Apresentação do PowerPoint - Engenharia Eletrica
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CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 1 OBJETIVOS • Analisar a operação do amplificador diferencial • Entender o significado de tensão de modo diferencial e de modo comum • Determinar as características de pequenos sinais do amplificador diferencial • Analisar e projetar amplificadores diferenciais com cargas ativas • Analisar e projetar amplificadores com múltiplos estágios TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 2 INTRODUÇÃO DIAGRAMA EM BLOCOS CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO 1O ESTÁGIO VI (DIFERENCIAL) 2O ESTÁGIO TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES ESTÁGIO DE SAÍDA VO 3 1.1 CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO ESPELHO DE CORRENTE MOS M1 sempre saturado 1 W 2 I REF kn VP VSB 2 L 1 M2 saturado VO VGS Vt 1 W 2 I O kn VP VSB 2 L 2 IO I REF TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES W L2 W L1 4 Efeito de VO sobre IO VDS2 1 W 2 I O kn VP VSB 1 2 L 2 VA2 IO I REF W L2 1 VO VGS W L1 VA 2 RO VO V ro 2 A 2 I O IO TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 5 Circuito guia de corrente CMOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 6 ESPELHO DE CORRENTE COM TBJ IC1 IREF VCB=0 VO IC1 IREF IC1 IC2=IO Q1 Q2 IE1 IB1 IB2 IE2 -VEE VBE1Q Q1 Q2 IC1 = IC2=IC Q2 na região ativa IB1 = IB2=IB Efeito Early desprezível IO I REF 1 1 2 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES VBE1 IO I REF 1 Para >>1 7 Considerando o efeito Early VCE VT 1 IC I S e VA vBE iC 1/r0 -VA VCEsat IREF VO IC1 IC2=IO Q1 Q2 IE1 IB1 IB2 IE2 -VEE TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES vCE V VEE 1 O IO 1 VA V I REF 1 2 1 BE VA IO I REF V VEE VBE 1 O 2 VA 1 1 8 Uma fonte de corrente simples VCC R IREF Q1 IO VO Q2 + VBE - Modelo equivalente CC, válido para Q2 na região ativa TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES I REF VCC VBE R VO VBE VCC VBE 1 IO 1 1 2 VA R IO ro VA I O 9 Circuitos guias de corrente I REF VCC VEE VEB1 VBE 2 R Considerando todos os transistores idênticos e muito alto: I1 I 2 I REF I 3 2 I REF I 4 3I REF TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 10 1.2 AMPLIFICADOR CASCODE AMPLIFICADOR CASCODE MOS Modelo de pequenos sinais TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 11 Modelo de pequenos sinais para determinação de Ro TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 12 AMPLIFICADOR CASCODE TBJ Ex.: Determinar a resistência de saída TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 13 AMPLIFICADOR “FOLDED” CASCODE TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 14 1.3 CONFIGURAÇÃO DARLINGTON Mostre que D = 1 2 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 15 Seguidor de tensão usando a Configuração Darlington Fonte I para garantir 1 elevado TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 16 1.4 CONFIGURAÇÃO CC-BC e DC-GC Coletor comum – base comum Análise TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 17 Dreno comum – porta comum Análise TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 18 1.5 Circuitos Melhorados de Espelhos de Corrente Espelho cascode MOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 19 Espelho de corrente com compensação da corrente de base I REF Io IO I REF IO I REF TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 2 I 2 E 1 1 1 IE 1 1 2 2 1 1 2 2 20 Espelho de corrente de Wilson IREF Q2 IO IO Q3 I REF Q1 1 2 2 2 IO I REF A vantagem deste espelho de corrente é sua maior resistência de saída RO r RO o 2 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 1 1 1 2 2 Problema: erro devido ao efeito Early VCE1 VBE VCE 2 2VBE 21 Espelho de corrente de Wilson melhorado IREF Q4 IO + - VBE Q2 Q3 + VBE VCE1 VCE 2 VBE Q1 + VBE - TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 22 Fonte de corrente de Widlar VBE1 VBE2 R E IO VBE1 VT ln VBE 2 I REF IS IO VT ln IS I REF R2 I O VT ln IO TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 23 Exemplo:VCC=10V;IO=10A a) Fonte de corrente simples Assumindo VBE=0.6V R IREF IO VO b)Fonte de corrente de Widlar Escolhendo IREF=1mA I1 R1 VCC IO Q1 Q1 Q2 + Q2 + VBE1 - + VBE2 - R2 VBE Q1 Q2 - R 10 0.6 940k 10μA TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES R1 10 0.7 9.3KΩ 1 25mV 103 R2 ln 11.5KΩ 10A 10 24 Resistência de saída da fonte de corrente de Widlar 1 v ro v x v g m RE 1 v ix g m v g m RE 1 g m ro RE vx RO 1 ix RE RO RE 1 g m RE ro TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES + r - v - gmv r o vx R E RO (1 g m RE )ro 25 1.6 PAR DIFERENCIAL CONSIDERAÇÕES •Fonte de corrente ideal •Transistores e resistores casados •Transistores na região ativa •Resistência de saída do TBJ infinita TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 26 TENSÃO DE MODO COMUM TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 27 OPERAÇÃO COM GRANDES SINAIS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 28 Análise de grandes sinais iE1 IS e vB1 vE VT iE 2 IS e vB 2 vE VT I iE 1 iE 2 vE TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES IS e vE VT vB 2 vVB1 e T e VT iE1 1 vB 2 vB1 VT I e iE 2 1 vB1 vB 2 VT I e 29 CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA 1 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 30 1.6.2 PAR DIFERENCIAL COM TRANSISTOR MOS Q1 Q2 Q1 e Q2 saturados Fonte de corrente ideal VA vG1 vG 2 vGS1 vGS 2 vid (1) iD1( 2 ) 1 W 2 k n vGS1( 2 ) Vt (2) 2 L iD1 iD2 I (3) TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 31 Combinando as equações 1, 2 e 3 e considerando que no ponto quiescente iD1 iD 2 I 2 vGS1 vGS 2 VGS tem-se iD1( 2) vid 2 vid I I 1 2 VGS Vt 2 VGS Vt TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 2 32 Característica de transferência normalizada do par diferencial MOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 33 1.6.3 OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 34 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 35 SEPARAÇÃO DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL EM DUAS METADES TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 36 CIRCUITO EQUIVALENTE DE PEQUENOS SINAIS RC v id 2 + v 1 RC + - vO1 r - + - vO2 r g m v 1 gm v 2 R iR=0 + v 2 - v id 2 vod vo1 vo 2 vo1 vod 2 vo 2 vod 2 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 37 Análise de pequenos sinais Ganho de modo diferencial v id 2 r + v 1 - + g m v 1 RC Vod Ad g m RC Vid I C I gm VT 2VT TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES - v od 2 Obs.: Se a saída tomada for simples o ganho diferencial será: Vo1 1 Ad g m RC Vid 2 38 Ganho de modo comum Vocm Acm Vicm VCC VCC RC RC RC RC vc1 Q1 Q2 vicm vicm R vc2 I -VEE 2R 2R I/2 I/2 -VEE -VEE vc1=vc2=vocm TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 39 Meio circuito equivalente AC para análise de modo-comum + + vicm r - v - RC gmv vocm - 2R Acm vocm vicm Acm g m RC 1 1 2 g m R 1 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES RC 2R 40 CMRR: razão de rejeição de modo comum Ad 1 1 CMRR 1 2 g m R1 g m R Acm 2 o CMRR dB 20 log Ad Acm Os sinais de entrada contêm usualmente uma componente de modo diferencial e uma de modo comum vid v1 v2 v1 v2 vicm 2 vo Ad vid Acm vicm TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 41 Resistência de entrada de modo diferencial Rid vid ib 2r vicm0 Resistência de entrada de modo comum Ricm vicm 2ib vid 0 1 r 2 R 1 2 As correntes de pequenos sinais que fluem quando tensões diferenciais e de modo comum são aplicadas são vid vicm ib1 Rid Ricm vid vicm ib 2 Rid Ricm TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 42 Circuito equivalente de pequenos sinais para entrada de um amplificador diferencial diferencial Rid 1 2 1 Ricm Ricm Modelo TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES ~ Rid/2 ~ Rid/2= r 2 Ricm/2 R(O+1) Modelo T 43 Exemplo +VCC VCC = 15 V RC = 10 k RE = 150 R = 200k I = 1 mA RC RC + vo RS Q1 Q2 vs RE RE R TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES I 44 1.6.4 OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS DO AMP. DIF. MOS +VDD RD RD vo1 + Q vo2 vod Q2 1 v2 v1 I -VSS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 45 Operação em pequenos sinais do amp. dif. MOS iD1( 2) vid 2 vid I I 1 2 VGS Vt 2 VGS Vt 2 vid VGS Vt 2 iD1( 2 ) vid I I 2 VGS Vt 2 vid id g m 2 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 46 Ganho de modo diferencial + R + Vid/2 D - gmvid/2 RD Vod/2 - Vod/2 Q1 vid vod Ad g m RD vid 2 Considerando saída simples: TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES vod 1 Ad g m RD vid 2 47 Ganho de modo comum (considerando saída simples) + Vicm RD + gmvgs - RD Vocm - 2R RD Acm 2R vic 2R TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 48 CMRR (considerando saída simples) CMRR g m R Resistência de entrada de modo diferencial Rid Resistência de entrada de modo comum Ricm TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 49 1.6.5 CARACTERÍSTICAS NÃO IDEAIS DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL Tensão de offset (VOS) VCC RC1 VCC RC2 - VOD + RC1 RC2 0V Q1 Q2 + Q1 Q2 VOS - I I -VEE -VEE VOS é a tensão que deve ser aplicada à entrada de modo que a tensão na saída seja igual a zero VOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES VOD Ad 50 VOS é devida ao descasamento nos resistores e nos transistores ANÁLISE 1) Descasamento nos resistores e transistores casados RC RC1 RC 2 RC RC 2 RC 2 VOD I VC 2 VC1 RC 2 VOS VOD I 2 RC Ad g m RC RC I VC1 VCC RC 2 2 R I VC 2 VCC RC C 2 2 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES VOS RC VT RC 51 2) Descasamento nos transistores e resistores casados I I S I E1 1 2 2I S I I S I E 2 1 2 2I S I S VOS VT IS I I S1 I S S 2 I IS2 IS S 2 VOD I I S RC 2 IS VOS RC VT RC VOS VT RC RC 2 I S VT IS 2 I S IS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 2 2 52 Correntes de polarização de offset de entrada I B1 I B 2 I 2 1 Perfeitamente simétrico Descasamento em I OS I B1 I B 2 2 I I 1 1 I B1 2 1 2 1 2 2 I 1 I 1 1 I B2 2 1 2 1 2 2 1 2 1 Corrente de offset 2 I OS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES I 2 1 53 Correntes de polarização IB I B1 I B 2 I IB 2 2 1 I OS I B Exercício: Para um amplificador diferencial com TBJ utilizando transistores com =100, com casamento máximo de 10%, e casamento de áreas de 10% ou melhor, e resistores de coletor com casamento de 2% ou melhor, encontre os valores de VOS, IB e IOS. A corrente de polarização CC é de 100 mA. TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 54 Tensão de offset Descasamento em RD, W/L e Vt 1. Descasamento em RD +VDD RD1 RD2 vo1 vo2 + vod - Q1 Q2 RD RD1 RD 2 RD RD 2 RD 2 I VOD RD 2 Dividindo pelo ganho gmRD I -VSS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES VOS VGS Vt RD 2 RD 55 2. Descasamento em W/L W L W L W W L 2 1 L W W L 2 2 L I W L I D1 1 2 2W L I W L I D1 1 2 2W L VOS VGS Vt W L W L 2 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 3. Descasamento em Vt Vt Vt1 Vt 2 Vt Vt 2 Vt 2 Vt 1 VGS Vt Vt 2 Vt 1 VGS Vt 1 W 2 I D1 k n VGS Vt 2 L I D2 1 W k n VGS 2 L I Vt I 2 VGS Vt VOS Vt 56 Exemplo 6.3 – Sedra Smith (p. 484) TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 57 1.7 O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA Q1 Q2 e Q3 Q4 Vo é tal que Q2 e Q4 operam na região ativa VCC Q3 iC4 iC3 v ID 2 Q4 IB desprezível iO + iC1 iC2 Q1 Q2 I - VO v ID 2 -VEE Transcondutância em curto-circuito TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES v I g m id 2 2 vid I gm 2 2 iC1 iC 2 iC1 iC 3 iC 4 iO iC 4 iC 2 g m vid io Gm gm vid 58 Ganho de tensão em circuito aberto Modelo para pequenos sinais + + Vid - vo Gm Ro vid Ri RO Gm vid vO - ro 2( 4) Ro ro 2 ro 4 VAn( p ) I 2 gm VT Avo TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES I 2 1 1 1 VT V V An Ap 59 Amplificador diferencial CMOS com carga ativa vO VDD + vid M4 Gmvd - M3 RO iO iD1 VG1 + - M1 iD2 M2 + - VG2 I VSS vo Av Gm Ro vid Gm io gm vid Ro ro 2 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES ro 4 60 Amplificador diferencial cascode ix + r3 v3 - gm3v3 vx ro3 ro1 Ro ro3 1 g m r3 ro3 1 3 Ro 3ro3 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 61 Amplificador diferencial cascode com carga ativa espelho de Wilson Exercício: Para o amplificador da figura determine Ri, Gm, Ro e o ganho de tensão em circuito aberto. Dados: I = 0,2 mA = 200 VA= 100 V TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 62 1.8 AMPLIFICADOR OPERACIONAL BIPOLAR TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 63 Exemplo 6.3 – Sedra Smith (p. 484) TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 64 1.9 AMPLIFICADOR OPERACIONAL CMOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 65
