際際滷

際際滷Share a Scribd company logo

Mikroelektronika 1

F
Ferhat Xhaferi

Mikro

1 of 26
Downloaded 13 times
Mikroelektronika Kapitulli 1 Qarqet e integruara lineare 1/15/2016 1
Dy kategori t谷 m谷dha qarqesh elektronike analog dhe digital Analog Celesa (ON), (OFF) Qarqet analog njihen me emrin qarqe t谷 integruar linear digital 1.2 Fabrikimi i qarqeve t谷 integruara Metodat e fabrikimit t谷 qarq eve t谷 integruar ndahen n谷 dy kategori t谷 p谷rgjith谷shme Metoda hibride Metoda monolitike Fjala monolitike rrjedh nga dy fjal谷 greke: monos, q谷 do t谷 thot谷 i vet谷m dhe lithos, q谷 do te thot谷 gur Qarqet e integruar hibrid t谷 shtresave t谷 trasha (thick film) t谷 shtresave t谷 holla (thin film) QI hybrid multichip 1/15/2016 2
QI monolitik realizohen n谷p谷rmjet nj谷 sekuence hapash. I gjith谷 qarku, duke p谷rfshir谷 t谷 gjith谷 element谷t aktiv谷 dhe pasiv谷 formohen n谷 nj谷 cop谷z materiali siliciumi kristalin. Qarqet e integruar monolitik p谷rfaq谷sojn谷 shembullin ekstrem t谷 dallimeve n谷 struktur谷, midis QI monolitik dhe qarqeve me komponente diskret. Fig.1.1a paraqet nj谷 qark q谷 p谷rmban kat谷r komponentet m谷 shum谷 t谷 p谷rdor谷sh谷m n谷 qarqet e integruar, pik谷risht nj谷 kapacitet, nj谷 rezistenc谷, nj谷 diod谷 dhe nj谷 transistor npn. Do t谷 p谷rdorim k谷t谷 qark p谷r t谷 ilustruar principet baz谷 t谷 fabrikimit t谷 QI monolitik. Fig.1.1b paraqet kat谷r materialet baz谷 p谷r q谷 nevojiten p谷r t谷 realizuar k谷t谷 qark. N谷 procesin e fabrikimit nevojiten edhe shum谷 materiale t谷 tjer谷. Ato p谷rfshijn谷 dopant, p谷r t谷 ndryshuar siliciumin elektrikisht neutral n谷 material t谷 tipit p ose n, nj谷 oksidues p谷r t谷 prodhuar dioksidin e silicit, etchants (etch = gdhend , bej gravure) per t谷 hequr shtresa t谷 ndryshme dhe material i ndjesh谷m ndaj drit谷s. N谷 fig.1.1c jepen p谷rmasat e shtresave t谷 ndryshme, p谷r t谷 kuptuar, q谷 seksionet t谷rthore t谷 tyre, nuk i p谷rgjigjen shkall谷s s谷 paraqitjes, sepse ndryshe nuk do ishte e mundur t谷 paraqiteshin shtresat tep谷r t谷 holla t谷 dioxidit dhe t谷 difuzionit. S谷 pari le ti kushtojm谷 v谷mendje hapave t谷 fabrikimit t谷 nj谷 transistori npn. M谷 tej duke shfryt谷zuar struktur谷n e arritur do t谷 shohim se si realizohet dioda, rezistenca dhe kondesatori. 1/15/2016 3
1/15/2016 4
Fig.1-1 Fabrikimi i QI monolitik 1/15/2016 5
1/15/2016 6 1.3 Analiza e disa qarqeve n谷 p谷rb谷rje t谷 QI linear. P谷rve巽 disa konsideratave t谷 p谷rgjith谷shme, n谷 k谷t谷 paragraf do t谷 jepen teknikat e polarizimit t谷 QI linear dhe do t谷 analizohet stadi amplifikues diferencial, q谷 p谷rb谷n stadin e hyrjes t谷 巽do amplifikatori operacional (i cili do t谷 studjohet me holl谷si n谷 kapitullin 2), por edhe stade t谷 tjer谷. Konsiderata t谷 p谷rgjith谷shme Projektimi i nj谷 sistemi elektronik me QI 谷sht谷 shum谷 m谷 i thjesht谷, n谷 krahasim me projektimin e detajuar dhe t谷 lodh谷sh谷m t谷 sistemeve t谷 realizuar me element谷 diskret谷, sepse vet谷 qarku i integruar 谷sht谷 n谷 vet谷vete nj谷 n谷nsistem apo sistem. N谷 rastin ideal mjafton q谷 projektuesi t谷 b谷j lidhjen e p谷rshtat谷shme t谷 qarqeve p谷rkat谷s p谷r t谷 nd谷rtuar sistemin elektronik t谷 d谷shiruar. Nd谷rkaq, n谷 praktik谷, nevojitet njohja me principet e pun谷s s谷 QI, p谷r t谷 shfryt谷zuar kapacitetin e tyre dhe p谷r t谷 shmangur grackat e pun谷s projektuese. Kjo 谷sht谷 arsyeja, p谷rse prodhuesit e QI i shoq谷rojn谷 ato me skemat e tyre elektronike dhe me t谷 dh谷nat teknike.
1/15/2016 7 Dallimi kryesor q谷ndron n谷 faktin q谷 QI monolitik ka nj谷 num谷r m谷 t谷 kufizuar tipesh p谷rsa i p谷rket komponenteve p谷rb谷r谷se, n谷 krahasim me tipet e komponenteve t谷 p谷rdorur n谷 qarqet me element谷 diskret谷. Bobinat, transformator谷t si dhe rezistencat dhe kondesator谷t me vler谷 shum谷 t谷 lart谷 nuk mund ose nuk 谷sht谷 praktike t谷 integrohen Ve巽 k谷saj, komponentet e integruar n谷 qark kan谷 toleranca m谷 t谷 k谷qija se ato t谷 komponenteve diskrete, p谷r shkak t谷 kompleksitetit dhe hapave t谷 shumt谷 procedurial谷, t谷 k谷rkuar p谷r fabrikimin e tyre. Pro巽eset e difuzimit t谷 p谷rdorur gjat谷 fabrikimit t谷 QI monilitik jan谷 t谷 ndjeshm ndaj ndryshimeve t谷 vogla (prej disa grad谷sh) t谷 temperatur谷s, si pasoj谷 gabimet n谷 vlerat absolute t谷 komponenteve jan谷 t谷 pashmang谷shme. Influenca t谷 tjera negative jan谷 heqja jo uniforme e shtres谷s s谷 ndjeshme ndaj drit谷s, variacionet n谷 vetit谷 e materialeve t谷 p谷rdorur, etj. Por p谷r fat t谷 mir谷, megjith谷se vlera absolute e komponenteve te QI monolitik nuk mund t谷 kontrollohet sakt谷sisht, nga nj谷 chip n谷 tjetrin, madje edhe br谷nda chip-it, komponentet e nj谷jt谷 t谷 nj谷 chip-i, duke q谷n谷 af谷r nj谷ri tjetrit kan谷 jo vet谷m vlera t谷 nj谷jta por edhe koeficient t谷 nj谷ejt谷 temperature. Kjo aft谷si, p谷r t谷 fabrikuar 巽ifte t谷 harmonizuar komponentesh, ve巽an谷risht rezistenca dhe transistor谷, shfryt谷zohet shpesh p谷r t谷 kap谷rcyer pamund谷sin谷 e fabrikimit t谷 komponenteve me vlera brenda toleranc谷s.
1/15/2016 8 Nj谷 v谷shtrim mbi qarqet e integruar monolitik zbulon menj谷her谷 dallimin kryesor t谷 tyre nga qarqet diskret谷 Qarqet e realizuar me element diskret谷 kane m谷 shum谷 komponente pasive se sa komponente aktive, sepse k谷to t谷 fundit jan谷 m谷 t谷 shtrenjta dhe me besueshm谷ri m谷 t谷 ul谷t se komponentet pasive QI monolitik ka ligj谷si t谷 tjera, q谷 lidhen kryesisht me p谷rmasat e m谷dha t谷 rezistencave dhe kondesator谷ve t谷 integruar n谷 raport me ato t谷 diodave dhe transistor谷ve, Duke preferuar komponentet aktive ndaj atyre pasive, qarku rezulton me p谷rmasa fizike m谷 t谷 vogla dhe p谷r pasoj谷, wafer-i -me nj谷 num谷r m谷 t谷 madh QI. P谷rfitimi ekonomik 谷sht谷 evident.
1/15/2016 9 1.3.1 Teknikat e polarizimit t谷 qarqeve t谷 integruar linear (Pasqyrat e rrym谷s) Fig.1-2 paraqet skem谷n e nj谷 gjeneratori rryme realizuar me element谷 diskret. Fig.1-2 Pa b谷r谷 analiz谷n e skem谷s, e cila p谷rfaqeson n谷 vet谷vete nj谷 stad me vet谷polarizim, do t谷 sqarojm谷, m谷nyr谷n e stabilizimit t谷 rrym谷s kolektoriale IC, p谷r t谷 qen谷 e pavarur nga ndryshimet e temperatur谷s. Stabilizimi i rrym谷s I arrihet n谷p谷rmjet rezistenc谷s R1 dhe diod谷s D. Tensioni n谷 diod谷 dhe tensioni baz谷-emiter Vbe, si dhe ndryshimet e tyre me temperatur谷n, zbriten reciprokisht, duke siguruar nj谷 tension pothuaj konstant n谷 rezistenc谷n Re dhe si pasoj谷 nj谷 rrym谷 emiteriale konstante. K谷shtu, rryma kolektoriale IC mbahet konstant dhe 谷sht谷 e pavarur nga ndryshimet e temperatur谷s. P谷r shkak se rryma IC = konstant, stadi amplifikues me vet谷polarizim (ose me polarizim emiterial) njihet edhe me emrin gjenerator rryme.
1/15/2016 10 Skema e fig.1-2 nuk 谷sht谷 e p谷rshtat谷shme p谷r fabrikimin e gjeneratorit t谷 rrym谷s n谷 QI monolitik, p谷r shkak t谷 vlerave t谷 m谷dha t谷 rezistencave dhe kondesatorit Ce. N谷 QI monolitik p谷rdoret skema e fig.1-3a. Fig.1-3 T谷 dy transistor谷t fabrikohen ngjitur me nj谷ri tjetrin, prandaj parametrat e tyre jan谷 shum谷 t谷 p谷raf谷rt. Duke patur parasysh谷 se bazat e tyre kan谷 t谷 nj谷jtin potencial kuptohet Ic do t jene te njejta (IC1 = IC2 = IC) dhe t谷 pavarura nga temperatura, si me posht谷 : I = IC1 + IB1 + IB2 = IC + 2IB IC = I - 2IB . Por:
1/15/2016 11 IC = 硫IB, ku 硫 谷sht谷 amplifikimi p谷r sinjale t谷 m谷dhej, si rrjedhoje Pra rryma IC eshte konstante dhe e pavarur nga temperatura. Nga ana tjet谷r: K谷shtu, n谷qoft谷se 硫 >> 2 dhe VBE << VCC Skema e fig.1-3b p谷rfaq谷son skem谷n ekuivalente t谷 gjeneratorit t谷 rrym谷s t谷 paraqitur n谷 fig.1-3a, sepse transistori Q1, i lidhur si diod谷, 谷sht谷 z谷vend谷suar nga dioda D. Rryma I (e barabart谷 me rrym谷n e diod谷s, n谷 se rryma e baz谷s s谷 transistorit Q neglizhohet) 谷sht谷 e barabart谷 me rrym谷n IC t谷 kolektorit t谷 transistorit Q, pra pasqyron ose p谷rs谷rit k谷t谷 rrym谷. Prandaj, ky konfiguracion thirret shpesh pasqyr谷 rryme (current-mirror) ose p谷rs谷rit谷s rryme (current-repeater). Fig.1-3c 谷sht谷 nj谷 version tjet谷r i nj谷 pasqyre rryme, q谷 p谷rdor nj谷 MOSFET t谷 pasuruar me kanal t谷 tipit n.
1/15/2016 12 N谷qoft谷se k谷rkoh谷t polarizimi i n transistor谷ve me t谷 nj谷jt谷n rrym谷, at谷here p谷rdoret fig.1.4a. Fig.1-4 P谷r transistor谷 identik vlen谷 barazimi: IC1 = IC2 = IC3 = 揃揃揃揃 ICn = IC Duke z谷v谷ndesuar IC = 硫IB dhe duke perdor谷 ligjin e par谷 t谷 Kirkofit, nxjerrim: P谷r 硫>>n+1 IC I. Duke vrojtuar fig.1-4a, vem谷 re, q谷 bazat e t谷 gjith谷 transistor谷ve jan谷 lidhur s谷 bashku, nd谷rsa emiterat e tyre jan谷 t谷 tok谷zuar. Nj谷 m谷nyr谷 e till谷 lidhje lejon, gjat谷 pro巽esit t谷 fabrikimit, z谷vend谷simin e n transistor谷ve me nj谷 transistor t谷 vet谷m multikolektorial (n-kolektorial) si n谷 fig.1-4b.
1/15/2016 13 Seksioni t谷rthor i nj谷 transistori multikolektorial tregohet n谷 fig.1-5. Fig.1-5 N谷 rast se sip谷rfaqet e zonave kolektoriale nuk jan谷 t谷 barabarta, at谷here rrymat kolektoriale nuk do t谷 jen谷 t谷 njejta, por do t谷 jen谷 proporcional me raportin e siperfaqes se kolektorit n谷 shqyrtim ndaj sip谷rfaqes s谷 transistorit t谷 lidhur si diod谷. N谷 rastin kur amplifikimi i rrym谷s 硫 i transistor谷ve n谷 p谷rs谷rit谷sit e rrym谷s (fig.1-3 dhe fig.1-4) 谷sht谷 i vog谷l (si n谷 rastin e fabrikimit t谷 transistor谷ve p-n-p lateral (an谷sor), at谷here nuk vlen谷 supozimi IC=I, sepse gabimi 谷sht谷 i konsideruesh谷m. Gabimi reduktohet mjaft duke shtuar nj谷 p谷rs谷rit谷s emiterial, p谷r ushqimin e rrymave t谷 baz谷s, si n谷 fig.1-6. Fig.1-6
1/15/2016 14 Duke aplikuar ligjin e par谷 t谷 Kirkofit n谷 pik谷n nyje t谷 baz谷s s谷 Q3, nxjerrim: Formula tregon se raporti I2/I1 varet nga 硫 shum谷 m谷 pak se n谷 rastin e skem谷s t谷 fig.1-3. N谷 fakt p谷r t谷 gjitha vlerat e amplifikimit 硫 5, I2 谷sht谷 m谷 e vog谷l se rryma I1 me m谷 pak se 6%. Le t谷 supozojm谷, q谷 n谷 qarkun e fig.1-6a shtohen dy rezistencat emiteriale R1 dhe R2, si n谷 fig.1-6b. Mund t谷 v谷rtetohet leht谷sisht se raporti i rrymave kolektoriale I1 dhe I2 谷sht谷 i barabart谷 me inversin e raportit t谷 rezistencave: I2/I1 R1/R2. K谷shtu, duke zgjedhur vlerat e p谷rshtat谷shme t谷 rezistencave R1 dhe R2 arrihen leht谷sisht t谷 merren vlera t谷 larta t谷 raporit I2/I1, (p.sh. 10). Skema e fig.1-3a nuk 谷sht谷 praktike, p谷r nj谷 gj谷 t谷 till谷, sepse sip谷rfaqja e kolektorit Q2 duhet t谷 b谷het shum谷 m谷 e madhe (p.sh. 10 her谷) se sip谷rfaqja e kolektorit t谷 Q1. P谷r t谷 gjeneruar nj谷 rrym谷 shum谷 t谷 vog谷l kolektoriale, t谷 themi 10 袖A, do t谷 k谷kohej fabrikimi i nj谷 rezistence t谷 lart谷 difuzioni. P谷r t谷 dal谷 nga kjo v谷shtir谷si, zgjidhet nj谷 vler谷 e lart谷 e rrym谷s I1 (n谷 mA) dhe lidhet nj谷 rezistenc谷 diskrete R2 (me vler谷n e k谷rkuar t谷 lart谷) n谷 emiterin e Q2. I nj谷jti rezultat arrihet edhe duke e hequr rezistenc谷n R1 nga emiteri i Q1 t谷 fig.1-6b. P谷r R1 = 0, vlera e rezistenc谷s R2 p谷rcaktohet nga ekuacioni:
1/15/2016 15 1.2 Amplifikatori diferencial Funksioni i amplifikatorit diferencial 谷sht谷 t谷 amplifikoj谷 diferenc谷n midis dy sinjaleve. Ai p谷rdoret n谷 shum谷 matje fizike, kudo kur k谷rkohet amplifikim uniform gjat谷 gjithe spektrit t谷 frekuencave, nga zero (rrym谷 e vazhduar) n谷 disa MHz. sht谷 gjithashtu stadi baz谷 i nj谷 amplifikatori operacional, Skema e nj谷 amplifikatori diferencial tregohet n谷 fig.1-7. Ai p谷rb谷het nga nj谷 巽ift transistor谷sh me parametra t谷 njejt谷, q谷 kan谷 nj谷 rezistenc谷 t谷 p谷rbashk谷t emiteriale. P谷r shkak t谷 simetris谷, skema ka drejf (drift) t谷 vog谷l ndaj ndryshimeve t谷 temperatur谷s ose ndaj ndryshimeve t谷 parametrave t谷 transistor谷ve me rrjedh谷n e koh谷s. Fig.1-7
1/15/2016 16 N谷 rastin ideal, dalja duhet t谷 jet谷 plot谷sisht e pavarur nga nivelet e sinjaleve individual谷, ajo duhet t谷 varet vet谷m nga diferenca midis tyre, sipas ekuacionit: Ku vo eshte vlera e castit te tensionit te sinjalit ne dalje, v1 dhe v2 vlerat e 巽astit t谷 tensionit n谷 hyrjet 1 dhe 2 p谷rkat谷sisht dhe Ad 谷sht谷 amplifikimi i amplifikatorit diferencial. Nga ky ekuacion rrjedh, q谷 ne menyren normale te punes, sinjal n谷 dalje merret vet谷m n谷 rastet kur sinjalet e hyrjes jan谷 n谷 kund谷rfaze, kur p.sh. v1 = 50袖V dhe v2 = - 50袖V. N谷 m谷nyr谷n e p谷rbashk谷t (common mode) t谷 pun谷s, d.m.th. kur sinjalet e hyrjes jan谷 n谷 sinfaz谷 (p.sh. kur v1 = v2 = 50袖) sinjali i daljes mungon. Duke u bazuar n谷 k谷t谷 p谷rfundim, kuptoh谷t q谷 amplifikatori diferencial 谷sht谷 shum谷 i r谷nd谷sish谷m n谷 amplifikimin e sinjaleve t谷 vegj谷l t谷 kontaminuar nga zhurma t谷 natyrave t谷 ndryshme, sepse zhurmat duke patur t谷 nj谷jtin nivel, n谷 t谷 dy hyrjet e k谷tij amplifikatori nuk shfaqen n谷 dalje. Si shembuj mund t谷 p谷rmendim transmetimin e sinjaleve digital, -e sinjaleve t谷 z谷rit (audio) t谷 balancuar, e sinjaleve t谷 radiofrekuenc谷s, e sinjaleve t谷 elektrokardiogramave, etj., n谷p谷rmjet kablove (zakonisht 巽ift i p谷rdredhur fijesh) p谷rkat谷s.
1/15/2016 17 Por, n谷 praktik谷, amplifikatori diferencial nuk mund t谷 p谷rshkruhet vet谷m nga ekuacioni (1-4), sepse n谷 p谷rgjith谷si dalja nuk varet vet谷m nga diferenca e sinjaleve vd = v1 - v2, por edhe nga vlera mesatare e sinjaleve Vc= 遜 (v1 v2) i cili quhet sinjal i m谷nyr谷s s谷 p谷rbashk谷t (common mode signal). K谷shtu p.sh., dalja nuk 谷sht谷 e njejt谷 si p谷r rastin kur v1 = 50袖V dhe v2 = - 50袖V, ashtu dhe p谷r rastin kur v1 = 1050袖V dhe v2 = 950袖V, megjith谷se diferenca e sinjaleve vd = v1 - v2 = 100袖V 谷sht谷 e njejt谷 p谷r t谷 dy rastet. Pse ?. Sepse amplifikimi i m谷nyr谷s s谷 p谷rbashk谷t t谷 pun谷s Ac nuk 谷sht谷 zero, si巽 d谷shirohet, por ka nj谷far谷 vlere. Sa m谷 e vog谷l te jet谷 Ac aq m谷 shum谷 i afrohemi rastit ideal Ac = 0. Prandaj, p谷r t谷 vler谷suar kualitetin e amplifikatorit diferencial, futet nj谷 paramet谷r, i ashtuquajturi raport i shtypes s谷 m谷nyr谷s s谷 p谷rbashk谷t (common mode rejection ratio), i cili sh谷nohet me CMRR dhe p谷rkufizohet si modul i raportit. Ad/Ac : Sa m谷 e vog谷l vlera e Ac, aq m谷 e e madhe 谷sht谷 shtypja e sinjalit t谷 p谷rbashk谷t, aq m谷 kualitativ 谷sht谷 amplifikatori diferencial. Per Ac = 0, parametri CMRR = dhe amplifikatori diferencial 谷sht谷 nj谷 amplifikator ideal.
1/15/2016 18 Tani, le ti kushtojm谷 v谷mendje principit t谷 pun谷s s谷 amplifikatorit diferencial, skema e t谷 cilit 谷sht谷 dh谷n谷 m谷 sip谷r (fig. 1-7) dhe llogaritjes s谷 Ad dhe Ac . Supozojm谷 se n谷 baz谷n e transistorit Q1 aplikohet nj谷 sinjal me vler谷 efektive V1=50袖V, n谷 baz谷n e Q2 -nj谷 sinjal V2 = -50袖V, at谷here sinjali diferenc谷 eshte Vd = V1-V2 = 100袖V. P谷r shkak t谷 simetris谷 s谷 skem谷s Ie1 = - Ie2, I0=0 dhe si pasoje potenciali i pik谷s E nuk ndryshon. D.m.th. p谷r sinjalin: Ve=0 Prandaj secili transistor vepron si transistor me emitter t谷 tok谷zuar. Rezistenca Re rezulton e shuntuar dhe nuk influencon (nuk ka efekt) mbi amplifikimin Ad. Me k谷t谷 m谷nyr谷 shuntimi, n谷 dallim nga shuntimi i Re me kondesator, amplifikimi 谷sht谷 i nj谷jt谷 n谷 t谷 gjith谷 spektrin e frekuencave t谷 posht谷me, deri n谷 frekuenc谷n zero. Kjo veti shfryt谷zohet n谷 qarqet e integruar, sepse kondesator谷t e m谷dhej integrohen me v谷shtir谷si, sidomos me teknologjin谷 monolitike. VCC Rc Vd/2 Vo Q2 Fig.1-8 K谷shtu, duke i u referuar stadit me emiter tw p谷rbashk谷t (fig.1-8) p谷r tw cilin, si巽 dihet, amplifikimi llogaritet me ekuacionin:
1/15/2016 19 p谷r vlerwsimin e amplifikimit Ad t谷 nj谷 stadi diferencial me dalje diferenciale p谷rdoret e nj谷jta formul谷. P谷r rastin me nj谷 terminal n谷 dalje, Ad ka vler谷 t谷 p谷rgjysmuar, prandaj vlen谷 ekuacioni i m谷poshtwm: , dhe VT = KT/q T/11600 VT 谷sht谷 volt-ekuivalenti i temperatures K Konstantja e Boltsmann-it [J/oK], T temperatura [oK] dhe q = 1.60揃10-19 [C] 谷sht谷 ngarkesa e elektronit. N谷 temperatur谷n e dhom谷s T = 300 oK VT 0.025 V = 25mV.
1/15/2016 20 P谷r P谷r t谷 vler谷suar amplifikimin e m谷nyr谷s s谷 p谷rbashk谷t Ad duhet qw: V1 = V2 = V. N谷qoft谷se, n谷 fig.1-7, Re z谷vend谷sohet me dy rezistenca n谷 parallel me vler谷 2Re nj谷ra e lidhur n谷 an谷 t谷 majt谷 t谷 pik谷s nyje E dhe tjetra e lidhur n谷 an谷 t谷 djatht谷, at谷here n谷 skem谷n e fig.1-7 nuk ndryshon asgj谷, por ajo 谷sht谷 simetrike ndaj nj谷 linje imagjinare, q谷 kalon p谷rmes +Vcc, E dhe VEE . Duke e ndar谷 skem谷n n谷 dy pjes谷, at谷here Ac mund t谷 llogaritet nga skema e fig.1-9, e cila p谷rfaq谷son pjes谷n e majt谷 t谷 fig.1-7. Fig.1-9 Duke p谷rdorur modelin e p谷raf谷rt me parametra-h, vlera e Ac llogaritet nga formula e m谷posht谷me: Shihet se CMMR = Ad/Ac rritet pambarim, kur Re . Vem谷 n谷 dukje, q谷 ka kufizime praktike n谷 vler谷n e Re, p谷r shkak t谷 r谷n谷jes s谷 tensionit n谷 t谷 p谷r rrym谷n e vazhduar. Kjo do t谷 thot谷, q谷 me rritjen e vler谷s s谷 Re, p谷r t谷 pasur t谷 nj谷jt谷n rrym谷 qet谷sie I0, duhet t谷 rritet edhe vlera e VEE.
1/15/2016 21 P谷r t谷 dal谷 nga kjo situat谷, rezistenca Re z谷vend谷sohet nga nj谷 gjenerator rryme (Fig.1-3a). K谷shtu, n谷 teknologjin谷 monolitike, skema e integruar e nje amplifikatori diferencial ka pamjen e fig.1-10. Vo1 Vee Rc2Rc1 V2 Vcc Q4 Rc3 V1 VCC Q1 Vo2 Q3 Q2 Fig.1-10. N谷 teknologjin谷 monolitike 谷sht谷 leht谷 t谷 realizohen tranzistor谷 identik. Keshtu duke pranuar se Q1 谷sht谷 identik me Q2, mund t谷 demonstrojm谷 leht谷sisht, q谷 n谷 skem谷n e fig.1-10 amplifikimi per m谷nyr谷n e p谷rbashk谷t Ac = 0 dhe, si pasojw CMRR Disa p谷rfundime praktike Amplifikatori diferencial p谷rdoret shpesh n谷 aplikimet e rrym谷s s谷 vazhduar. Duke p谷rdorur teknologjin谷 monolitike), mund t谷 ndertohen amplifikator谷 diferencial谷, n谷 t谷 cil谷t tranzistor谷t Q1 dhe Q2 jan谷 pothuaj identik谷 (巽ift i p谷rshtatur)
1/15/2016 22 Kur tensioni merret nga vet谷m nj谷 dalje, p.sh Vo = Vo2, at谷here stabiliteti i tensionit t谷 daljes varet n谷 nj谷 far谷 mase nga shkalla e p谷rshtatjes s谷 Q1 dhe Q2, por edhe nga stabiliteit i rrym谷s I0 t谷 gjeneruar nga Q3. K谷shtu, p谷r amplifikator谷t e rrym谷s s谷 vazhduar, me nj谷 dalje t谷 vetme (t谷 till谷 si amplifikator谷t operacional) stabiliteti i skem谷s s谷 polarizimit t谷 Q3 谷sht谷 mjaft kritik. P谷r t谷 fituar nj谷 amplifikim t谷 madh, amplifikator谷t diferencial谷 mund t谷 lidhen n谷 kaskad谷. N谷 k谷t谷 rast, daljet Vo1 dhe Vo2 t谷 fig.1-10 lidhen direkt n谷 bazat e tranzistor谷ve respektiv谷 t谷 stadit diferencial pasardh谷s. 1..3.3 Karakteristika kalimtare e amplifikatorit diferencial P谷r t谷 kuptuar p谷rpar谷sit谷 dhe kufizimet e amplifikator谷ve diferencial谷, do ti referohemi karakteristik谷s kalimtare: IC = f(V1 V2). P谷r k谷t谷, le t谷 b谷jm谷 s谷 pari nj谷 vler谷sim kualitativ t谷 skem谷s s谷 fig.1-10. Kur vlera e V1 ndodhet posht谷 pik谷s cutoff ( cutoff = mbyllje) t谷 Q1, e gjith谷 rryma I0 kalon p谷rmes Q2 (pranojm谷 p谷r k谷t谷 diskutim, q谷 V2 谷sht谷 constant). Kur V1 fillon e rritet mbi vler谷n cutoff, rryma n谷 Q1 rritet, -n谷 Q2 zvoglohet, nd谷rsa shuma e tyre mbetet konstant dhe e barabart谷 me I0. I gjith谷 diapazoni i ndryshimit t谷 tensionit t谷 daljes Vo 谷sht谷 i barabart谷 me RcI0 dhe mund t谷 kontrollohet duke ndryshuar vler谷n e I0. Nga fig.1.10 nxjerrim: dhe
1/15/2016 23 Por, si巽 dihet, rryma emiteriale IE e 巽do tranzistori 谷sht谷 e lidhur me tensionin VBE n谷p谷rmjet karakteristik谷s volt-ampere t谷 diod谷s, t谷 form谷s: Si rrjedhoj谷: dhe Por prandaj: Duke zwvendwsuar
1/15/2016 24 K谷shtu q谷: (*) N谷qoft谷se Q1 dhe Q2 p谷rfaq谷sojn谷 nj谷 巽ift t谷 p谷rshtatur, at谷here edhe IC2 merret nga ekuacioni (*), duke nd谷rruar vendet e V1 dhe V2. Ekuacioni (*) p谷rfaq谷son karakteristik谷n e transmetimit (ose kalimtare) t谷 amplifikatorit diferencial dhe paraqitet n谷 fig.1-11. Ndryshimet e temperatur谷s ndaj parametrave t谷 tyre, p谷r shkak edhe t谷 af谷rsis谷, kan谷 t谷 nj谷jt谷n influenc谷. Si pasoj谷, p谷r dalje diferenciale, efekti i temperatur谷s ndaj tensionit t谷 daljes 谷sht谷 i neglizhuesh谷m (pothuaj zero). Fig.1-11
1/15/2016 25 Duke derivuar ekuacionin (*) kundrejt (V1V2), mund t谷 nxjerrim ekuacionin e transp谷rcjellshm谷ris谷 gmd t谷 amlifikatorit diferencial: p谷r V1 = V2 Ekuacioni (1-18) tregon, q谷 p谷r t谷 njejt谷n vler谷 I0, vlera e transp谷rcjellshmerise se amplifikatorit diferencial 谷sht谷 sa nj谷 e kat谷rta e vler谷s s谷 transp谷rcjellsh谷ris谷 s谷 nj谷 stadi amplifikues me nj谷 tranzistor t谷 vet谷m. 1. Amplifikatori diferencial 谷sht谷 nj谷 kufizues i mir谷, sepse kur tensioni i hyrjes diferenciale (V1-V2) e kalon vler谷n 賊4VT (100mV) (n谷 temperatur谷n e dhom谷s), tensioni i daljes pothuaj nuk ndryshon. P谷rfundime: 2. Pjerr谷sia e k谷saj kurbe p谷rcakton transp谷rcjellshm谷rin谷 gmd e cila fillon nga vlera zero, arrin谷 n谷 nj谷 vler谷 maksimale I0/4VT p谷r Ic1=Ic2 = I0/2 dhe b谷het p谷rs谷ri zero.
1/15/2016 26 3. Vlera e gmd 谷sht谷 proporcional me I0. Prandaj, meqen谷se ndryshimi i tensionit t谷 daljes Vo2 谷sht谷: at谷here, amplifikimi diferencial Ad mund t谷 ndryshohet duke ndryshuar vler谷n e rrym谷s I0. Kjo do t谷 thot谷 q谷 amplifikatori diferencial mund t谷 p谷rdoret edhe p谷r kontrollin automatik t谷 amplifikimit. Karakteristika kalimtare 谷sht谷 lineare vet谷m n谷 nj谷 zon谷 t谷 ngusht谷 rreth pik谷s s谷 pun谷s, ku ndryshimi maksimal i tensionit diferencial t谷 hyrjes 谷sht谷 賊VT (25mV) n谷 temperatur谷n e dhom谷s). V谷rtetohet se me shtimin e dy rezistencave Re n谷 seri me terminalet emiteriale t谷 dy tranzistor谷ve Q1 dhe Q2 t谷 skem谷s s谷 fig.1-11, zona lineare mund t谷 zgjerohet, sepse kjo lidhje e kund谷rt negative sipas rrym谷s dhe n谷 seri, n谷 secilin tranzistor, redukton pjerr谷sin谷 e karakteristik谷s kalimtare, pra -vler谷n e gmd . Vlera t谷 arsyeshme t谷 rezistencave jan谷 50-100 , sepse p谷r vlera m谷 t谷 m谷dha t谷 tyre, amplifikimi diferencial Ad zvog谷lohet shum谷. Shtimi i rezistencave Re rrit gjithashtu rezistenc谷n e hyrjes.

More Related Content

Mikroelektronika 1

  • 1. Mikroelektronika Kapitulli 1 Qarqet e integruara lineare 1/15/2016 1
  • 2. Dy kategori t谷 m谷dha qarqesh elektronike analog dhe digital Analog Celesa (ON), (OFF) Qarqet analog njihen me emrin qarqe t谷 integruar linear digital 1.2 Fabrikimi i qarqeve t谷 integruara Metodat e fabrikimit t谷 qarq eve t谷 integruar ndahen n谷 dy kategori t谷 p谷rgjith谷shme Metoda hibride Metoda monolitike Fjala monolitike rrjedh nga dy fjal谷 greke: monos, q谷 do t谷 thot谷 i vet谷m dhe lithos, q谷 do te thot谷 gur Qarqet e integruar hibrid t谷 shtresave t谷 trasha (thick film) t谷 shtresave t谷 holla (thin film) QI hybrid multichip 1/15/2016 2
  • 3. QI monolitik realizohen n谷p谷rmjet nj谷 sekuence hapash. I gjith谷 qarku, duke p谷rfshir谷 t谷 gjith谷 element谷t aktiv谷 dhe pasiv谷 formohen n谷 nj谷 cop谷z materiali siliciumi kristalin. Qarqet e integruar monolitik p谷rfaq谷sojn谷 shembullin ekstrem t谷 dallimeve n谷 struktur谷, midis QI monolitik dhe qarqeve me komponente diskret. Fig.1.1a paraqet nj谷 qark q谷 p谷rmban kat谷r komponentet m谷 shum谷 t谷 p谷rdor谷sh谷m n谷 qarqet e integruar, pik谷risht nj谷 kapacitet, nj谷 rezistenc谷, nj谷 diod谷 dhe nj谷 transistor npn. Do t谷 p谷rdorim k谷t谷 qark p谷r t谷 ilustruar principet baz谷 t谷 fabrikimit t谷 QI monolitik. Fig.1.1b paraqet kat谷r materialet baz谷 p谷r q谷 nevojiten p谷r t谷 realizuar k谷t谷 qark. N谷 procesin e fabrikimit nevojiten edhe shum谷 materiale t谷 tjer谷. Ato p谷rfshijn谷 dopant, p谷r t谷 ndryshuar siliciumin elektrikisht neutral n谷 material t谷 tipit p ose n, nj谷 oksidues p谷r t谷 prodhuar dioksidin e silicit, etchants (etch = gdhend , bej gravure) per t谷 hequr shtresa t谷 ndryshme dhe material i ndjesh谷m ndaj drit谷s. N谷 fig.1.1c jepen p谷rmasat e shtresave t谷 ndryshme, p谷r t谷 kuptuar, q谷 seksionet t谷rthore t谷 tyre, nuk i p谷rgjigjen shkall谷s s谷 paraqitjes, sepse ndryshe nuk do ishte e mundur t谷 paraqiteshin shtresat tep谷r t谷 holla t谷 dioxidit dhe t谷 difuzionit. S谷 pari le ti kushtojm谷 v谷mendje hapave t谷 fabrikimit t谷 nj谷 transistori npn. M谷 tej duke shfryt谷zuar struktur谷n e arritur do t谷 shohim se si realizohet dioda, rezistenca dhe kondesatori. 1/15/2016 3
  • 5. Fig.1-1 Fabrikimi i QI monolitik 1/15/2016 5
  • 6. 1/15/2016 6 1.3 Analiza e disa qarqeve n谷 p谷rb谷rje t谷 QI linear. P谷rve巽 disa konsideratave t谷 p谷rgjith谷shme, n谷 k谷t谷 paragraf do t谷 jepen teknikat e polarizimit t谷 QI linear dhe do t谷 analizohet stadi amplifikues diferencial, q谷 p谷rb谷n stadin e hyrjes t谷 巽do amplifikatori operacional (i cili do t谷 studjohet me holl谷si n谷 kapitullin 2), por edhe stade t谷 tjer谷. Konsiderata t谷 p谷rgjith谷shme Projektimi i nj谷 sistemi elektronik me QI 谷sht谷 shum谷 m谷 i thjesht谷, n谷 krahasim me projektimin e detajuar dhe t谷 lodh谷sh谷m t谷 sistemeve t谷 realizuar me element谷 diskret谷, sepse vet谷 qarku i integruar 谷sht谷 n谷 vet谷vete nj谷 n谷nsistem apo sistem. N谷 rastin ideal mjafton q谷 projektuesi t谷 b谷j lidhjen e p谷rshtat谷shme t谷 qarqeve p谷rkat谷s p谷r t谷 nd谷rtuar sistemin elektronik t谷 d谷shiruar. Nd谷rkaq, n谷 praktik谷, nevojitet njohja me principet e pun谷s s谷 QI, p谷r t谷 shfryt谷zuar kapacitetin e tyre dhe p谷r t谷 shmangur grackat e pun谷s projektuese. Kjo 谷sht谷 arsyeja, p谷rse prodhuesit e QI i shoq谷rojn谷 ato me skemat e tyre elektronike dhe me t谷 dh谷nat teknike.
  • 7. 1/15/2016 7 Dallimi kryesor q谷ndron n谷 faktin q谷 QI monolitik ka nj谷 num谷r m谷 t谷 kufizuar tipesh p谷rsa i p谷rket komponenteve p谷rb谷r谷se, n谷 krahasim me tipet e komponenteve t谷 p谷rdorur n谷 qarqet me element谷 diskret谷. Bobinat, transformator谷t si dhe rezistencat dhe kondesator谷t me vler谷 shum谷 t谷 lart谷 nuk mund ose nuk 谷sht谷 praktike t谷 integrohen Ve巽 k谷saj, komponentet e integruar n谷 qark kan谷 toleranca m谷 t谷 k谷qija se ato t谷 komponenteve diskrete, p谷r shkak t谷 kompleksitetit dhe hapave t谷 shumt谷 procedurial谷, t谷 k谷rkuar p谷r fabrikimin e tyre. Pro巽eset e difuzimit t谷 p谷rdorur gjat谷 fabrikimit t谷 QI monilitik jan谷 t谷 ndjeshm ndaj ndryshimeve t谷 vogla (prej disa grad谷sh) t谷 temperatur谷s, si pasoj谷 gabimet n谷 vlerat absolute t谷 komponenteve jan谷 t谷 pashmang谷shme. Influenca t谷 tjera negative jan谷 heqja jo uniforme e shtres谷s s谷 ndjeshme ndaj drit谷s, variacionet n谷 vetit谷 e materialeve t谷 p谷rdorur, etj. Por p谷r fat t谷 mir谷, megjith谷se vlera absolute e komponenteve te QI monolitik nuk mund t谷 kontrollohet sakt谷sisht, nga nj谷 chip n谷 tjetrin, madje edhe br谷nda chip-it, komponentet e nj谷jt谷 t谷 nj谷 chip-i, duke q谷n谷 af谷r nj谷ri tjetrit kan谷 jo vet谷m vlera t谷 nj谷jta por edhe koeficient t谷 nj谷ejt谷 temperature. Kjo aft谷si, p谷r t谷 fabrikuar 巽ifte t谷 harmonizuar komponentesh, ve巽an谷risht rezistenca dhe transistor谷, shfryt谷zohet shpesh p谷r t谷 kap谷rcyer pamund谷sin谷 e fabrikimit t谷 komponenteve me vlera brenda toleranc谷s.
  • 8. 1/15/2016 8 Nj谷 v谷shtrim mbi qarqet e integruar monolitik zbulon menj谷her谷 dallimin kryesor t谷 tyre nga qarqet diskret谷 Qarqet e realizuar me element diskret谷 kane m谷 shum谷 komponente pasive se sa komponente aktive, sepse k谷to t谷 fundit jan谷 m谷 t谷 shtrenjta dhe me besueshm谷ri m谷 t谷 ul谷t se komponentet pasive QI monolitik ka ligj谷si t谷 tjera, q谷 lidhen kryesisht me p谷rmasat e m谷dha t谷 rezistencave dhe kondesator谷ve t谷 integruar n谷 raport me ato t谷 diodave dhe transistor谷ve, Duke preferuar komponentet aktive ndaj atyre pasive, qarku rezulton me p谷rmasa fizike m谷 t谷 vogla dhe p谷r pasoj谷, wafer-i -me nj谷 num谷r m谷 t谷 madh QI. P谷rfitimi ekonomik 谷sht谷 evident.
  • 9. 1/15/2016 9 1.3.1 Teknikat e polarizimit t谷 qarqeve t谷 integruar linear (Pasqyrat e rrym谷s) Fig.1-2 paraqet skem谷n e nj谷 gjeneratori rryme realizuar me element谷 diskret. Fig.1-2 Pa b谷r谷 analiz谷n e skem谷s, e cila p谷rfaqeson n谷 vet谷vete nj谷 stad me vet谷polarizim, do t谷 sqarojm谷, m谷nyr谷n e stabilizimit t谷 rrym谷s kolektoriale IC, p谷r t谷 qen谷 e pavarur nga ndryshimet e temperatur谷s. Stabilizimi i rrym谷s I arrihet n谷p谷rmjet rezistenc谷s R1 dhe diod谷s D. Tensioni n谷 diod谷 dhe tensioni baz谷-emiter Vbe, si dhe ndryshimet e tyre me temperatur谷n, zbriten reciprokisht, duke siguruar nj谷 tension pothuaj konstant n谷 rezistenc谷n Re dhe si pasoj谷 nj谷 rrym谷 emiteriale konstante. K谷shtu, rryma kolektoriale IC mbahet konstant dhe 谷sht谷 e pavarur nga ndryshimet e temperatur谷s. P谷r shkak se rryma IC = konstant, stadi amplifikues me vet谷polarizim (ose me polarizim emiterial) njihet edhe me emrin gjenerator rryme.
  • 10. 1/15/2016 10 Skema e fig.1-2 nuk 谷sht谷 e p谷rshtat谷shme p谷r fabrikimin e gjeneratorit t谷 rrym谷s n谷 QI monolitik, p谷r shkak t谷 vlerave t谷 m谷dha t谷 rezistencave dhe kondesatorit Ce. N谷 QI monolitik p谷rdoret skema e fig.1-3a. Fig.1-3 T谷 dy transistor谷t fabrikohen ngjitur me nj谷ri tjetrin, prandaj parametrat e tyre jan谷 shum谷 t谷 p谷raf谷rt. Duke patur parasysh谷 se bazat e tyre kan谷 t谷 nj谷jtin potencial kuptohet Ic do t jene te njejta (IC1 = IC2 = IC) dhe t谷 pavarura nga temperatura, si me posht谷 : I = IC1 + IB1 + IB2 = IC + 2IB IC = I - 2IB . Por:
  • 11. 1/15/2016 11 IC = 硫IB, ku 硫 谷sht谷 amplifikimi p谷r sinjale t谷 m谷dhej, si rrjedhoje Pra rryma IC eshte konstante dhe e pavarur nga temperatura. Nga ana tjet谷r: K谷shtu, n谷qoft谷se 硫 >> 2 dhe VBE << VCC Skema e fig.1-3b p谷rfaq谷son skem谷n ekuivalente t谷 gjeneratorit t谷 rrym谷s t谷 paraqitur n谷 fig.1-3a, sepse transistori Q1, i lidhur si diod谷, 谷sht谷 z谷vend谷suar nga dioda D. Rryma I (e barabart谷 me rrym谷n e diod谷s, n谷 se rryma e baz谷s s谷 transistorit Q neglizhohet) 谷sht谷 e barabart谷 me rrym谷n IC t谷 kolektorit t谷 transistorit Q, pra pasqyron ose p谷rs谷rit k谷t谷 rrym谷. Prandaj, ky konfiguracion thirret shpesh pasqyr谷 rryme (current-mirror) ose p谷rs谷rit谷s rryme (current-repeater). Fig.1-3c 谷sht谷 nj谷 version tjet谷r i nj谷 pasqyre rryme, q谷 p谷rdor nj谷 MOSFET t谷 pasuruar me kanal t谷 tipit n.
  • 12. 1/15/2016 12 N谷qoft谷se k谷rkoh谷t polarizimi i n transistor谷ve me t谷 nj谷jt谷n rrym谷, at谷here p谷rdoret fig.1.4a. Fig.1-4 P谷r transistor谷 identik vlen谷 barazimi: IC1 = IC2 = IC3 = 揃揃揃揃 ICn = IC Duke z谷v谷ndesuar IC = 硫IB dhe duke perdor谷 ligjin e par谷 t谷 Kirkofit, nxjerrim: P谷r 硫>>n+1 IC I. Duke vrojtuar fig.1-4a, vem谷 re, q谷 bazat e t谷 gjith谷 transistor谷ve jan谷 lidhur s谷 bashku, nd谷rsa emiterat e tyre jan谷 t谷 tok谷zuar. Nj谷 m谷nyr谷 e till谷 lidhje lejon, gjat谷 pro巽esit t谷 fabrikimit, z谷vend谷simin e n transistor谷ve me nj谷 transistor t谷 vet谷m multikolektorial (n-kolektorial) si n谷 fig.1-4b.
  • 13. 1/15/2016 13 Seksioni t谷rthor i nj谷 transistori multikolektorial tregohet n谷 fig.1-5. Fig.1-5 N谷 rast se sip谷rfaqet e zonave kolektoriale nuk jan谷 t谷 barabarta, at谷here rrymat kolektoriale nuk do t谷 jen谷 t谷 njejta, por do t谷 jen谷 proporcional me raportin e siperfaqes se kolektorit n谷 shqyrtim ndaj sip谷rfaqes s谷 transistorit t谷 lidhur si diod谷. N谷 rastin kur amplifikimi i rrym谷s 硫 i transistor谷ve n谷 p谷rs谷rit谷sit e rrym谷s (fig.1-3 dhe fig.1-4) 谷sht谷 i vog谷l (si n谷 rastin e fabrikimit t谷 transistor谷ve p-n-p lateral (an谷sor), at谷here nuk vlen谷 supozimi IC=I, sepse gabimi 谷sht谷 i konsideruesh谷m. Gabimi reduktohet mjaft duke shtuar nj谷 p谷rs谷rit谷s emiterial, p谷r ushqimin e rrymave t谷 baz谷s, si n谷 fig.1-6. Fig.1-6
  • 14. 1/15/2016 14 Duke aplikuar ligjin e par谷 t谷 Kirkofit n谷 pik谷n nyje t谷 baz谷s s谷 Q3, nxjerrim: Formula tregon se raporti I2/I1 varet nga 硫 shum谷 m谷 pak se n谷 rastin e skem谷s t谷 fig.1-3. N谷 fakt p谷r t谷 gjitha vlerat e amplifikimit 硫 5, I2 谷sht谷 m谷 e vog谷l se rryma I1 me m谷 pak se 6%. Le t谷 supozojm谷, q谷 n谷 qarkun e fig.1-6a shtohen dy rezistencat emiteriale R1 dhe R2, si n谷 fig.1-6b. Mund t谷 v谷rtetohet leht谷sisht se raporti i rrymave kolektoriale I1 dhe I2 谷sht谷 i barabart谷 me inversin e raportit t谷 rezistencave: I2/I1 R1/R2. K谷shtu, duke zgjedhur vlerat e p谷rshtat谷shme t谷 rezistencave R1 dhe R2 arrihen leht谷sisht t谷 merren vlera t谷 larta t谷 raporit I2/I1, (p.sh. 10). Skema e fig.1-3a nuk 谷sht谷 praktike, p谷r nj谷 gj谷 t谷 till谷, sepse sip谷rfaqja e kolektorit Q2 duhet t谷 b谷het shum谷 m谷 e madhe (p.sh. 10 her谷) se sip谷rfaqja e kolektorit t谷 Q1. P谷r t谷 gjeneruar nj谷 rrym谷 shum谷 t谷 vog谷l kolektoriale, t谷 themi 10 袖A, do t谷 k谷kohej fabrikimi i nj谷 rezistence t谷 lart谷 difuzioni. P谷r t谷 dal谷 nga kjo v谷shtir谷si, zgjidhet nj谷 vler谷 e lart谷 e rrym谷s I1 (n谷 mA) dhe lidhet nj谷 rezistenc谷 diskrete R2 (me vler谷n e k谷rkuar t谷 lart谷) n谷 emiterin e Q2. I nj谷jti rezultat arrihet edhe duke e hequr rezistenc谷n R1 nga emiteri i Q1 t谷 fig.1-6b. P谷r R1 = 0, vlera e rezistenc谷s R2 p谷rcaktohet nga ekuacioni:
  • 15. 1/15/2016 15 1.2 Amplifikatori diferencial Funksioni i amplifikatorit diferencial 谷sht谷 t谷 amplifikoj谷 diferenc谷n midis dy sinjaleve. Ai p谷rdoret n谷 shum谷 matje fizike, kudo kur k谷rkohet amplifikim uniform gjat谷 gjithe spektrit t谷 frekuencave, nga zero (rrym谷 e vazhduar) n谷 disa MHz. sht谷 gjithashtu stadi baz谷 i nj谷 amplifikatori operacional, Skema e nj谷 amplifikatori diferencial tregohet n谷 fig.1-7. Ai p谷rb谷het nga nj谷 巽ift transistor谷sh me parametra t谷 njejt谷, q谷 kan谷 nj谷 rezistenc谷 t谷 p谷rbashk谷t emiteriale. P谷r shkak t谷 simetris谷, skema ka drejf (drift) t谷 vog谷l ndaj ndryshimeve t谷 temperatur谷s ose ndaj ndryshimeve t谷 parametrave t谷 transistor谷ve me rrjedh谷n e koh谷s. Fig.1-7
  • 16. 1/15/2016 16 N谷 rastin ideal, dalja duhet t谷 jet谷 plot谷sisht e pavarur nga nivelet e sinjaleve individual谷, ajo duhet t谷 varet vet谷m nga diferenca midis tyre, sipas ekuacionit: Ku vo eshte vlera e castit te tensionit te sinjalit ne dalje, v1 dhe v2 vlerat e 巽astit t谷 tensionit n谷 hyrjet 1 dhe 2 p谷rkat谷sisht dhe Ad 谷sht谷 amplifikimi i amplifikatorit diferencial. Nga ky ekuacion rrjedh, q谷 ne menyren normale te punes, sinjal n谷 dalje merret vet谷m n谷 rastet kur sinjalet e hyrjes jan谷 n谷 kund谷rfaze, kur p.sh. v1 = 50袖V dhe v2 = - 50袖V. N谷 m谷nyr谷n e p谷rbashk谷t (common mode) t谷 pun谷s, d.m.th. kur sinjalet e hyrjes jan谷 n谷 sinfaz谷 (p.sh. kur v1 = v2 = 50袖) sinjali i daljes mungon. Duke u bazuar n谷 k谷t谷 p谷rfundim, kuptoh谷t q谷 amplifikatori diferencial 谷sht谷 shum谷 i r谷nd谷sish谷m n谷 amplifikimin e sinjaleve t谷 vegj谷l t谷 kontaminuar nga zhurma t谷 natyrave t谷 ndryshme, sepse zhurmat duke patur t谷 nj谷jtin nivel, n谷 t谷 dy hyrjet e k谷tij amplifikatori nuk shfaqen n谷 dalje. Si shembuj mund t谷 p谷rmendim transmetimin e sinjaleve digital, -e sinjaleve t谷 z谷rit (audio) t谷 balancuar, e sinjaleve t谷 radiofrekuenc谷s, e sinjaleve t谷 elektrokardiogramave, etj., n谷p谷rmjet kablove (zakonisht 巽ift i p谷rdredhur fijesh) p谷rkat谷s.
  • 17. 1/15/2016 17 Por, n谷 praktik谷, amplifikatori diferencial nuk mund t谷 p谷rshkruhet vet谷m nga ekuacioni (1-4), sepse n谷 p谷rgjith谷si dalja nuk varet vet谷m nga diferenca e sinjaleve vd = v1 - v2, por edhe nga vlera mesatare e sinjaleve Vc= 遜 (v1 v2) i cili quhet sinjal i m谷nyr谷s s谷 p谷rbashk谷t (common mode signal). K谷shtu p.sh., dalja nuk 谷sht谷 e njejt谷 si p谷r rastin kur v1 = 50袖V dhe v2 = - 50袖V, ashtu dhe p谷r rastin kur v1 = 1050袖V dhe v2 = 950袖V, megjith谷se diferenca e sinjaleve vd = v1 - v2 = 100袖V 谷sht谷 e njejt谷 p谷r t谷 dy rastet. Pse ?. Sepse amplifikimi i m谷nyr谷s s谷 p谷rbashk谷t t谷 pun谷s Ac nuk 谷sht谷 zero, si巽 d谷shirohet, por ka nj谷far谷 vlere. Sa m谷 e vog谷l te jet谷 Ac aq m谷 shum谷 i afrohemi rastit ideal Ac = 0. Prandaj, p谷r t谷 vler谷suar kualitetin e amplifikatorit diferencial, futet nj谷 paramet谷r, i ashtuquajturi raport i shtypes s谷 m谷nyr谷s s谷 p谷rbashk谷t (common mode rejection ratio), i cili sh谷nohet me CMRR dhe p谷rkufizohet si modul i raportit. Ad/Ac : Sa m谷 e vog谷l vlera e Ac, aq m谷 e e madhe 谷sht谷 shtypja e sinjalit t谷 p谷rbashk谷t, aq m谷 kualitativ 谷sht谷 amplifikatori diferencial. Per Ac = 0, parametri CMRR = dhe amplifikatori diferencial 谷sht谷 nj谷 amplifikator ideal.
  • 18. 1/15/2016 18 Tani, le ti kushtojm谷 v谷mendje principit t谷 pun谷s s谷 amplifikatorit diferencial, skema e t谷 cilit 谷sht谷 dh谷n谷 m谷 sip谷r (fig. 1-7) dhe llogaritjes s谷 Ad dhe Ac . Supozojm谷 se n谷 baz谷n e transistorit Q1 aplikohet nj谷 sinjal me vler谷 efektive V1=50袖V, n谷 baz谷n e Q2 -nj谷 sinjal V2 = -50袖V, at谷here sinjali diferenc谷 eshte Vd = V1-V2 = 100袖V. P谷r shkak t谷 simetris谷 s谷 skem谷s Ie1 = - Ie2, I0=0 dhe si pasoje potenciali i pik谷s E nuk ndryshon. D.m.th. p谷r sinjalin: Ve=0 Prandaj secili transistor vepron si transistor me emitter t谷 tok谷zuar. Rezistenca Re rezulton e shuntuar dhe nuk influencon (nuk ka efekt) mbi amplifikimin Ad. Me k谷t谷 m谷nyr谷 shuntimi, n谷 dallim nga shuntimi i Re me kondesator, amplifikimi 谷sht谷 i nj谷jt谷 n谷 t谷 gjith谷 spektrin e frekuencave t谷 posht谷me, deri n谷 frekuenc谷n zero. Kjo veti shfryt谷zohet n谷 qarqet e integruar, sepse kondesator谷t e m谷dhej integrohen me v谷shtir谷si, sidomos me teknologjin谷 monolitike. VCC Rc Vd/2 Vo Q2 Fig.1-8 K谷shtu, duke i u referuar stadit me emiter tw p谷rbashk谷t (fig.1-8) p谷r tw cilin, si巽 dihet, amplifikimi llogaritet me ekuacionin:
  • 19. 1/15/2016 19 p谷r vlerwsimin e amplifikimit Ad t谷 nj谷 stadi diferencial me dalje diferenciale p谷rdoret e nj谷jta formul谷. P谷r rastin me nj谷 terminal n谷 dalje, Ad ka vler谷 t谷 p谷rgjysmuar, prandaj vlen谷 ekuacioni i m谷poshtwm: , dhe VT = KT/q T/11600 VT 谷sht谷 volt-ekuivalenti i temperatures K Konstantja e Boltsmann-it [J/oK], T temperatura [oK] dhe q = 1.60揃10-19 [C] 谷sht谷 ngarkesa e elektronit. N谷 temperatur谷n e dhom谷s T = 300 oK VT 0.025 V = 25mV.
  • 20. 1/15/2016 20 P谷r P谷r t谷 vler谷suar amplifikimin e m谷nyr谷s s谷 p谷rbashk谷t Ad duhet qw: V1 = V2 = V. N谷qoft谷se, n谷 fig.1-7, Re z谷vend谷sohet me dy rezistenca n谷 parallel me vler谷 2Re nj谷ra e lidhur n谷 an谷 t谷 majt谷 t谷 pik谷s nyje E dhe tjetra e lidhur n谷 an谷 t谷 djatht谷, at谷here n谷 skem谷n e fig.1-7 nuk ndryshon asgj谷, por ajo 谷sht谷 simetrike ndaj nj谷 linje imagjinare, q谷 kalon p谷rmes +Vcc, E dhe VEE . Duke e ndar谷 skem谷n n谷 dy pjes谷, at谷here Ac mund t谷 llogaritet nga skema e fig.1-9, e cila p谷rfaq谷son pjes谷n e majt谷 t谷 fig.1-7. Fig.1-9 Duke p谷rdorur modelin e p谷raf谷rt me parametra-h, vlera e Ac llogaritet nga formula e m谷posht谷me: Shihet se CMMR = Ad/Ac rritet pambarim, kur Re . Vem谷 n谷 dukje, q谷 ka kufizime praktike n谷 vler谷n e Re, p谷r shkak t谷 r谷n谷jes s谷 tensionit n谷 t谷 p谷r rrym谷n e vazhduar. Kjo do t谷 thot谷, q谷 me rritjen e vler谷s s谷 Re, p谷r t谷 pasur t谷 nj谷jt谷n rrym谷 qet谷sie I0, duhet t谷 rritet edhe vlera e VEE.
  • 21. 1/15/2016 21 P谷r t谷 dal谷 nga kjo situat谷, rezistenca Re z谷vend谷sohet nga nj谷 gjenerator rryme (Fig.1-3a). K谷shtu, n谷 teknologjin谷 monolitike, skema e integruar e nje amplifikatori diferencial ka pamjen e fig.1-10. Vo1 Vee Rc2Rc1 V2 Vcc Q4 Rc3 V1 VCC Q1 Vo2 Q3 Q2 Fig.1-10. N谷 teknologjin谷 monolitike 谷sht谷 leht谷 t谷 realizohen tranzistor谷 identik. Keshtu duke pranuar se Q1 谷sht谷 identik me Q2, mund t谷 demonstrojm谷 leht谷sisht, q谷 n谷 skem谷n e fig.1-10 amplifikimi per m谷nyr谷n e p谷rbashk谷t Ac = 0 dhe, si pasojw CMRR Disa p谷rfundime praktike Amplifikatori diferencial p谷rdoret shpesh n谷 aplikimet e rrym谷s s谷 vazhduar. Duke p谷rdorur teknologjin谷 monolitike), mund t谷 ndertohen amplifikator谷 diferencial谷, n谷 t谷 cil谷t tranzistor谷t Q1 dhe Q2 jan谷 pothuaj identik谷 (巽ift i p谷rshtatur)
  • 22. 1/15/2016 22 Kur tensioni merret nga vet谷m nj谷 dalje, p.sh Vo = Vo2, at谷here stabiliteti i tensionit t谷 daljes varet n谷 nj谷 far谷 mase nga shkalla e p谷rshtatjes s谷 Q1 dhe Q2, por edhe nga stabiliteit i rrym谷s I0 t谷 gjeneruar nga Q3. K谷shtu, p谷r amplifikator谷t e rrym谷s s谷 vazhduar, me nj谷 dalje t谷 vetme (t谷 till谷 si amplifikator谷t operacional) stabiliteti i skem谷s s谷 polarizimit t谷 Q3 谷sht谷 mjaft kritik. P谷r t谷 fituar nj谷 amplifikim t谷 madh, amplifikator谷t diferencial谷 mund t谷 lidhen n谷 kaskad谷. N谷 k谷t谷 rast, daljet Vo1 dhe Vo2 t谷 fig.1-10 lidhen direkt n谷 bazat e tranzistor谷ve respektiv谷 t谷 stadit diferencial pasardh谷s. 1..3.3 Karakteristika kalimtare e amplifikatorit diferencial P谷r t谷 kuptuar p谷rpar谷sit谷 dhe kufizimet e amplifikator谷ve diferencial谷, do ti referohemi karakteristik谷s kalimtare: IC = f(V1 V2). P谷r k谷t谷, le t谷 b谷jm谷 s谷 pari nj谷 vler谷sim kualitativ t谷 skem谷s s谷 fig.1-10. Kur vlera e V1 ndodhet posht谷 pik谷s cutoff ( cutoff = mbyllje) t谷 Q1, e gjith谷 rryma I0 kalon p谷rmes Q2 (pranojm谷 p谷r k谷t谷 diskutim, q谷 V2 谷sht谷 constant). Kur V1 fillon e rritet mbi vler谷n cutoff, rryma n谷 Q1 rritet, -n谷 Q2 zvoglohet, nd谷rsa shuma e tyre mbetet konstant dhe e barabart谷 me I0. I gjith谷 diapazoni i ndryshimit t谷 tensionit t谷 daljes Vo 谷sht谷 i barabart谷 me RcI0 dhe mund t谷 kontrollohet duke ndryshuar vler谷n e I0. Nga fig.1.10 nxjerrim: dhe
  • 23. 1/15/2016 23 Por, si巽 dihet, rryma emiteriale IE e 巽do tranzistori 谷sht谷 e lidhur me tensionin VBE n谷p谷rmjet karakteristik谷s volt-ampere t谷 diod谷s, t谷 form谷s: Si rrjedhoj谷: dhe Por prandaj: Duke zwvendwsuar
  • 24. 1/15/2016 24 K谷shtu q谷: (*) N谷qoft谷se Q1 dhe Q2 p谷rfaq谷sojn谷 nj谷 巽ift t谷 p谷rshtatur, at谷here edhe IC2 merret nga ekuacioni (*), duke nd谷rruar vendet e V1 dhe V2. Ekuacioni (*) p谷rfaq谷son karakteristik谷n e transmetimit (ose kalimtare) t谷 amplifikatorit diferencial dhe paraqitet n谷 fig.1-11. Ndryshimet e temperatur谷s ndaj parametrave t谷 tyre, p谷r shkak edhe t谷 af谷rsis谷, kan谷 t谷 nj谷jt谷n influenc谷. Si pasoj谷, p谷r dalje diferenciale, efekti i temperatur谷s ndaj tensionit t谷 daljes 谷sht谷 i neglizhuesh谷m (pothuaj zero). Fig.1-11
  • 25. 1/15/2016 25 Duke derivuar ekuacionin (*) kundrejt (V1V2), mund t谷 nxjerrim ekuacionin e transp谷rcjellshm谷ris谷 gmd t谷 amlifikatorit diferencial: p谷r V1 = V2 Ekuacioni (1-18) tregon, q谷 p谷r t谷 njejt谷n vler谷 I0, vlera e transp谷rcjellshmerise se amplifikatorit diferencial 谷sht谷 sa nj谷 e kat谷rta e vler谷s s谷 transp谷rcjellsh谷ris谷 s谷 nj谷 stadi amplifikues me nj谷 tranzistor t谷 vet谷m. 1. Amplifikatori diferencial 谷sht谷 nj谷 kufizues i mir谷, sepse kur tensioni i hyrjes diferenciale (V1-V2) e kalon vler谷n 賊4VT (100mV) (n谷 temperatur谷n e dhom谷s), tensioni i daljes pothuaj nuk ndryshon. P谷rfundime: 2. Pjerr谷sia e k谷saj kurbe p谷rcakton transp谷rcjellshm谷rin谷 gmd e cila fillon nga vlera zero, arrin谷 n谷 nj谷 vler谷 maksimale I0/4VT p谷r Ic1=Ic2 = I0/2 dhe b谷het p谷rs谷ri zero.
  • 26. 1/15/2016 26 3. Vlera e gmd 谷sht谷 proporcional me I0. Prandaj, meqen谷se ndryshimi i tensionit t谷 daljes Vo2 谷sht谷: at谷here, amplifikimi diferencial Ad mund t谷 ndryshohet duke ndryshuar vler谷n e rrym谷s I0. Kjo do t谷 thot谷 q谷 amplifikatori diferencial mund t谷 p谷rdoret edhe p谷r kontrollin automatik t谷 amplifikimit. Karakteristika kalimtare 谷sht谷 lineare vet谷m n谷 nj谷 zon谷 t谷 ngusht谷 rreth pik谷s s谷 pun谷s, ku ndryshimi maksimal i tensionit diferencial t谷 hyrjes 谷sht谷 賊VT (25mV) n谷 temperatur谷n e dhom谷s). V谷rtetohet se me shtimin e dy rezistencave Re n谷 seri me terminalet emiteriale t谷 dy tranzistor谷ve Q1 dhe Q2 t谷 skem谷s s谷 fig.1-11, zona lineare mund t谷 zgjerohet, sepse kjo lidhje e kund谷rt negative sipas rrym谷s dhe n谷 seri, n谷 secilin tranzistor, redukton pjerr谷sin谷 e karakteristik谷s kalimtare, pra -vler谷n e gmd . Vlera t谷 arsyeshme t谷 rezistencave jan谷 50-100 , sepse p谷r vlera m谷 t谷 m谷dha t谷 tyre, amplifikimi diferencial Ad zvog谷lohet shum谷. Shtimi i rezistencave Re rrit gjithashtu rezistenc谷n e hyrjes.