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アナログ電子回路コミュニティサービス終了のお知らせ

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WWL
タイトル
ソース接地増幅回路+容量フィードバックのループゲインの求め方について
ポイント []
pt.
アクセス2626
カテゴリーツール&シミュレーション
キーワード フィードフォワードアンプ   フィードバックループ   求め方   ソース接地増幅回路+容量   クローズドループゲイン2   Powered by Yahoo
投稿日時15/12/09 14:10
初めまして。
WWLと申します。

添付した回路の

1. クローズドループゲイン
2. ループゲイン

をそれぞれシミュレーション(SPICE)で求めたいと考えております。
これらを求める方法はあるでしょうか。

1.に関しては入力が差動になっている場合ならば、
逆側の入力にVACを入れれば済む話です。
ソース接地回路の場合を考えてみたのですが、
なかなか良い方法が思い浮かびません。

2.に関してですが、ミドルブルック法ではうまく出来ませんでした。
原因として、NMOSの寄生容量であるCGDとCfの値が同じようなオーダーだったためだと考えられます。
今回の場合のように、フィードフォワードアンプとフィードバックループを完全に切り離すことが出来ないとき、どのようにしてシミュレーションを行えばいいでしょうか。

以上、よろしくお願い致します。
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dorham 回答番号 11
タイトル
loop gain
ポイント
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アクセス2165
投稿日時15/12/18 16:18
WWLさん、
Dorhamと申します。
Loop Gain等に関し、SPICEでsimulation出来るかどうかはわかりかねますが、計算上は、近似的に添付のようになろうかと思います。
ノイズの計算については、周波数特性がフラットではないので面倒かもしれません。
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MUSUSU2 回答番号 10
タイトル
悩みは解決のようですが
ポイント
pt.
アクセス2218
投稿日時15/12/16 23:32
WWLさんへ
 もともとの質問が、あまり重要ではなかったようですね。
それで、どうでもよいかもしれませんが、

WWLさんが 回答番号9で言っている
「1. この回路で発生する熱雑音はどのような伝達関数によって制限されるか、シミュレーションで確認する方法はない
2. この回路における|βA|=1の時の∠(βA)をシミュレーションで確認する方法はない」
はともに間違っていると思います。 問題は、問題を明らかにできていないことにあるのではないですか?
1については、どこでどういうノイズを想定するか、
 2については Aの部分とβの部分を回路の中でどう切り分けるか整理されていないように思いますが。





WWL 回答番号 9
タイトル
細部が気になります
ポイント
pt.
アクセス2333
投稿日時15/12/16 17:15
>MUSUSU2様

回答ありがとうございます。

ステップ入力も行いますが、それに加えて「バルクハウゼンの安定判別法」を確認したいです。
つまり|βA|=1の時の∠(βA)がどうなっているかを知りたいです。

雑音に関しても、当然ノイズ解析を行えばその結果は分かります。
しかしながら、雑音を制限する帯域(=クローズドループゲイン)をシミュレーションで
見れないかを知りたかったのです。

今回のやりとりでは

1. この回路で発生する熱雑音はどのような伝達関数によって制限されるか、シミュレーションで確認する方法はない
2. この回路における|βA|=1の時の∠(βA)をシミュレーションで確認する方法はない

という結論になるかと思います。
出来ないということが分かりすっきりしました。
ありがとうございました。 

YandH 回答番号 8
タイトル
簡単に考えてはだめですか?NO2
ポイント
pt.
アクセス2321
投稿日時15/12/16 17:06
FETのCGDがあるからシミュレーションができないと書かれているので、シミュレーション用のFETの特性でCGDをゼロにすればよいのではないかと思います。
シミュレーション用のFETの特性をご自分でつくられているなら出来るのではないですか?
これができれば一応最初のスレッドは終わると思います。

MUSUSU2 回答番号 7
タイトル
簡単に考えてはだめですか?
ポイント
pt.
アクセス2291
投稿日時15/12/15 23:28
WWLさんへ
 熱雑音については、私にはわかりません。真面目に考えたことが無いので。

 安定性については、何を目的にするかで変わるかと思います。 最も単純な考えでは、a)絶対に必要なこと:とにかく発振しない、b)次のレベル:リンギングなどが適当な長くない時間内に収まる、c)さらに次のレベル:リンギングなしで応答する、これらのように要求する「安定」の仕分けがあります。 いずれにせよ、入力にステップ入力を加え応答を見ればよいのではありませんか?

 雑音がどうなるかについては、雑音が入る場所を想定(たとえば示された回路でRfから電流性のノイズが出ることを想定する)し、そこにノイズ分を信号として入れ、出力に現れるレスポンスを見るのではだめですか?

WWL 回答番号 6
タイトル
質問の意図
ポイント
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アクセス2343
投稿日時15/12/15 17:51
>MUSUSU2様

返信ありがとうございます。
CTIAはCapacitive TransImpedance Amplifierの略字で、容量で受ける積分アンプみたいなものです。

仰る通り、AC解析を行い入力電流に対する伝達関数を求めることは出来ます。
しかしながら、元々求めたかったものは

1. クローズドループゲイン
2. ループゲイン

の二点です。
1.はアンプによって発生する熱雑音がどの程度のゲインと帯域幅によって制限されるか調べたかったからです。
2.は回路自体の安定性を確認するためです。

私の質問の仕方が悪かったと思います。
聞きたかったことは以下になります。

1. この回路で発生する熱雑音はどのような伝達関数によって制限されるか、シミュレーションで確認する方法はありますか?
2. この回路の安定性をシミュレーションで確認する方法はありますか?

以上、よろしくお願い致します。

MUSUSU2 回答番号 5
タイトル
何が問題なのでしょうか?
ポイント
pt.
アクセス2315
投稿日時15/12/14 21:08
 WWLさんへ
 CTIAが何かは知りませんが、フォトダイオードの電流を検知することとして考えます。 過渡解析ができていて、AC解析ができないというところが??です。
 私の常用シミュレータ、LTspiceで同様の回路を試してみると簡単に結果が出ました。 ただし、FETの種類やVbの値は異なります。
 
 以下の手順でチェックすることをお勧めします。

 ① 信号源をつながない状態で、過渡解析を適当な時間までかけ、動作点が健全かどうかを見る。負荷抵抗なども実際に近い構成にする。
 グランドまたはVdに振り切れていませんか?
 **この点、示されている回路は不安があります。

 ② 入力に電流源をつなぎ、電流源をAC解析の入力とし、AC解析を行う。(電圧源を使うのはだめ)
 **この場合、他のシミュレータは知りませんが、LTspiceの場合、AC解析は伝達特性を見るというよりは、注目点の振幅と位相を見るだけです。AC解析のための信号源設定の中で、信号の振幅を設定し、その振幅で注目点の信号を割ったものが伝達特性になります。
 また、電圧、電流、電力率はそれぞれ、ボルト、アンペア、ワットが単位になります。したがって、この例では、電流源の振幅を1μAなど、小さい値にすることになります。出力の振幅が大きすぎるようなら、信号源の振幅を小さくします。

 要約するとチェックすべきは、
  動作点は健全かどうか。
  回路の目的、電流を入力とする解析になっているか(単位はV/Aになります)。
 の2点です。
 なお、帰還をかけた状態しか考えていません。

蛇足ですが、この回路でDC動作点が振り切れていても、AC解析でいくらかの信号は出力に現れます。M1のゲート・ドレイン間の静電容量がありますから。でも信号が見えるからと言って、増幅器として動いているわけではありません。
 

WWL 回答番号 4
タイトル
CTIAです
ポイント
pt.
アクセス2408
投稿日時15/12/14 17:53
>MUSUSU2様

説明不足で申し訳ありません。
以下に回答します。

>①入力はどのようなものがどこに加わるのでしょうか?

添付した回路図のように、PDがNMOSに接続されます。
そのため、入力は電流となります。
回路として意図するのは、CTIAです。
RfはSWの等価抵抗、CinはPDの寄生容量を等価的に表しています。

>②閉ループとか開ループと言っているのはCf、Rfをつなぐ、つながないの話でしょうか? 

繋いでいるときの話です。
開ループゲイン(A)の話はしておらず、気にしているのはループゲイン(βA)です。

>③動く回路ですか?

ディスクリートではなく、IC設計の話なので部品名などはありませんが・・・。

(W/L)1 = (50/0.35)
(W/L)2 = (5/1)
VDD = 3V
Vb1 = 2V

として設計しています。
電流は30uA程度です。
 
tran解析で意図したとおりの動作をしていることは確認しています。
以上、よろしくお願い致します。
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MUSUSU2 回答番号 3
タイトル
疑問
ポイント
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アクセス2373
投稿日時15/12/11 22:33
WWLさんへ
 いくつかわからないところがあります。

①入力はどのようなものがどこに加わるのでしょうか?
 FET M1のゲート・ソース間に並列につながっているコンデンサがCinと名づけられているので、そこにつながるのかと推測しますが、それでよいのですか。
 そうだとすると、入力信号の出力抵抗によって伝達特性が変わります。単純なことですが、出力抵抗ゼロの信号をCinに並列に加えると、負帰還のCf, Rfは負帰還にならないでしょう。

②閉ループとか開ループと言っているのはCf、Rfをつなぐ、つながないの話でしょうか? だとすると、この規模の回路で、開ループ特性を気にしてもしょうがないような気がします。

③動く回路ですか?
 具体的な部品定数やFETの型名、Vbの値など示されていませんが、それらを含めて動く設計になっているのですか? 入力に小信号で正弦波+オフセットを加えて出力に信号が見えていますか?

これらを確認してはいかがでしょう。

WWL 回答番号 2
タイトル
上手く出来ないようです
ポイント
pt.
アクセス2415
投稿日時15/12/11 20:25
書き込みありがとうございます。

上記でも書いているのですが、NMOSの寄生容量CGDがあるために、帰還部分に電圧源・電流源を挿入することが出来ません。
添付した図のように、CGDがNMOSにくっついているような状態です。
そのため、M1とCGDの間に電圧源・電流源を挿入できません。

ちなみにオーダーですが、Cf=10fF、CGD=20fF程度です。

ミドルブルック法は電圧源及び電流源によって(支配的な)フィードフォワードアンプとフィードバックループが切断出来ているときに有効なようです。

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YandH 回答番号 1
タイトル
これでどうですか?
ポイント
pt.
アクセス2371
投稿日時15/12/11 19:49
出力から入力の帰還部分で戻す部分に入れればよいと思いますが。
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