Par Diferencial
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INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Electrónica Geral Par Diferencial INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par Diferencial com Transistores Bipolares -VEE INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Modo diferencial e Modo Comum As duas entradas do par diferencial são as tensões vB1 e vB2. VC VB1 VB 2 2 VD VB1 VB 2 INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par diferencial com entrada de modo comum As correntes dos dois colectores são exactamente iguais. Em cada colector IC=aIE Em que ab/b1 INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par diferencial com entrada diferencial de grande amplitude Existindo uma entrada diferencial de amplitude razoavelmente elevada (vD=1 V) a corrente passará toda por um dos transistores. Note-se que: vB1=vC+vD/2=0,5+0,5 V vB2=vCvD/2=0,50,5 V INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par diferencial com entrada diferencial de grande amplitude Neste caso as entradas são: vB1=vC+vD/2=0,50,5 V vB2=vCvD/2=0,5+0,5 V Note-se que o transistor que conduz toda a corrente não deve chegar a saturar. INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par diferencial com entrada diferencial de pequena amplitude Considerando que a fonte de corrente I é ideal, a soma das correntes nos dois emissores mantém-se igual a I. INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Correntes de colector em modo diferencial iC1 I S evBE1 / uT iC I S evBE / uT I EE I E1 I E iC1 iC I S vBE1 / uT (e evBE / uT ) a a a vD vBE1 vBE iC1 aI EE 1 evD / uT iC aI EE 1 e vD / uT iC1 iC aI EE I EE iC1 iC I EE / quando vD INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Correntes de colector em modo diferencial I=IEE INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Ganho Pode considerar-se que a zona linear de funcionamento corresponde a vD = uT No ponto de equilíbrio vD=0 : iC1 g m vBE1 , vBE1 vBE vD iC1 g m aI EE / I EE vD uT uT v1 RC iC1 v1 v RC (iC1 iC ) v RC iC INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Ganho Os ganhos medidos na tensão de cada colector e na diferença de tensões serão: I v1 RC EE vD uT I v1 v1 v1 RC EE vD uT I v RC EE vD uT INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Linearização da Característica por Colocação de Resistências nos Emissores iC1 iC 2 I vD vB1 vB 2 Re (iC1 iC 2 ) Desprezando vB1 vB 2 face a Re (iC1 iC 2 ) I iC1 iC 2 vD iC1 iC 2 Re Resulta por soma e subtacção iC1 I vD 2 2 Re iC 2 I vD 2 2 Re INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Linearização da Característica por Colocação de Resistências nos Emissores INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Separação, num circuito com simetria geométrica nos modos comum e diferencial INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa MODO COMUM A resistência central pode ser dividida em duas, que por estarem em paralelo terão um valor óhmico duplo. INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa MODO DIFERENCIAL Na resistência central não há corrente, e pode ser retirada do circuito. INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Resultado Final por Sobreposição É necessário lembrar que o princípio da sobreposição decorre da linearidade. Em dispositivos não lineares é necessário ter cuidado a aplicá-lo. INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par Diferencial Completo para PFR INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Meio Par Diferencial para PFR INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par diferencial completo em regime incremental para o modo diferencial INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Dada a simetria basta considerar uma metade do circuito Considetando a saída no colector do transistor da esquerda o ganho será: Ad vc1 g m ( RC // ro ) vd / 2 INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa MODO COMUM Quando consideramos o modo comum temos de conhecer a resistência da fonte de corrente. INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Também aqui se pode dividir o circuito em duas metades Ao dividir REE em duas partes passa a ter-se 2REE, porque REE=2REE//2REE INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par diferencial completo em regime incremental para o modo comum INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Também aqui basta considerar meio circuito Desprezando ro o ganho fica idêntico ao ganho de um andar em emissor comum com resistência de emissor: bRC RC Ac r (1 b)2 REE 2 REE INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Factor de Rejeição de Modo Comum (Common Mode Rejection Ratio) O factor de rejeição de modo comum é definido como a razão entre o ganho em modo diferencial e o ganho em modo comum: Ad/Ac. A tensão de saída em modo comum é medida no colector de um dos transistores, pois a tensão entre os dois colectores é nula. Definindo o ganho em modo diferencial como Advc1/vd tem-se Ad g m RC 2 O factor de rejeição de modo comum (CMRR) valerá: CMRR Ad gm REE Ac INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par Diferencial com Transistores MOS (Modo Comum) I vD1 vD 2 VDD RD 2 I K (VGS Vt ) 2 VGS Vt I / 2 K 2 vS vC VGS A tensão vC só pode estar dentro de uma dada gama para que os transistores funcionem na saturação e a fonte de corrente funcione correctamente. INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par Diferencial com Transistores MOS (Modo Comum) Ao especificar o valor da corrente I, fica imediatamente definida a tensão VGS. I K (VGS Vt )2 VGS Vt I / 2 K 2 vS vC VGS Para que os transistores estejam na saturação: I vDS (VGS Vt ) VDD RD vS VGS Vt 2 I VDD RD vC VGS VGS Vt 2 I vC VDD RD Vt 2 INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par Diferencial com Transistores MOS (Modo Comum) Para que a fonte de corrente funcione convenientemente a tensão aos seus terminais deve ser superior a um dado valor mínimo. vS (VSS ) VFCmín vC VGS VSS VFCmín vC VGS VSS VFCmín INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par Diferencial com Transistores MOS (Modo Diferencial) Qual a tensão vd que é necessário aplicar para que toda a corrente I passe no transistor da esquerda? A condição iD1=I permite obter vGS1. INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par Diferencial com Transistores MOS (Modo Diferencial) iD1 I K (vGS1 Vt )2 vGS1 Vt I / K Designamos por VODvGS1Vt, a tensão de “overdrive” na situação de equilíbrio em que iD1=I/2. Assim: vGS1 Vt 2 VOD vd vGS1 vS =Vt 2 VOD Vt 2 VOD INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Operação com Sinal de Alto Nível Para caracterizar este tipo de funcionamento vai ser necessário estabelecer as expressões das correntes de dreno para cada um dos dois transistores: vd / 2 I I vd iD1 1 2 VOD 2 VOD iD 2 2 v /2 I I vd 1 d 2 VOD 2 VOD 2 INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Operação com Sinal de Alto Nível Para caracterizar este tipo de funcionamento vai ser necessário estabelecer as expressões das correntes de dreno para cada um dos dois transistores: Perto da situação de equilíbrio o comportamento é aproximadamente linear e pode fazer-se iD1 I I vd 2 VOD 2 iD 2 I I vd 2 VOD 2 em que g m I VOD INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Controle da Zona de Funcionamento Linear INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Ganho Diferencial em Regime de Sinal de Baixo Nível INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Ganho de Modo Comum em Regime de Sinal de Baixo Nível e Factor de Rejeição de Modo Comum INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Par Diferencial com saída unilateral Quando se tem um encadeamento de amplificadores diferenciais só o primeiro andar necessita de ter a saída diferencial para obter um elevado CMRR. Com saída unilateral poder-se-ia usar uma montagem como a representada, mas o ganho fica reduzido a metade. Utilizando cargas activas o ganho pode ser muito elevado pois a carga pode ter uma elevada resistência dinâmica. INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Carga Activa Utilizando um Espelho de Corrente A utilização de um espelho de corrente como representado permite ter, na saída unilateral, um ganho idêntico ao que se obteria com saída diferencial. No entanto a montagem é muito sensível às assimetrias dos componentes pelo que é sempre necessário introduzir uma malha de realimentação, que não estudaremos aqui. INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Situação de Equilíbrio Situação de equilíbrio, com um ponto de funcionamento em repouso exactamente igual nas duas metades. No transistor Q3 a tensão VDS é igual à tensão VGS. A tensão VDS em Q4 é igual à tensão VDS em Q3. INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO Universidade Técnica de Lisboa Comportamento Dinâmico Como as entradas são diferenciais as variações de corrente em Q1 e Q2 têm sentidos contrários. O espelho de corrente obriga a que as variações de corrente em Q1 (e Q3) sejam iguais às variações de Q4.
