Amplificadores Operacional – OTA

Amplificador de 2 Estágios
Amplificador Operacional
OTA Miller
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
O que é um Amplificador Operacional?
• O OPAMP é um amplificador de alto ganho,
acoplado em DC projetado para operar em
realimentação negativa de forma a definir uma
função de transferência precisa em laço
fechado.
• Característica:
– Ganho suficientemente elevado (aplicação define
isto)
– Entrada diferencial
– Resposta em Freqüência que garante operação
estável em laço fechado e realimentação negativa.
– Alta impedância de entrada
– Baixa impedância de saída
– Resposta em freqüência ampla e alta velocidade
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
1
Op Amp
• O OpAmp é projetado para ser empregado sob
realimentação negativa para processar de forma precisa
um sinal.
A função de transferência é determinada da seguinte forma:
vout ( s )
A( s )
=
vin ( s ) 1 + A(s ) F ( s )
Se o produto A(s) F(s) for muito maior que 1 :
vout ( s )
1
≈
vin ( s ) F ( s )
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Operacional Ideal
Características:
• Ganho Diferencial Infinito
• Impedância de Entrada Infinita
• Impedância de Saída Zero
• Ganho de Modo Comum Zero
Infelizmente OPAMP ideal não existe!
A busca no sentido de alcançar a idealidade nos parâmetros de
desempenho leva a uma relação de compromisso entre potência, área,
excursão de sinal, etc.
Os OPAMP serão tratado como “amplificadores diferencial de alto
ganho” projetados para atender uma dada condição de performance.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
2
Parâmetros de Interesse – Ganho de Laço Aberto
OPAMPs invariavelmente operam com realimentação!
Razão: Fixar a relação entrada – saída através de componentes externos.
Para um OPAMP ideal (Av = ∞) o
ganho pode ser ajustado pela razão
de R2 e R1
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Parâmetros de Interesse
Porque BW e a margem de fase (PM) são importantes?
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
3
Resposta em Freqüência
• Se o A(0) é muito grande e os
polos p1 e p2 estão próximos,
então é provável que em algum
freqüência ωx a fase será 180o,
mas o ganho ainda será maior
que a unidade.
• Realimentando este sistema
possivelmente o levará a
instabilidade.
• A MF e MG é negativa
(Realimentação Unitária).
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Reposta em Freqüência
Sistema com 3 polos – Realimentação Unitária
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
4
Resposta em Freqüência
GB
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Reposta em Freqüência
Um zero no SPD (positivo) pode ser mais perigoso!
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
5
Reposta em Freqüência
Um zero no SPE (negativo) poder ser bom!
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Operacional CMOS
Blocos básicos que compõem um OPAMP
Especificações chave:
• Precisa ser estável para realimentação unitária
• Utilizar o menor número de estágios
– Área, potência, ruído...
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
6
Tipos de OpAmp
Classificação
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Operacional CMOS
OPAMP
• Uso geral
• VCVS
• Baixa impedância de
saída
• A carga pode ser C ou R
• É um OTA com buffer de
saída
– Maior potência dissipada
OTA
• Empregado mais
comumente como
amplificador integrado
• VCCS
• Alta impedância de saída
• A carga pode ser C, mas
NÃO R
• Uso comum com
realimentação à capacitor
chaveado (SC)
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
7
OPAMP CMOS Básico Clássico
OpAmp Clássico segmentado em blocos conversores
corrente-tensão e tensão-corrente.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Especificações Típicas de um OpAmp
Dependente da tecnologia
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
8
Projeto de um OpAmp
• Saída típicas do projeto
–
–
–
–
Topologia do OpAmp
Correntes DC (polarização)
Dimensionamento dos transistores (W e L)
Valores dos componentes
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Ciclo de Projeto do OPAMP
Especificações típicas
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
9
Estratégia de Projeto
Duas etapas
• Desenvolvimento da arquitetura
– Escolha da arquitetura que atenda as especificações
– Criação de uma nova topologia mais apropriada,
caso necessário.
• Projeto dos componentes
– Dimensionamento dos transistores
– Projeto da rede compensação
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Compensação
Razões
• Os OPAMP normalmente são utilizados empregando realimentação.
• Resposta estável requer que o OPAMP seja compensado.
Idéia
• Garantir que para um desvio de fase de 135o, ou maior, o ganho do
OPAMP em laço aberto seja menor que 1.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
10
Compensação
• Porque projetar uma boa estabilidade?
– Abaixo temos a resposta de um OpAmp, representado por um
modelo de segunda ordem, na condição de realimentação
unitária.
– Uma boa resposta é a que estabiliza rapidamente na resposta
ao salto.
– Regra prática: estabilizar em no máximo 3 ciclos.
• Margem de fase maior ou igual a 45° (preferencialmente acima de
60°).
• Nem sempre a resposta com maior slew rate é a mais satisfatória.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Setling Time
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
11
Resposta em Freqüência - Sem compensação
Ganho de Laço - Aβ
Giro de fase de 180o.
Ganho maior que 1.
Sistema instável
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Tipos de Compensação
• Compensação Miller – Uso de uma realimentação
capacitiva ao redor de um amplificador inversor de alto
ganho.
– Tipos
• Capacitor Miller somente
• Capacitor Miller + Buffer (G ~ 1) – Bloquear o caminho direto
através do Ccomp. Elimina o “zero” no SPD.
• Capacitor Miller + Resistor.
• Auto-compensação – O capacitor de carga age como
capacitor de compensação.
• Feedforward
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
12
Modelo do MOSFET - Alta Freqüência
Modelo Capacitivo Completo
Capacitância de Overlap
Gate-Dreno
Capacitância
Dreno-Corpo (Bulk)
Capacitância
de Gate-Fonte
Capacitância
Fonte-Corpo (Bulk)
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Modelo do MOSFET - Alta Freqüência
Modelo Capacitivo Simplificado I
Fonte e Bulk conectados
Modelo Capacitivo Simplificado II
Fonte e Bulk conectados
Capacitância Cdb negligenciada
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
13
Compensação Miller
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Compensação Miller - Modelo de pequenos sinais
Modelo de Pequenos sinais
Modelo de Pequenos sinais simplificado
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
14
Compensação Miller - Análise
•
•
Escrevendo as equações de nós para o modelo de pequenos sinais simplificado
Achando a função de transferência do ganho
Onde:
•
•
p1 deve ser projetado para ser o polo
dominante
z1 deve-se tomar cuidado, pois é um
zero no SPD. Impacto na
estabilidade.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Efeito da compensação Miller
•
Objetivo
Forçar uma
característica na
resposta em freqüência
do OpAmp de 1a ordem
até GB (ganho unitário)
– -20dB/dec
– Giro de fase 90o
– Característica de pólo
dominante
Realimentação Unitária
Antes da Compensação
0 dB
Depois da
Compensação
Antes da
Compensação
Depois da
Compensação
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
15
Compensação Miller – Estabilidade
•
A freqüência de ganho unitário (0 dB) GB é dada por:
•
Para uma margem de fase de 45o temos:
•
Para ω0dB = GB e assumindo que z ≥ 10 GB temos
Para uma margem de fase de 60o:
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Compensação Miller – Estabilidade
• Sendo necessário uma PM de 60o:
z=
p2 =
g mII
g
e GB = mI
Cc
Cc
g mII
g
g
> 2,2GB ⇒ mII > 2,2 mI
CL
CL
CC
CC > 0,22C L
Observação
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
16
Efeito da PM
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador de 2 estágios - Projeto
Relações importantes
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
17
Amplificador de 2 estágios - Projeto
As relações acima presumem todos os transistores operando em saturação!
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador de 2 estágios - Especificações
• Para o projeto de um amplificador de
compensação Miller assume-se a seguinte
especificação como dada:
–
–
–
–
–
–
–
Ganho em DC, Av(0)
Largura de Banda, GB
Faixa de tensão de modo comum, ICMR
Capacitância de carga, CL
Slew-rate, SR
Excursão de tensão de saída
Potência dissipada, Pdiss
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
18
Amplificador de 2 estágios - Projeto
Visão geral do procedimento de projeto
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador de 2 Estágios - Projeto
• Escolha o L a ser utilizado a fim de obter o parâmetro λ
(CLM)
• Determine o valor do Cc
– Polo p2 2,2 x GB fornece uma MF ≥ 60o
– Zero z1 (SPD) colocado a pelo menos 10 x GB
– Cc ≥ 0,22 CL
•
Determine I5 utilizando o SR requerido
– I5 = SR(Cc)
– Se o SR não for fornecido, empregue informações relacionadas
ao settling time.
• 10 vezes mais rápido que o ts requerido para 50% da excursão.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
19
Amplificador 2 estágios - Projeto
• Determinação da dimensão de M3
– Excursão máxima de CM de entrada
• O dimensionamento de M1 e M2 obedece os
requisitos dados por pelo ganho e GB
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador 2 estágios - Projeto
• Dimensionamento de M5
– Requisitos de ICMR mínimo
• Se o VDS5 resultante for muito baixo (<100mV) resulta em
transistores muito grandes.
• Se VDS5 <0, ICMR mínimo não pode ser atingido.
• Solução: Aumentar o tamanho de M1 e M2.
– Isto reduz VGS de M1 e M2. Sobra mais espaço de tensão para
excursão de M5.
– Isto impacta nos passos anteriores
– Passos anteriores devem ser revistos
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
20
Amplificador 2 estágios - Projeto
• Dimensionamento de M6
– Define a posição do polo p2
– MF 60o implica em p2 ≥ 2,2GB
– O tamanho de M3 é conhecido
– Para uma condição balanceada
– I6 é definida pelo espelhamento da corrente do
primeiro estágio para a carga e pela excursão de
saída.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador de 2 estágios - Projeto
• A corrente I6 e o tamanho de M6 devem
satisfazer a questão de excursão de saída
também
– A potência dissipada deve ser verificada, pois
normalmente o segundo estágio é que consome mais
• Dimensionamento de M7
– Balanceamento de corrente
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
21
Amplificador de 2 estágios - Projeto
• Aqui fecha a primeira rodada de projeto, ou
seja, de definição dos W/L dos transistores
• Agora vem a parte de verificação do projeto
– Atende ou não as especificações
• Checagem do ganho
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador de 2 estágios - Projeto
• Se o ganho estiver muito baixo
– Vários pontos podem ser alterados para melhorá-lo
Correlação entre as características dos dispositivos e o desempenho global
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
22
Tipos de Amplificadores
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Tipos de Amplificadores
Single Input - Single Output
Fonte Comum
Cascode Regulado
Folded Cascode
Pseudo Diferenciais
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
23
Tipos de Amplificadores
Diferenciais completos
Fonte Comum
Folded Cascode
Cascode Regulado
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Fontes Referência
Tensão e Corrente
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
24
Definição
• O que é uma fonte de
referência?
– É uma fonte independente
de tensão ou corrente que
tem alto grau de
estabilidade e exatidão.
• Requisitos de uma fonte
de referência
– Deve ser independente
•
•
•
•
fonte de alimentação
da temperatura
de variações do processo
de ruído e outras
interferências.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Exemplos de Variações
• Processo
– Altera K’, Vt e λ
• Esta variações alteram o regime de corrente e tensão dos
xtores.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
25
Exemplos de Variações
• Fonte alimentação
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
26