnicowe
Podstawa wielu układów analogowych. Porównują dwa sygnały i wzmacniają różnicę między nimi.
Wyobraź sobie wagę szalkową. Wzmacniacz różnicowy waży różnicę między dwoma sygnałami.
Idealny wzmacniacz różnicowy wzmacnia tylko różnicę, ignorując składową wspólną.
Składowa wspólna to sygnał występujący jednocześnie na obu wejściach. Szumy z zasilania to przykład.
Współczynnik tłumienia składowej wspólnej (CMRR) mówi nam, jak dobrze wzmacniacz tłumi składową wspólną.
Sprzężenie zwrotne
Kluczowe do stabilizacji i poprawy parametrów wzmacniaczy. Polega na "zawracaniu" części sygnału wyjściowego na wejście.
Wyobraź sobie termostat. Mierzy temperaturę i włącza/wyłącza ogrzewanie, aby utrzymać zadaną temperaturę.
Sprzężenie ujemne obniża wzmocnienie, ale poprawia stabilność, zmniejsza zniekształcenia i poszerza pasmo.
Sprzężenie dodatnie prowadzi do oscylacji (niestabilności).
Rodzaje sprzężenia: napięciowe-szeregowe, prądowe-szeregowe, napięciowe-równoległe, prądowe-równoległe.
Kompensacja to techniki stosowane do stabilizacji wzmacniaczy ze sprzężeniem zwrotnym.
Wzmacniacze operacyjne (Op-Amps)
Uniwersalne bloki budulcowe układów analogowych. Mają bardzo wysokie wzmocnienie, wysoką impedancję wejściową i niską impedancję wyjściową.
To jak klocki Lego. Można je łączyć na różne sposoby, aby budować bardziej skomplikowane układy.
Idealny wzmacniacz operacyjny ma nieskończone wzmocnienie, nieskończoną impedancję wejściową, zerową impedancję wyjściową i nieskończone pasmo.
W rzeczywistości parametry te są ograniczone.
Używamy ich do budowy wzmacniaczy, filtrów, komparatorów i wielu innych układów.
Filtry
Układy, które przepuszczają sygnały o określonych częstotliwościach i tłumią inne.
Wyobraź sobie sitko. Przepuszcza małe ziarna, a zatrzymuje duże.
Filtr dolnoprzepustowy przepuszcza niskie częstotliwości i tłumi wysokie.
Filtr górnoprzepustowy przepuszcza wysokie częstotliwości i tłumi niskie.
Filtr pasmowoprzepustowy przepuszcza częstotliwości w określonym paśmie.
Filtr pasmowozaporowy tłumi częstotliwości w określonym paśmie.
Filtry aktywne wykorzystują wzmacniacze operacyjne.
Oscylatory
Układy generujące sygnały o określonej częstotliwości. Są jak elektroniczne metronomy.
Oscylator RC wykorzystuje rezystory i kondensatory.
Oscylator LC wykorzystuje cewki i kondensatory.
Oscylator kwarcowy jest bardzo stabilny i dokładny.
Konwertery analogowo-cyfrowe (ADC) i cyfrowo-analogowe (DAC)
ADC zamienia sygnał analogowy (ciągły) na cyfrowy (dyskretny).
DAC zamienia sygnał cyfrowy na analogowy.
Wyobraź sobie termometr. Mierzy temperaturę analogowo, ale wyświetla ją cyfrowo.
Rozdzielczość ADC/DAC określa, ile bitów jest używanych do reprezentacji sygnału.
Szybkość próbkowania ADC określa, jak często sygnał analogowy jest mierzony.
