Lectura

86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores
Clase 19–1
Clase 19- Aplicación de transistores a
circuitos analógicos (II)
Amplificador Source-Común y
Emisor-Común
y Fuentes de Corriente
Última actualización: 2◦ cuatrimestre de 2014
Contenido:
1. Efecto de la carga en el amplificador
2. Amplificadores con fuentes de corriente
3. Referencia de tensión
4. Fuente de corriente espejo simple
Lectura recomendada:
Howe and Sodini, Ch. 8, §§8.1-8.6, Ch. 9, §§9.4
86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores
Clase 19–2
Preguntas disparadoras
• ¿Qué sucede si se conecta una carga no despreciable
al amplificador?
• ¿Cómo se puede aumentar la ganancia?
• ¿Cómo puede implementarse una fuente de corriente
con transistores MOS?
86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores
Clase 19–3
1. Efecto de la carga
VDD
VCC
RD
RC
iR
iR
vout
Signal Source
iD
Rs
vs
RL
vs
iC
iB
RL
vIN
+ VB
−
Rs
vs
Rs
vIN
+ VG
−
vout
Signal Source
ig/b
vin
id/c
gm × vgs/be
ro
RD/C
RL
vout
La polarización no cambia gracias al capacitor de desacople. El transistor está cargado sólo por RD/C .
El efecto de la carga se manifiesta en el análisis de pequeña
señal. ⇒ La recta de carga cambia respecto de la de polarización. Ahora el transistor está cargado por RD/C //RL.
Definimos Rda/ca = RD/C //RL.
• El punto Q no se ve afectado si colocamos un capacitor
de desacople.
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Clase 19–4
iD/C
RCD: pendiente = −1/(RD/C //RL )
ID/C
Q
VDS/CE
RCE: pendiente = −1/RD/C
VDD/CC
vDS/CE
• Máxima excursión de señal de entrada:
– El máximo vgs/be no se ve afectado.
• Máxima excursión de señal de salida:
– El lı́mite superior (corte) está
impuesto por el divisor resistivo:
vOU T,max = VOU T + ID/C (RD/C //RL)
– El lı́mite inferior (triodo) no es afectado por la
carga:
vOU T,min = Vsat
• Ganancia de tensión con carga RL:
En el análisis, sólo cambia RD/C por Rda/ca:
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Clase 19–5
vout
= −gm(ro//RD/C //RL)
Avo =
vin
• Resistencia de entrada
La malla de salida no afecta a la entrada, por lo que
RIN no cambia
• Resistencia de salida
Se define la resistencia de salida como aquella que “ve”
la carga, por lo tanto tampoco cambia.
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Clase 19–6
2. Amplificador source común con fuente de
corriente
Analizamos únicamente al transistor MOS porque es una
implementación más usual en circuitos integrados. Los
conceptos igualmente también se aplican al amplificador
emisor común.
Análisis de la recta de carga resultante:
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Clase 19–7
Ante una mı́nima variación en VGS se obtiene un gran
cambio en VOU T → muy elevada |Avo|.
Las fuentes de corriente presentan una alta resistencia
(roc).
Reemplazando en la expresión RD por roc la ganancia de
tensión del amplificador source-común sin carga resulta:
|Avo| = gm(ro//roc)
En este caso, ro ya no es despreciable frente a roc.
Como en general roc RD , |Avo| es significativamente
superior que para el amplificador con carga resistiva RD .
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Clase 19–8
• Relación entre las figuras de mérito del Amplificador
Source Comun y los parmetros del dispositivo:
Recordamos:
v
u
u
u
u
t
W
gm = 2 µnCoxID
L
L
1
∝
ro '
λnID ID
Luego:
Parámetros∗
dispositivo
ISU P ↑
W ↑
µnCox ↑
L↑
Parametros del circuito
|Avo|
Rin Rout
gm(ro//roc) ∞ ro//roc
↓
↓
↑
↑
↑
↑
∗
haciendo los ajustes en VGG tal que ninguno de
los otros parametros se modifiquen
La pregunta que resta responder es, ¿cómo implementamos una fuente de corriente?
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Clase 19–9
3. Fuentes de corriente
2 Requisitos de una fuente de corriente:
• Una corriente constante y conocida con precisión
• Que la corriente no dependa de la tensión de salida
(= alta resistencia interna).
Caracterı́sticas I–V de la fuente de corriente:
Modelo circuital equivalente del generador de corriente:
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Clase 19–10
2 El transistor MOS como fuente de corriente:
iOU T
iOU T
+
VREF
−
+
vOU T
−
VGS = VREF
IDSAT
1
ro
VDSSAT
iOU T
vOU T
1
W
2
= µ Cox (VREF −VT ) 1 + λ(vOU T − VDSSAT )
2
L
Caracterı́sticas:
• El valor de la corriente de salida es iD y está definido
por una tensión de referencia VREF .
• El transistor funciona como fuente de corriente en
régimen de saturación.
• Hay un valor mı́nimo de tensión de salida para el cual
la fuente funciona correctamente: vOU T = VDSSAT .
• Presenta una resistencia de salida ROU T = ro.
• El transistor N–MOSFET es un sumidero de corriente.
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Clase 19–11
2 Fuente de corriente P-MOSFET:
iOU T
Vdd
IDSAT
+
VREF
−
VGS = VREF − VDD
1
ro
iOU T
+
vOU T
−
VDD
vOU T
VDD + VDSSAT
1
W
iOU T = µCox (VREF −VDD −VT )2 1 − λ(vOU T − VDD − VDSSAT )
2
L
Caracterı́sticas:
• El valor de la corriente de salida es iOU T = −iD y está definido
por una tensión de referencia VREF .
• El transistor funciona como fuente de corriente en régimen de
saturación.
• Hay un valor máximo de tensión de salida para el cual la fuente
funciona correctamente: vOU T = VDD + VDSSAT .
• Presenta una resistencia de salida ROU T = ro.
• El transistor P–MOSFET es un fuente de corriente.
¿Cómo se implementa VREF ?
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Clase 19–12
2 Copia de corriente espejo simple:
iOU T
W
1
= µ Cox   (VREF − VT )2
2
L 2
IREF
1
W
= µ Cox   (VREF − VT )2
2
L 1




Entonces:
iOU T =
W
L
IREF W 2
L 1
iOU T se ajusta con IREF según la relación W/L de los MOSFETs:
Circuito espejo de corriente.
Es importante contar con transistores “bien apareados”: proporción
W/L muy controlada, mismo VT , tox, etc.
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2 Fuente de corriente P-MOSFET:
Fuente espejo con P-MOSFET :
Clase 19–13
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Clase 19–14
2 Múltiples fuentes de corriente
Dado que IG = 0, de una sola fuente de corriente es posible obtener
múltiples fuentes espejo:
IOU T n =
W
L
IREF W n
L R
La misma idea se aplica a fuentes de corriente NMOS:
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Clase 19–15
2 Múltiples fuentes y sumideros de corriente
Generalmente, en cualquier circuito se necesitan múltiples fuentes
que absorvan y entreguen corriente. Éstas se puede construir a partir
de una única fuente de corriente:
IOU T 1 =
IOU T 2 =
IOU T 4 =
W
L
IREF W 1
L R
W
L
IREF W 2
L R
W
L
IOU T 1 W 4
L 3
=
W
W
L 4 L 1
IREF W W L 3 L R
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Clase 19–16
4. El transistor MOS como referencia de tensión
2 Requisitos para una referencia de tensión:
• Una tensión constante y conocida con precisión
• Que la tensión no dependa de la corriente de salida (= baja
resistencia interna).
Caracterı́sticas I–V de una fuente de tensión:
Modelo circuital equivalente de un generador de tensión:
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Clase 19–17
2 Consideremos un N-MOSFET en “configuración diodo”:
Caracterı́sticas I–V: (válido si VGS > VT y VGD = 0)
ID =
W
W
µCox(VGS − VT )2 =
µCox(VDS − VT )2
2L
2L
Superado VT el MOSFET es similar a un “diodo” con caracterı́sticas
I–V cuadráticas.
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Clase 19–18
2 Analicemos la siguiente situación asumiendo que disponemos de
una fuente de corriente:
Analizando el circuito desde el punto de vista de las corrientes:
ID = IREF + iOU T
Luego VGS = VDS = vOU T se auto-ajusta para cumplir:
ID =
W
2L µCox (vOU T
− VT ) 2
(válido para vOU T > VT )
Despejando vOU T , considerando iOU T = 0:
vOU T = VT +
v
u
u
u
REF
u
tW
I
2L µCox
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Clase 19–19
vOU T es una función de IREF y del W/L del MOSFET:
• IREF ↑ ⇒ vOU T ↑
• W/L ↑ ⇒ vOU T ⇒ VT (menor dependencia de la corriente)
2 Análisis de pequeña señal:
Rout =
1
1
//ro '
gm
gm
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Clase 19–20
2 Considerando un P-MOSFET :
La misma idea y caracterı́sticas que un generador de tensión con
NMOS.
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Clase 19–21
2 Pero, ¿cómo generamos IREF ?
El circuito mas simple es:
IREF =
VDD −VOU T
R
VOU T = VT +
s
IREF
W µC
ox
2L
Para W/L grande, VOU T → VT
IREF '
VDD − VT
R
• Ventajas:
– IREF puede ser configurado mediante un resistor (externo o
interno “trimmeado”).
• Desventajas:
– VDD afecta IREF .
– VT y R dependen de la temperatura ⇒ IREF (T ).
En aplicaciones reales se utilizan circuitos para generar la IREF que
son independientes de VDD y de T .
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Clase 19–22
Principales conclusiones
• En los amplificadores, la carga puede modificar sus caracterı́sitcas:
Avo y lı́mites sin distorición.
• Polarizar un source común polarizado con una fuente de corriente facilita una polarización estable y puede mejorar su amplificación.
• Una copia de corriente se puede obtener a partir de una fuente
de corriente con un circuitocopia de corriente espejo.
• Se pueden obtener múltiples fuentes o sumideros de corriente, a
partir de una sola fuente de corriente de referencia.
• La “calidad” de estas fuentes de corriente se basa en que en la
tecnologı́a de circuitos integrados dispone de transistores “bien
apareados” dentro de un mismo chip, es decir: misma T emp,
mismo VT , mismo tox y relación controlable de W/L.
• Una referencia de tensión se puede obtener a partir de un MOSFET en “configuración diodo” en serie con una fuente de corriente de referencia.