Folded cascode R Vdd MOSFET di una struttura

Folded cascode R Vdd MOSFET di una struttura cascode siano dello stesso tipo. o Utilizzando un PMOS e un NMOS polarizzati attraverso un generatore di corrente si realizza il cosiddetto amplificatore folded cascode o E’ possibile utilizzare sia il PMOS che l’NMOS come dispositivi di ingresso Vdd o Non è necessario che i due Vout Vin M 1 M 2 Vb I 1 Ibias

Folded cascode R Vdd circuito non è dissimile da un amplificatore differenziale nella configurazione in cui l’ingresso è applicato solo ad uno dei due MOS o Si tratta sempre della cascata di uno stadio a source comune e di uno a gate comune o Il dispositivo carico può essere a sua volta realizzato nella versione cascode Vdd o Il funzionamento di questo Vout Vin M 1 M 2 Vb I 1 Ibias

Caratteristica di trasferimento o Per tensioni di ingresso V(out) 3. 3 V tali che M 1 sia interdetto si ha: Vout=Vdd-RDIbias o La scelta del valore di resistenza (o della corrente di polarizzazione) può essere fatta affinchè Vout=0 (funzionamento rail-to-rail) 1. 5 V 0. 0 V 0. 6 V 1. 2 V 1. 8 V 2. 4 V 3. 0 V

… o Non appena M 1 entra in conduzione (in pinch-off), la corrente avrà il solito legame quadratico con la tensione e di conseguenza anche la tensione di uscita sarà legata a quella di ingresso da un tale legame funzionale. o Non appena ID 1=Ibias, M 2 si spegne e la tensione di uscita si porta al valore Vdd o In questa zona M 1 si trova a funzionare in regione di triodo V(out) 3. 3 V 1. 5 V 0. 0 V 0. 6 V 1. 2 V 1. 8 V 2. 4 V 3. 0 V

Considerazioni o La versione folded-cascode consente il risparmio di un overdrive nel dispositivo amplificatore o Tale migliramento lo noteremo però soltanto in una configurazione differenziale o È necessario però progettare un generatore di corrente di polarizzazione per cui la potenza dissipata dovrà essere maggiore rispetto ad uno stadio cascode standard

Esercizio 2. La tensione minima sul nodo di uscita sia 0. 3 V Il guadagno sia 20 d. B al centro della caratteristica di trasferimento R Vdd 1. Vdd Dimensionare i mosfet di un amplificatore foldedcascode affinche: Vout Vin M 1 M 2 Vb Si assuma R=30 k e si consideri che il generatore di corrente Ibias necessita di almeno 200 m. V di caduta per funzionare correttamente I 1 Ibias

Soluzione 1. Per imporre Vout, min=0. 3 V è necessario scegliere una corrente di polarizzazione pari a 2. Tenendo conto che per far funzionare il generatore di corrente servono 200 m. V, bisognerà progettare l’NMOS per un overdrive pari a

… o Al centro della caratteristica di trasferimento la corrente di polarizzazione di dividerà in parti uguali tra I due rami. Per imporre il guadagno ricordiamo che

… o Ricordando che il guadagno deve essere pari a 20 d. B ovvero pari a 10 si avrà

Lezione VI Specchi di corrente passivi

Motivazioni o In un circuito integrato c’è necessità di avere a disposizione correnti di polarizzazione che: n n n Siano poco dipendenti dalla tensione di alimentazione Siano poco dipendenti da temperatura e parametri di processo Siano “a basso rumore”

o Il circuito in figura mostra una dipendenza della corrente di uscita del tipo Vdd Il semplice generatore di corrente NMOS Iout R 1 M 1 R 2 o Le dipendenza da processo e temperatura diventano critiche quando l’overdrive è piccolo

Vdd Lo specchio di corrente o Gli specchi si basano sul principio di “copia” di una corrente di riferimento. E’ facile dimostrare che: Iref Iout I o Nella realizzazione si cerca di mantenere uguali tutte le L per minimizzare gli errori dovuti alla differenza tra le lunghezze “disegnate” e quelle “reali” M 1 M 2

La caratteristica di uscita o E’ ovviamente la caratteristica di un MOS polarizzato a Vgs costante. La tensione Vgs è data dal MOS di riferimento che è polarizzato sempre in pinch-off. La pendenza in pinch-off è proprio la resistenza di carico che lo specchio presenterà al circuito. In questo semplice caso sarà proprio la r 0 o Ovviamente la minima tensione accettabile sul nodo di uscita è quella che mantiene il mosfet M 2 in zona di pinch-off (ancora l’overdrive!)

Sistemi di specchi M 6 Iout 2 M 7 Iout 1 Vdd A partire da una corrente di riferimento, si possono generare a piacimento correnti che viaggiano in zone diverse del circuito Iref 1 I M 4 M 3 M 5

Vdd Specchi di corrente come amplificatori (o carichi attivi) o Uno specchio di corrente può anche essere utilizzato per amplficare un segnale o Nel circuito in figura la corrente di drain di M 1 (IREF) è data da gm 1 Vin o LA corrente di drain di M 3 è legata a IREF tramite la relazione M 3 M 2 Vout RL Vin M 1 per cui la presenza dello specchio può aggiungere un ulteriore fattore all’amplificazione del circuito

Lo specchio cascode o In quello che abbiamo detto si è sempre trascurata la dipendenza della corrente di drain dalla modulazione di L o L’introduzione della configurazione cascode riduce la dipendenza della corrente di uscita dall’effetto di modulazione della lunghezza del canale

Specchio cascode specchio semplice implementando la configurazione cascode sul ramo di uscita o Se Vb è scelta in modo che VX=VY allora M 1 e M 2 lavorano alla stessa tensione VDS e quindi alla stessa corrente di drain o Questo viene ottenuto sacrificando la caduta di tensione (al fine di garantirne la sua permanenza in pinchoff) su M 3 che riduce l’output swing sul nodo di uscita Vdd o Si realizza a partire da uno Iout Iref Vb X M 1 M 3 Y M 2

Versione completa allora Vb-VGS 3=VX quindi per ottenere Vb bisogna aggiungere una VGS a Vx o La generazione di Vb la si può fare attraverso l’aggiunta di un altro MOSFET nel ramo di riferimento o Attraverso la scelta delle dimensioni di M 0 si fa in modo che VGS 0=VGS 3 o Dimostrare che deve essere (W/L)3(W/L)0= (W/L)2(W/L)1 Vdd o Siccome deve essere VX=VY Iref M 0 X M 1 Iout M 3 Y M 2

Layout o Si vedono chiaramente i quattro mosfet le cui gate sono connesse tra loro attraverso linee di polisilicio orizzontali o Le dimensioni dei mosfet sono tutte uguali tra loro (W=10λ, L=2 λ) o Ovviamente manca il generatore della corrente di riferimento e di conseguenza anche la linea di alimentazione

Caratteristica di uscita 33 u. A o In figura è riportato il confronto tra uno specchio semplice (curva blu) ed uno cascode (curva rossa) progettati per erogare la stessa corrente. Come si vede la configurazione cascode “scherma” l’effetto di modulazione del canale o Il problema di questa configurazione risiede nel ramo di polarizzazione che ha bisogno di due soglie di tensione in più oltre agli overdrive cascode semplice 30 u. A 27 u. A 24 u. A 21 u. A 18 u. A 15 u. A 12 u. A 9 u. A 6 u. A 3 u. A 0. 0 V 0. 6 V 1. 2 V 1. 8 V 2. 4 V 3. 0 V

Vdd Specchio cascode modificato (low-power) o Per limitare la caduta di tensione sullo specchio, ovvero eliminare il compromesso tra accuratezza e output swing, cominciamo a studiare una versione modificata del circuito cascode. Iref o In pratica bisognerà fare in modo che la tensione sul nodo di uscita sia data dalla somma degli overdrive dei due mosfet Vb M 0 o Ci preoccupiamo di stabilire quale valore di Vb garantisce che M 0 e M 1 funzionino in pinch-off M 1

(continua) Vdd o Affinché M 1 ed M 2 siano in saturazione deve essere Iref Ovvero mettendo insieme le due disuguaglianze X Vb M 2 x Che ha soluzione solo se: M 1 Bisognerà dunque, data Iref, dimensionare M 2 in maniera il suo overdrive non superi una soglia

(continua) o Mettiamo altri due mosfet in parallelo ad M 0 e M 1 e supponiamo che le dimensioni dei dispositivi impongano Vgs 0=Vgs 3 (ovvero VA=VB) o Se Vb=Vgs 0+Vgs 1 -VTH allora Vb=vgs 2+Vgs 3 -VTH e quindi il generatore cascode realizzato da M 2 e M 3 si trova polarizzato alla minima Vout necessaria a mantenere M 3 e M 4 in zona attiva (ovvero la somma degli overdrive di M 2 e M 3). Inoltre M 1 ed M 2 lavorano alla stessa Vds consentendo un’esatta replica di Iref out A B

2. 3. 4. Si sceglie l’overdrive complessivo del ramo di uscita e lo si suddivide tra I mosfet M 2 e M 3 Del momento che Vx=Vy allora anche l’overdrive su M 1 sarà pari all’overdrive su M 2 L’overdrive su M 0 sarà pari all’overdrive su M 3 im namiera da garantire che Vgs 0=Vgs 3 Infine si sceglie la tensione Vb pari alla soma degli overdrive più una soglia Vdd 1. Vdd Dimensionamento Iref R 1 M 0 M 3 Vb M 1 M 2

Caratteristica di trasferimento Id(M 3) 33 u. A o La caratteristica di trasferimento mostra l’assenza della zona in cui uno solo dei due mosfet era in zona di triodo. o Infatti, essendo polarizzati alla Vds minima, i dispositivi entrano simultaneamente in zona di triodo e rendono così minima la spesa in termini di caduta di tensione sullo specchio 30 u. A 27 u. A 24 u. A 21 u. A 18 u. A Quando Vout supera la somma degli overdrive di M 2, M 3 entrambi I mosfet di uscita si trovano in pinchoff 15 u. A 12 u. A 9 u. A 6 u. A 3 u. A 0. 0 V 0. 6 V 1. 2 V 1. 8 V 2. 4 V 3. 0 V