Microsoft PowerPoint - 9.Analog.ppt

時間

大き

さ

デジタル信号

アナログ信号

アナログ情報

デジタル情報

デジタル情報とアナログ情報

通信・ネットワークの高度化

無線通信, 高速ﾈｯﾄﾜｰｸ, 光通信

ヒューマンインタフェース高度化

人間の視覚, 聴覚, 感性にせまる

脳型コンピュータの実現

ﾃﾞｼﾞﾀﾙｺﾝﾋﾟｭｰﾀと

相補的な情報処理

省エネルギーなシステム

情報処理システムにおけるアナログ技術

アナログ回路

ADC,DAC

高周波回路

センサー

電源回路

知能処理回路

世界発のCMOSアナデジ混載LSI

Cアレイ型AD,DA変換器，スイッチトキャパシタフィルタ，PLL

カムコーダー用制御LSI

プロセス：0.35umCMOS

チップサイズ：９.８ｘ９.８ｍｍ

電源電圧：3.3Ｖ

カレントミラー

GND

Q1

Q2

I

_in

I

_out

Q1

Q2

GND

GND

V

_dd

I

_out

= I

_in

I

in

I

_out

V

_dd

_V

dd

V

_dd

+

-v

_gs1

ゲート

ドレイン

ソース

GND

+

-v

_y

Q1の等価回路

ダイオード接続ト

ランジスタ

出力インピーダンス

を調べる

i

であるので

1 1

1

/

g

_m

<<

r

_ds 1 1 ds m

v

g

r

ds1

V

_y

i

_y 1 m

g

V

_y 1 1 1 1 ds ds ds m y

r

V

v

g

i

=

+

1

1

ds

gs

y

V

V

V

=

=

1

1 ds

m

y

g

v

i

=

1

1

/

g

_m

飽和領域では

飽和領域では

高い出力抵抗＝定電流源

電圧によらず一定の電流を流す

1

/

1

g

_m

g

m2

v

ds2

V

x

i

_x

カレントミラーの等価回路

GND

GND

+

-Q2

Q1

GND

GND

GND

出力抵抗

v

_gs2

r

_ds2

r

_ds2

2

2

2

ds

x

gs

m

x

r

V

v

g

i

=

+

y

m

m

gs

m

x

i

g

g

v

g

i

1

2

2

2

=

=

ソース接地アンプ

カレントミラー型

アクティブロード

Q2

GND

Q1

GND

Q1

負荷抵抗

RL

GND

Q1

v

_out

v

_in

I

_bias

v

_out

v

_in

V

_dd

V

dd

V

_dd

ソース接地アンプの動作

ドレイン電流

I

ds

V

_dd

0

_{出力電圧 V}

out

nMOSの特性

v

_in

負荷抵抗の特性

v

_out

R

_L

ds

L

dd

out

V

R

I

V

=

−

500KΩ 100uA=50V

ソース接地アンプの動作

ドレイン電流

I

ds

V

_dd

0

_{出力電圧 V}

out

v

_in

負荷抵抗の特性

v

_out

アクティブロードの特性

・直流電流を流す機能

・大きな微分抵抗

ds L dd out

V

R

I

V

=

−

ドレイン電流

I

ds

V

_dd

0

_{出力電圧 V}

out

nMOSの特性

V

_in

負荷抵抗の特性

V

_dd

*

・直流電流を流す機能

・大きな微分抵抗

抵抗負荷とアクティブロードの比較

ソース接地アンプの動作

ds

L

dd

out

V

R

I

V

=

−

500

ΚΩ

×

100

μ

Α

=

50

V

v

_in

+

-GND

_GND

GND

R

_in

v

_out

GND

電圧利得：

ソース接地アンプの等価回路と利得

Q

₁

あるいはR

_L in out v

v

v

A

=

/

100

~

10

)

//

(

_{1 2} 1 2 1

=

−

=

−

−

−

=

g

_m

R

g

_m

r

_ds

r

_ds 2 1 2

r

ds

//

r

ds

R

=

1 1 gs m

v

g

i

=

v

_gs1

_r

ds1

r

_ds2

電圧制御電流源

R

_in

C

_gd1

g

m1 gs

v

1

v

_out

+

-ソース接地アンプの交流小信号等価回路

R

₂

Ｃ

₂

v

_gs1

C

_gs1

[

]

[

R

C

C

(1

g

R

)

R

(c

C

)

]

s

1

R

g

s

v

s

v

s

T

2 gd1 2 2 m1 gd1 gs1 in 2 m1 in out

+

+

+

+

+

−

=

=

)

(

)

(

)

(

v

_in

電圧制御電流源

ソース接地アンプの周波数特性

位相

電圧利得（振幅）

周波数

-180

-270

-225

Vi

_n

V

_out

逆位相

電圧利得

f

_-3dB

=

3dB

低下周波数

2 1

R

g

_m

DC利得

[

]

[

R

C

C

(1

g

R

)

R

(c

C

)

]

j

1

R

g

s

v

s

v

s

T

2 gd1 2 2 m1 gd1 gs1 in 2 m1 in out

+

+

+

+

+

−

=

=

ω

)

(

)

(

)

(

3dB

ミラー容量

-A

ソース接地アンプの信号帯域

[

_{1 1}

(

_{1 2}

)

]

₂

(

_{1 2}

)

3

1

2

1

c

c

R

R

g

c

c

R

f

gd m gd gs in dB

=

₊

₊

₊

₊

−

_π

[

c

c

(

A

)

]

R

_{in gs}

+

_gd

+

=

1

2

1

1 1

π

_A

₌

_g

_m1

_R

₂

R

_in

C

gd1

(1+A)

c

_gs1

v

_in

R

_in

c

_gs1

C

_gd1

Q1

Q2

GND

GND

V

_dd

Q3

ソースフォロワ（ドレイン接地アンプ）

アクティブロード

pウエルを使用している場合

ソースに接続すれば

Body Effectが起きない

V

_dd

I

_bias

V

_in

V

_out

ソース結合差動対

差動増幅回路

V

_in

+

Id1

Id2

Vc

GND

V

_bias

Ib

入力電圧

出力電流

V

_in

- V

in

+

Id1 Id2

V

_c

V

in

-R

_L

_R

L

V

_dd

GND

V

_bias

Ib

V

_out

-

V

out

+

出力電圧

定電流

飽和領域で動作

差動増幅回路の動作

V

_in

+

I

_d1

I

_d2

V

_c

V

in

-R

_L

_R

L

V

_dd

GND

V

_bias

I

_b

V

_out

-

_V

_out

₊

出力電圧

入力電圧

定電流 I

_b

=I

_d1

+I

_d2

V

_out

-

_V

out

+

V

_in

+

ー

V

_in

-0

V

_dd

V

_dd

- R

_L

I

_b

入力差動電圧

出力電圧

V

_dd

– R

_L

I

_b

/2

OPA : Operational Amplifier

+

-出力インピーダンス＝0

入力インピーダンス＝∞

差動入力

に対する利得

同相入力

に対する利得

同相入力

)

(

−

−

=

_{d in+ in} out

A

V

V

V

−

−

+ in in

V

V

A

_d

=

∞

V

_in+

v

_out

V

in-2

/

)

(

V

_in+

+

V

_in−

A

_c

=

0

V

_in+

V

in-1

-

-A

2

Differential

input stage

Second

gain stage

Output

buffer

オペアンプのブロック構成

+

--A

₂

２段構成

３段構成

抵抗負荷

容量負荷

位相補償容量

差動アンプ

ソース接地アンプ

ソースフォロワ

v

_in

v

_in

v

_out

v

_out

C

_c

C

_c

A

₁

+

A

₁

+

-v

_in

v

_out

反転アンプ

R

₁

R

₂

+

v

_in

v

_out

非反転アンプ

R

₁

R

₂

オペアンプを用いた基本回路

仮想接地

Virtual Ground

A

_d

R

₁

=∞

-i

i

A

_d

))

/(

)

0

(

R

₂

V

R

₁

V

R

₁

R

₂

A

V

_out

=

_{d in}

+

_out

−

+

V

_out

=

A

_d

(

V

_in

−

R

₁

V

_out

/(

R

₁

+

R

₂

))

1

2

/

/

V

R

R

V

_out

_in

=

−

)

/

(

/

V

1

R

₂

R

₁

V

_out

_in

=

+

)

(

₊

−

₋

=

_{d in in} out

A

V

V

V

1

/

_in

=

out

V

V

A

_d

=∞

A

d

=∞

ボルテージフォロワ

加算回路

+

-v

₁

オペアンプを用いた基本回路

+

仮想接地

Vertial Ground

積分回路

OV

OV

v

₂

v

₃

R

₁₁

R

₁₂

R

₁₃

R

₂

-V

_out

V

_out

v

₁

R

1

全差動OPA(差動入力差動出力)

同相出力

Q

₁

PSRR特性(電源電圧変動抑圧)が良好

シリコン基板の雑音抑圧特性が良好

信号入力雑音の同相成分抑圧が良好

適当な値に制御する必要

基板

同相成分には現れるが

差動成分には影響がない

V

_in+

V

in-Q

₂

V

out-V

_out+

V

out-V

_out+

2

− +

+

out out

V

V

コンパレータ（電圧比較器）の機能

アナログ信号をデジタル化（2値化）する

1

:

=

>

_ref

_out

in

V

V

V

0

:

=

<

_ref

_out

in

V

V

V

V

_ref

V

_in

オペアンプを用いたコンパレータ

+

-の時出力High

の時出力low

オープンループのオペアンプはコンパレータになる．

○感度(精度)は利得で決まり，高い

●応答速度は遅い

ref

in

V

V

>

ref

in

V

V

<

インバータチョッパ型コンパレータ

C

V

_ref

V

_in

φ

φ

φ

V

_dd

V

_out

V

_ref

V

_in

インバータチョッパ型コンパレータの動作

貫通電流

V

_c

は保持される

リセット（ｵﾌｾｯﾄ補償）

コンパレート

V

_ref

V

_in

V

_ref

V

_in

C

φ

V

_out

φ

φ

φ

C

V

_out

V

_th

_V

th

V

_c

V

_c

V

_i

th

ref

c

V

V

V

=

−

)

(

_ref

_th

in

i

V

V

V

V

_i

=

V

_in

−

(

V

_ref

−

V

_th

)

V

=

−

−

"

1

:"

0

>

−

=

−

_{in in ref} i

V

V

V

V

"

0

:"

0

<

+

-R

₁

R

₂

+

非反転アンプ

R

₁

R

₂

宿題 1月1５日 オペアンプを用いた基本回路

仮想接地

Virtual Ground

図に示す反転アンプでゲインが

となることを説明せよ.

オペアンプの差動利得を

として、

ゲインの式を求め、

とせよ。

A

_d

=∞

-i

i

A

_d

=∞

V

_out

V

_in

_V

in

V

_out 1 2

/

/

V

R

R

V

_{out in}

=

−

∞

=

d

A

d

A

図に示す非反転アンプでゲインが

となることを説明せよ.

オペアンプの差動利得を

として、

ゲインの式を求め、

とせよ。

)

/

(

1

/

V

R

₂

R

₁

V

_{out in}

=

+

∞

=

d

A

d

A

+

-v

_in

v

_out

反転アンプ

R

₁

R

₂

+

v

_in

v

_out

非反転アンプ

R

₁

R

₂

オペアンプを用いた基本回路

仮想接地

Virtual Ground

A

_d

R

₁

=∞

-i

i

A

_d

))

/(

)

0

(

R

₂

V

R

₁

V

R

₁

R

₂

A

V

_out

=

_{d in}

+

_out

−

+

V

out

=

A

d

(

V

in

−

R

1

V

out

/(

R

1

+

R

2

))

1

2

/

/

V

R

R

V

_out

_in

=

−

V

out

/

V

in

=

1

+

(

R

2

/

R

1

)

)

(

₊

−

₋

=

_{d in in} out

A

V

V

V

1

/

_in

=

out

V

V

A

_d

=∞

A

_d

=∞

in d out d

R

V

A

R

V

A

R

R

₁

+

₂

−

₁

)

=

₂

(

)

/(

/

V

A

R

₂

R

₁

R

₂

A

R

₁

V

_{out in}

=

_d

+

−

_d

)

/

)

/((

/

V

R

₂

R

₁

R

₂

A

R

₁

V

_{out in}

=

+

_d

−

)

)

((

)

(

R

₁

+

R

₂

V

_out

=

A

_d

R

₁

+

R

₂

V

_in

−

R

₁

V

_out in d out d

R

V

A

R

R

V

A

R

R

)

)

(

)

((

₁

+

₂

+

₁

=

₁

+

₂

)

)

/((

)

(

/

V

A

R

₁

R

₂

R

₁

R

₂

A

R

₁

V

_{out in}

=

_d

+

+

+

_d

ボルテージフォロワ

+

-宿題 1月15日 オペアンプを用いた加算回路

この回路で

の式を求めよ。

を重み付け加算するのはどうするかを説明せよ。

v

₁

v

₂

v

₃

R

₁₁

R

₁₂

R

₁₃

R

₂

V

_out

V

_out

3

2

1

,

v

,

v

v

+

-宿題解答 1月15日 オペアンプを用いた加算回路

v

₁

v

₂

v

₃

R

₁₁

R

₁₂

R

₁₃

R

₂

V

_out

2

3

13

2

12

1

11

v

R

v

R

v

R

R

v

_out

=

−

(

,

+

+

)

/

0V 仮想接地

i

₁

i

₂

i

₃

Σ

i

_i 3 13 2 12 2 11

R

R

R

R

R

R

/

,

/

,

/

重み係数は

i

i

i

v

R

i

=

/

₁

R

₂

を流れる電流はΣ

i

_i

R

_i

を流れる電流は