CAP 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MLTIPLOS ESTGIOS

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 1 O ESTÁGIO VI (DIFERENCIAL) 2 O ESTÁGIO TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES ESTÁGIO DE SAÍDA VO 3

1. 1 CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO ESPELHO DE CORRENTE MOS M 1 sempre saturado M 2 saturado TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 4

Efeito de VO sobre IO TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 5

Circuito guia de corrente CMOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 6

ESPELHO DE CORRENTE COM TBJ IC 1 IREF VCB=0 VO IC 1 IREF IC 1 IC 2=IO Q 1 Q 2 IE 1 IB 2 IE 2 -VEE Q 1 Q 2 na região ativa Efeito Early desprezível VBE 1 Q VBE 1 IC 1 = IC 2=IC IB 1 = IB 2=IB Para >>1 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 7

Considerando o efeito Early i. C 1/r 0 -VA VCEsat IREF v. CE VO IC 1 IC 2=IO Q 1 Q 2 IE 1 IB 2 IE 2 -VEE TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 8

Uma fonte de corrente simples VCC R IREF Q 1 IO VO Q 2 + VBE - Modelo equivalente CC, válido para Q 2 na região ativa TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES IO 9

Circuitos guias de corrente Considerando todos os transistores idênticos e muito alto: TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 10

1. 2 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 compensação da corrente de base TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 20

Espelho de corrente de Wilson IREF IO Q 3 Q 2 Q 1 A vantagem deste espelho de corrente é sua maior resistência de saída RO TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES Problema: erro devido ao efeito Early 21

Espelho de corrente de Wilson melhorado IREF Q 4 IO + - VBE Q 2 Q 3 + VBE Q 1 + VBE - TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 22

Fonte de corrente de Widlar TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 23

Exemplo: VCC=10 V; IO=10 A a) Fonte de corrente simples Assumindo VBE=0. 6 V R IREF IO VO b)Fonte de corrente de Widlar Escolhendo IREF=1 m. A R 1 Q 1 Q 2 + VBE I 1 + VBE 1 - VCC IO Q 2 + VBE 2 - R 2 Q 1 Q 2 - TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 24

Resistência de saída da fonte de corrente de Widlar + r - v - gmv r o vx RE TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 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 v. E TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 29

CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA 1 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 30

1. 6. 2 PAR DIFERENCIAL COM TRANSISTOR MOS Q 1 Q 2 Q 1 e Q 2 saturados Fonte de corrente ideal VA TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 31

Combinando as equações 1, 2 e 3 e considerando que no ponto quiescente tem-se TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 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 + r RC + - v. O 1 + - v. O 2 r - - R TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES + i. R=0 37

Análise de pequenos sinais Ganho de modo diferencial r + - RC + - Obs. : Se a saída tomada for simples o ganho diferencial será: TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 38

Ganho de modo comum VCC RC RC vc 1 Q 2 vicm R vc 2 I -VEE 2 R 2 R I/2 -VEE vc 1=vc 2=vocm TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 39

Meio circuito equivalente AC para análise de modo-comum vicm + + r - v - gmv RC vocm - 2 R TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 40

CMRR: razão de rejeição de modo comum Os sinais de entrada contêm usualmente uma componente de modo diferencial e uma de modo comum TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 41

Resistência de entrada de modo diferencial Resistência de entrada de modo comum As correntes de pequenos sinais que fluem quando tensões diferenciais e de modo comum são aplicadas são TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 42

Circuito equivalente de pequenos sinais para entrada de um amplificador diferencial Rid 1 Ricm 2 Ricm Modelo TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 1 ~ Rid/2= r 2 Ricm/2 R( O+1) Modelo T 43

Exemplo +VCC = 15 V RC = 10 k RE = 150 R = 200 k I = 1 m. A RC RC + vo - RS Q 1 Q 2 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 vo 1 + Q vo 2 vod Q 2 1 v 2 v 1 I -VSS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 45

Operação em pequenos sinais do amp. dif. MOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 46

Ganho de modo diferencial + R Vid/2 D - + gmvid/2 RD Vod/2 - Vod/2 Q 1 vid 2 Considerando saída simples: TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 47

Ganho de modo comum (considerando saída simples) + Vicm RD + gmvgs - RD Vocm - 2 R vic 2 R TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 48

CMRR (considerando saída simples) Resistência de entrada de modo diferencial Resistência de entrada de modo comum TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 49

1. 6. 5 CARACTERÍSTICAS NÃO IDEAIS DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL Tensão de offset (VOS) VCC RC 1 VCC RC 2 - VOD + RC 1 RC 2 0 V Q 1 Q 2 + Q 1 Q 2 VOS - I -VEE VOS é a tensão que deve ser aplicada à entrada de modo que a tensão na saída seja igual a zero TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 50

VOS é devida ao descasamento nos resistores e nos transistores ANÁLISE 1) Descasamento nos resistores e transistores casados TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 51

2) Descasamento nos transistores e resistores casados TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 52

Correntes de polarização de offset de entrada Perfeitamente simétrico Descasamento em Corrente de offset TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 53

Correntes de polarização IB 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 m. A. TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 54

Tensão de offset Descasamento em RD, W/L e Vt 1. Descasamento em RD +VDD RD 1 RD 2 vo 1 vo 2 + vod Q 1 Q 2 Dividindo pelo ganho gm. RD I -VSS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 55

2. Descasamento em W/L TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 3. Descasamento em Vt 56

Exemplo 6. 3 – Sedra Smith (p. 484) TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 57

1. 7 O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA Q 1 Q 2 e Q 3 Q 4 Vo é tal que Q 2 e Q 4 operam na região ativa VCC Q 3 i. C 4 i. C 3 Q 4 IB desprezível i. O + i. C 1 i. C 2 Q 1 Q 2 - VO I -VEE Transcondutância em curto-circuito TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 58

Ganho de tensão em circuito aberto Modelo para pequenos sinais + + Vid - Ri RO Gm vid TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES v. O - 59

Amplificador diferencial CMOS com carga ativa v. O VDD + vid M 4 - M 3 Gmvd RO i. D 1 + VG 1 - M 1 i. D 2 M 2 + - VG 2 I VSS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES 60

Amplificador diferencial cascode ix + r 3 v 3 - gm 3 v 3 ro 3 vx ro 1 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 m. A = 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