vid

Resumo
• Introdução sobre Pares Diferenciais (Bipolares e MOS)
• Par Diferencial com Transistor MOS
• Gama de Tensão em Modo Comum
• Operação com sinal diferencial
• Operação para grandes sinais
• Operação para pequenos sinais
• Gama de Tensão em Modo Comum
• Operação com sinal diferencial
• Efeito da Resistência de Saída do MOSFET ro
• Ganho em Modo Comum e Rejeição em Modo Comum
• Caso de Par Diferencial não simétrico
• Tensão de Desvio na Entrada
– p. 1/1
Introdução sobre Pares Diferenciais (Bipolares
e MOS)
Existem duas razões pelas quais os amplificadores diferenciais são adequados
para implementação em circuitos integrados. Primeiro porque a performance
do par diferencial depende da sua simetria e consegue-se implementar nos
circuitos integrados transístores de características idênticas e porque essas
características se mantêm idênticas com a mudança das condições ambientais.
Segundo pela sua natureza os amplificadores diferenciais utilizam o dobro dos
componentes o que num circuito integrado não é problema.
Alem disso os circuitos diferenciais são menos sensíveis ao ruído e
interferência. Considerando que existe um sinal interferente que está ligado a
dois fios ou capacitivamente ou indutivamente. A tensão induzida nos dois
fios são idênticas e a interferência não será amplificada pois o sinal
amplificado será diferencial.
– p. 2/1
Par Diferencial com Transistor MOS
Funcionamento
em Modo Comum
Se o par
diferencial é simétrico a corrente
da fonte divide-se pelos dois
transístores. Se desprezarmos
o efeito de modulação
do comprimento do canal
2
I
1 0 W
=
k
(V
−V
)
⇔
GS
T
n
2
2
L
q
0
VGS −VT = VOV = I/ knW /L
A tensão em cada dreno será vD1 = vD2 = VDD − 2I RD . O par diferencial não
responde a sinais em modo comum.
– p. 3/1
Gama de Tensão em Modo Comum
Uma especificação importante do amplificador diferencial é a Gama de
tensão de entrada em Modo Comum. É a gama de tensões em modo
comum vCM no qual o par diferencial funciona bem. O valor mais alto da
tensão em modo comum vCM é limitado pelo facto do transistor MOS não
entrar na zona de triodo.
VDS = VGS −Vt ⇔ VDD − 2I RD − vCMmax +VGS = VGS −Vt ⇔ vCMmax =
Vt +VDD − 2I RD
O valor mais baixo de vCM é limitado pela tensão menor que a fonte de
corrente pode ter nos seus terminais para que funcione propriamente
vCMmin = −VSS +VCS +Vt +VOV
Em que VCS é tensão minima na fonte de corrente.
– p. 4/1
Operação com sinal diferencial
Como vid = vGS1 − vGS2 ,
se vid > 0 então
vGS1 > vGS2 e por isso iD1
será maior que iD2 e a tensão
diferença (vD2 − vD1 ) será
positiva. Se por outro lado se
vid for positivo, vGS1 < vGS2
e a diferença de tensão
(vD2 − vD1 ) será negativa.
Verificamos que o par
diferencial MOS responde
a sinais diferenciais.
– p. 5/1
Operação com sinal diferencial
É útil
saber qual é a tensão vid que fará
a corrente passar dum transístor
para o outro. Isto acontece
quando vGS1 atinge o valor
que corresponde a iD1 = I e vGS2
é reduzido para o valor da tensão
de limiar Vt em que vS = −Vt .
O valor
de vGS1
pode ser encontrado de
em que VOV
de I/2.
0
kn WL (vGS1 −Vt )2 ⇔
q
0
vGS1 = Vt + 2I/ knW /L =
√
Vt + 2VOV
é a tensão de overdrive correspondente a uma corrente de dreno
I=
1
2
– p. 6/1
Operação com sinal diferencial
O valor de vid para o qual
a corrente passa toda para Q1 é
vidmax = vGS1 + vS =
√
√
Vt + 2VOV −Vt = 2VOV
Se
√
vid é aumentada além de 2VOV ,
iD1 e vGS1 mantêm o valor e
vS aumenta (com vid ) mantendo
Q2 ao corte. Verifica-se
também que se vid atinge
√
− 2VOV , Q1 entra ao corte
e Q2 conduz toda a corrente I.
Para usar o par diferencial como amplificador linear mantêm-se o sinal vid
pequeno.
– p. 7/1
Operação para grandes sinais
0
iD1 = 21 kn WL (vGS1 −Vt )2
1 0 W
iD2 = 2 kn L (vGS2 −Vt )2
Depois de manipulaçãormatemática (vid = VGS1 −VGS2 )
2
v
/2
v
I
id
1 − VidOV
iD1 = 2I + VOV
2
r
2
vid /2
vid
I
iD2 = 2I − VOV
1
−
2
VOV
– p. 8/1
Operação para grandes sinais
O tensão diferencial
necessária para
a corrente só conduzir
num dos transístores é de
√
vid = 2 VGS −Vt .
max
Para vid <<
VOV
vid I
I
iD1 ' 2 + VOV
2
vid I
I
iD2 ' 2 − VOV
2 =
Temos
I
D
que gm = 2 VIOV
= VOV
– p. 9/1
Operação para grandes sinais
Considerando a corrente I constante
A linearidade do par diferencial pode ser aumentada utilizando VOV mais
elevado. Para isso é preciso diminuir WL . Isso implica uma redução no gm .
Pode-se aumentar a corrente de polarização para compensar essa redução de
ganho. Implica um aumento na dissipação.
p 0p
√
gm = 2kn W /L ID
√ p 0q
W
VOV = 2ID 1/kn 1/ L
– p. 10/1
Operação para pequenos sinais
Ganho Diferencial
Considerando
que vG1 = VCM + 12 vid
e vG2 = VCM − 12 vid .
Tipicamente VCM está
entre VDD e −VSS sendo
tipicamente 0V . O sinal
diferencial vid é aplicado
de maneira complementar
ou seja vG1 é aumentada
por vid /2 e vG2 é diminuída por vid /2. Este será o caso deste par diferencial
ser atacado por outro amplificador diferencial. O par diferencial pode ser
atacado por um andar com saída única como no caso da figura do acetato 6. A
saída do amplificador pode ser tomada entre um dos drenos e a massa ou entre
os dois drenos.
– p. 11/1
Operação para pequenos sinais
Análise de sinal
do amplificador
diferencial
(eliminando
as fontes
DC obtém-se o
circuito para sinal). Desprezando o efeito de ro e o efeito de substracto
(corpo). Q1 e Q2 estão polarizados com uma corrente DC de I/2 e operam
com uma tensão de overdrive VOV . Da simetria do circuito e da forma
balanceada na qual vid é aplicada observa-se que a tensão de sinal nas fontes
ligadas deve ser zero (massa virtual). Assumindo que vid /2 VOV as
variações de corrente no dreno em Q1 e Q2 serão proporcionais a vgs1 e vgs2
respectivamente. Q1 terá um aumento de corrente de gm (vid /2) e Q2 terá um
decremento de gm (vid /2).
I
gm = V2IOVD = 2(I/2)
=
VOV
VOV
– p. 12/1
Operação para pequenos sinais
1
= − 12 gm RD vo1 = gm v2id RD ⇔ vvo2
=
2 gm RD
id
O ganho do par diferencial usando ambas as saídas é
o1
Ad = vo2v−v
= gm RD
id
vo1
vid
O ganho
do par diferencial
usando apenas
uma das saídas é
vo1 =
−gm v2id RD ⇔
É obtido o dobro do ganho quando se usam ambas as saídas.
Outra forma de verificar a operação do par diferencial é ilustrada na figura da
direita em que id = vid /(2/gm )
– p. 13/1
Efeito da Resistência de Saída do MOSFET ro
Circuito equivalente em termos de sinal diferencial (ver figura da direita).
RSS é a resistência interna da fonte de corrente. O sinal de corrente através de
RSS é 0A.
vo1 = −gm (RD k ro ) (vid /2)
vo2 = gm (RD k ro ) (vid /2)
vo = vo2 − vo1 = gm (RD k ro )vid
– p. 14/1
Ganho em Modo Comum e Rejeição em Modo
Comum
Caso de fonte de
corrente não ideal.
Considerando
ro >> RD
vo1
vicm =
vo2
vicm
=−
RD
1
gm +2RSS
se RSS >> 1/gm
Sinal de saída
num dos transístores:
d
RD
|Acm | = 2RSS
|Ad | = 12 gm RD
CMRR = AAcm
= gm RSS
Se a saída for tirada diferencialmente
|Acm | = 0
CMRR = ∞
CMRR - Common Mode Rejection Ratio
– p. 15/1
Caso de Par Diferencial não simétrico
Saída diferencial ⇒ CMRR = ∞
Caso de resistências de carga RD não simétricas
Caso de saídadiferencial
(CMRR deixa de ser infinito)
RD
∆RD
Ad ' −gm RD
Acm = − 2R
RD
SS
Ad ∆RD
CMRR = Acm = (2gm RSS ) / RD
Caso de diferentes gm
Caso de saídadiferencial
(CMRR deixa de ser infinito)
∆gm
RD
Acm = − 2R
Ad ' −gm RD
gm
SS
Ad ∆gm
CMRR = Acm = (2gm RSS ) / gm
– p. 16/1
Tensão de Desvio na Entrada
A tensão de desvio na entrada é devida a falhas de simetria do par diferencial,
tais como : resistência de carga, WL ,e Vt .
VGS −Vt
∆RD
VOS =
2mV para resistências de 1%
2
RD
∆(W /L)
VGS −Vt
VOS =
2
(W /L)
VOS = ∆Vt
pode ser tão alto como 2mV
Como r
as três fontes de Tensão de Offset são descorrelacionadas
2 2
VOV ∆RD
VOV ∆(W /L)
2
+
VOS =
+
(∆V
)
t
2 RD
2
W /L
– p. 17/1