W.3_NIELINIOWE UKŁADY OPERACYJNE Klasyfikacja i metody generacji funkcji nieliniowych Analogowe układy mnożące Układy logarytmiczne i wykładnicze Układy kształtujące funkcje przedziałami prostoliniowe Komparatory

Wzmacniacz operacyjny z nieliniowym sprzężeniem zwrotnym Dla układu z rys..1b

metoda modulacji szerokości i amplitudy impulsów prostokątnych, W analogowej technice scalonej układy mnożące mogą być realizowane kilkoma różnymi metodami, spośród których najczęściej stosowane są następujące metody: metoda modulacji szerokości i amplitudy impulsów prostokątnych, metoda z zastosowaniem operacji logarytmicznej i wykładniczej, metoda z zastosowaniem kwadratorów, metoda wykorzystująca układy różnicowe o zmiennej transkonduktancji, nazywana również metodą sterowanego podziału prądu. Najbardziej rozpowszechnioną i odznaczającą się najkorzystniejszymi cechami użytkowymi jest metoda wykorzystująca układy różnicowe o zmiennej transkonduktancji- układy Gilberta. W technologii CMOS ważną rolę odgrywają układy z elementami o charakterystyce kwadratowej.

czasowe, b) uproszczony schemat ideowy Mnożenie metodą modulacji szerokości i amplitudy impulsów: a) przebiegi czasowe, b) uproszczony schemat ideowy

- współczynnikiem wypełnienia impulsu prostokątnego wada - ograniczony zakres częstotliwości

Mnożenie z wykorzystaniem operacji logarytmicznej i wykładniczej: a) schemat funkcjonalny układu jednokwadrantowego

Najprostszy układ mnożący dwućwiartkowy: a) schemat układu, b) charakterystyki

Układ mnożący czteroćwiartkowy: a) schemat ideowy, b) charakterystyki

linearyzacji, b) układ Gilberta Linearyzacja charakterystyk układu mnożącego: a) charakterystyka przed i po linearyzacji, b) układ Gilberta

Linearyzacja układu czteroćwiartkowego z zastosowaniem przetwornika Gilberta i oporników emiterowych

Typowe charakterystyki układu mnożącego zlinearyzowanego

Uniwersalne układy mnożące: a) z niesymetrycznym wejściem Z, b) z symetrycznym wejściem Z, c) oznaczenie schematowe układu b)

  

Układy z zastosowaniem kwadratorów 

UGS>UT UDS>UGS -UT (zakres liniowy) dla UGS>UT 0<UDS<UGS -UT (zakres nasycenia) UGS>UT UDS>UGS -UT

Podstawowy układ dzielący

Układ pierwiastkujący

Dwupołówkowy prostownik precyzyjny Układ przetwornika wartości skutecznej

Układ kształtowania przebiegu sinusoidalnego

Detektor fazoczuły

aproksymacja, c) charakterystyka ogranicznika L Ogranicznik diodowy: a) schemat, b) charakterystyka diody i przyjęta jej aproksymacja, c) charakterystyka ogranicznika

Diodowy układ progowy: a) nieodwracający, b) odwracający

SYMBOL KOMPARATORA I JEGO CHARAKTERYSTYKA PRZEJŚCIOWA Wzmocnienie układy w obszarze przełączania:

Statyczna charakterystyka komparatora - model pierwszego rzędu uwzględniający offset napięcia wejściowego VOS

Statyczna charakterystyka – szumy komparatora Niejednoznaczność charakterystyki w obszarze przejściowym prowadzi do powstawania jittera lub szumów fazowych.

Dynamiczne charakterystyki komparatora – czasy propagacji

Przykład prostego komparatora w postaci dwustopniowego wzmacniacza operacyjnego w układzie Millera bez kompensacji charakterystyki częstotliwościowej

Komparator z wyjściem przeciwsobnym push-pull Przeciwsobne sterowanie stopnia wyjściowego uzyskano dzięki zastosowanemu nawrotnikowi na tranzystorach M8-M9

Autozerowanie komparatora Przy autokompensacji komparator powinien być stabilny przy z konfigurowaniu go do wtórnika napięciowego (jednostkowe wzmocnienie przy częstotliwości ωT) . Bardzo dobrym rozwiązaniem będzie wybór struktury układowej komparatora z samokompensacją. W przeciwnym razie układ komparatora będzie wymagał kompensacji millerowskiej). Pełna kompensacja napięcia offsetu jest ograniczona zjawiskiem injekcji ładunków w procesie przełączania układu kompensacyjnego.

Najprostszym sposobem zmniejszania błędów injekcji ładunków (zjawiska clock feedthrough) jest stosowanie dużych pojemności. Aby zjawisko do występowało na poziomie niższym niż 0,5 mV, pojemności powinny być ok.. 100 pF. Ponadto pojemności poly=poly mają pasożytnicze pojemnośći (różne dla górnej i dolnej okładki), które dodatkowo zwiększają efekt clock feedthrough o ok.. 20%. W celu minimalizacji zjawiska clock feedthrough stosuje się technikę projektowania komparatorów w pełni symetrycznych ze sterowaniem różnicowym. Schemat ideowy takiego rozwiązania przedstawiono na poniższym rysunku Jednostopniowy, w pełni różnicowy komparator w technice C-przełączane

Komparatory zatrzaskowe (Latched comparators) Współczesne rozwiązania szybkich komparatorów są układami dwustopniowymi z przedwzmacniaczem poprzedzającym stopień śledząco-zatrzaskowy (track and latch stage). Typowa architektura współczesnego szybkiego komparatora

Przedwzmacniacz stosuje się dla uzyskania wyższej rozdzielczości i minimalizacji tzw. zjawiska szybkiego powrotu (kickback effects). Poziom napięcia wyjściowego przedwzmacniacza jest dużo niższy niż wymagany poziom sterowania układu cyfrowego. Stopień śledząco-zatrzaskujący wzmacnia sygnał z wyjścia przedwzmacniacza do wyższego poziomu w fazie śledzenia, a następnie wzmacnia go jeszcze bardziej w fazie zatrzaskiwania, gdzie zastosowane jest dodatnie sprzężenia zwrotne. Dodatnie sprzężenia zwrotne regeneruje sygnał analogowy do pełnego poziomu wymaganego do sterowania układów cyfrowych. Stopień śledząco-zatrzaskujący minimalizuje wymaganą liczbę stopni, nawet w przypadku dużej rozdzielczości, a przy tym jest znacznie szybszy niż poprzednie rozwiązanie komparatora wielostopniowego. Najczęściej przedwzmacniacz ma wzmocnienie od 4 do 10, czasami jest to bufor napięciowy o wzmocnieniu 1, a przez to jest układem szybkim. Jego eliminacja mogłaby wprowadzić znaczne ograniczenie dokładności i rozdzielczości, poprzez zjawisko szybkiego powrotu (kickback effects). Kickback oznacza transfer ładunku albo do lub z wejścia, gdy stopień śledząco-zatrzaskujący przechodzi z fazy śledzenia do fazy zatrzaskiwania . Ten transfer ładunku jest wywoływany przez ładunek potrzebny do załączenia tranzystorów w obwodzie dodatniego sprzężenia zwrotnego, a także przez ładunek który musi być usunięty z wyłącznych tranzystorów w obwodzie śledzącym. Bez przedwzmacniacz lub bufora, ładunki związane z efektem kickback wchodzą na wejście układu sterującego i powodują duże zakłócenia, w szczególności gdy impedancje widziane z obydwu wejść wzmacniacza nie są perfekcyjnie dopasowane. W komparatorach o dużej rozdzielczości stosuje się również pojemności sprzęgające i klucze zerujące dla eliminacji wejściowego napięcia dla offsetu i błędów związanych ze zjawiskiem clock feedthrough.

Dwustopniowy komparator z przedwzmacniaczem, układem śledzącym i zatrzaskującym

Wpływ szumów wejściowych na przełączanie komparatorów: a). bez histerezy b). z histerezą

Komparator (przerzutnik Schmitta) na wzmacniaczu operacyjnym z histerezą nieodwracającą VTRP- Lower Trip Point VTRP+ Upper Trip Point

Progi przełączania komparator z histerezą nieodwracającą VTRP- Lower Trip Point VTRP+ Upper Trip Point Wyznaczenie wartości VTRP+ Upper Trip Point Wyznaczenie wartości VTRP- Lower Trip Point Wyznaczenie szerokości histerezy:

Komparator (przerzutnik Schmitta) na wzmacniaczu operacyjnym z histerezą odwracającą VTRP- Lower Trip Point VTRP+ Upper Trip Point

Progi przełączania komparator z histerezą odwracającą VTRP- Lower Trip Point VTRP+ Upper Trip Point Wyznaczenie wartości VTRAP+ Upper Trip Point Wyznaczenie wartości VTRP- Lower Trip Point Wyznaczenie szerokości histerezy:

Przerzutnik Schmitta Dokica kompatybilny do systemów cyfrowych Zaczynają przewodzić M1 i M3 Zaczynają przewodzić M5 i M6