AMPLIFICADORES DE ACOPLO DIRECTO. FUENTES DE

1
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Dispositivos Electrónicos II
CURSO 2010-11
Tema
Tema 99
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES DE
DE
ACOPLO
ACOPLO DIRECTO.
DIRECTO.
FUENTES
FUENTES DE
DE
CORRIENTE
CORRIENTE
Miguel Ángel Domínguez Gómez
Camilo Quintáns Graña
DEPARTAMENTO DE
TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA
UNIVERSIDAD DE VIGO
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE
INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
2
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
INDICE
INDICE
DEDE-II
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORESDE
DEACOPLO
ACOPLODIRECTO.
DIRECTO.FUENTES
FUENTESDE
DE
CORRIENTE
CORRIENTE
9.1. Amplificadores de continua. Introducción.
9.2. Amplificador Darlington.
Tema 9: Amplificadores de acoplo directo
9.3. Amplificador diferencial.
9.3.1. Generalidades.
9.3.2. Ganancias en modo diferencial y modo común. Factor de rechazo en
modo común. Modelos de pequeña señal.
9.4. Fuentes de corriente.
9.4.1. Corriente de referencia y espejo de corriente. Fuente de corriente básica.
9.4.2. Fuentes de corriente de alta ganancia.
9.4.3. Fuente de corriente Widlar.
9.4.4. Fuente de corriente Cascodo.
9.4.5. Fuente de corriente Wilson.
9.4.6. Variaciones sobre las fuentes de corriente.
9.5. Amplificador diferencial con carga activa.
3
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
9.1.
9.1.Amplificadores
Amplificadoresde
decontinua.
continua.Introducción.
Introducción.
Necesidad de amplificar señales de muy baja frecuencia o de continua (dc) para:
- Circuitos para instrumentación.
- Adquisición de datos.
- Circuitos de video…
SOLUCIONES:
1. TRANSISTOR ÚNICO
Tema 9.1: Amplificadores de continua.
- Elevada ganancia.
- Adaptación de impedancias de entrada y salida.
2. VARIOS TRANSISTORES
-Acoplamiento directo.
VCC
VCC
VCC
R3
R3
Vi
R1
R1
Vo
Q1
Q2
R2
R2
Vo
Vo
Vi
Q2
Q1
Q2
Vi
R2
R4
0
R1
E-C
ADAPTACIÓN DE IMPEDANCIAS
Q1
0
C-E
0
E-E
ELEVADA GANANCIA
4
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
DIFICULTADES DEL ACOPLAMIENTO DIRECTO
a) Interacción entre etapas: No se puede considerar cada etapa como independiente
por lo que hay una mayor dificultad de cálculo de la polarización.
Tema 9.1: Amplificadores de continua.
b) Efectos de deriva por variación de los parámetros de los componentes activos.
Hay tres causas:
1. Parámetros diferentes debido al proceso de fabricación.
2. Efectos de las condiciones ambientales.
3. Envejecimiento.
c) Los errores producidos se propagan al resto de las etapas.
d) Se debe asegurar la estabilidad de las condiciones de reposo.
5
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
9.2.
9.2.Amplificador
AmplificadorDarlington
Darlington
ƒ Se acoplan dos seguidores de emisor en cascada
C
ƒ Proporciona un amplificador con:
• Elevada ganancia de corriente (hfe).
C
B
• Alta impedancia de entrada.
T1
B
• Baja impedancia de salida.
E
E
Tema 9.2: El amplificador Darlington.
T
T2
ESQUEMA BÁSICO:
Para simplificar se supone:
VCC
h fe1 ≅ h fe 2 = h fe
Ii
RS
T1
hoe1 ≅ hoe 2 = hoe
I2
+
T2
+
VS
Vo
V1
V2
-
-
0
Io
RE
hie1 = rbb ' + rb 'e = rbb ' +
VT 1 ⋅ h fe1
I C1
≅ hie 2 = hie
6
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
Circuito equivalente de pequeña señal para el amplificador Darlington
Segunda etapa:
AI 2 = 1 + h fe
0
I2
Ri 2 = hie 2 + (1 + h fe )⋅ RE
hfe*I2
hie2
(
)
hie 2 << 1+ h fe ⋅ RE
≅
(1 + h )⋅ R
fe
E
Primera etapa:
Tema 9.2: El amplificador Darlington.
RE
hie1
RS
I2
0
Ganancia de corriente:
Ecuaciones del nudo V1:
VS
AI 1 =
I2
I1
Ii
hfe*Ii
1/hoe
Ri2
0
⎛
1 ⎞
⎜
⎟⎟
I i + h fe ⋅ I i = V1 ⋅ ⎜ hoe +
Ri 2 ⎠
⎝
I i ⋅ (1 + h fe ) = I 2 ⋅ (1 + Ri 2 ⋅ hoe )
V1 = I 2 ⋅ Ri 2
1 + h fe
1 + h fe
1 + h fe
I
AI 1 = 2 =
=
=
I i 1 + Ri 2 ⋅ hoe 1 + hoe ⋅ (1 + h fe )⋅ RE 1 + hoe ⋅ RE + hoe ⋅ h fe ⋅ RE
hoe ⋅ RE <<1
≅
1 + h fe
1 + hoe ⋅ h fe ⋅ RE
7
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
Ganancia total de corriente del amplificador Darlington:
AI 2 =
Io
= 1 + h fe
I2
;
AI 1 =
1 + h fe
I2
=
I i 1 + hoe ⋅ h fe ⋅ RE
(1 + h fe )
I
I I
AI = o = AI 1 ⋅ AI 2 = 2 ⋅ o =
Ii
I i I 2 1 + hoe ⋅ h fe ⋅ RE
2
Tema 9.2: El amplificador Darlington.
Impedancia de entrada:
Ri =
Vi
Ii
;
Vi = I i ⋅ hie1 + I 2 ⋅ Ri 2 = I i ⋅ hie1 + AI 1 ⋅ I i ⋅ Ri 2 = I i ⋅ (hie1 + AI 1 ⋅ Ri 2 )
Ri = hie1 + AI 1 ⋅ Ri 2 = hie1 +
1 + h fe
1 + hoe ⋅ h fe ⋅ RE
⋅ (1 + h fe )⋅ RE
hie1 << AI 1 ⋅ Ri 2
≅
(1 + h ) ⋅ R
2
fe
1 + h fe ⋅ hoe ⋅ RE
Ganancia de tensión:
AV =
R
R
Vo Vo V2 I o ⋅ RE I 2 ⋅ Ri 2
= ⋅ =
⋅
= AI 2 ⋅ AI 1 ⋅ E = AI ⋅ E
Vi V2 Vi I 2 ⋅ Ri 2 I i ⋅ Ri1
Ri1
Ri
(1 + h fe ) ⋅ 1 + h fe ⋅ hoe ⋅ RE ⋅ R = 1
V
AV = o ≅
E
Vi 1 + hoe ⋅ h fe ⋅ RE (1 + h fe )2 ⋅ RE
2
E
8
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
Impedancia de salida de la primera etapa Ro1:
hie1
RS
Ii
VS
hfe*Ii
R01
Tema 9.2: El amplificador Darlington.
0
Ro1 =
V01
Ii
1/hoe
Io1
hie1
RS
hfe*Ii
1/hoe
0
Vo1
I o1
I o1 + I i + h fe ⋅ I i − Vo1 ⋅ hoe = 0
I o1 = Vo1 ⋅ hoe
1 + h fe ⎞
⎛
− Vo1
⎜
⎟⎟
(
)
⋅ 1 + h fe = Vo1 ⋅ ⎜ hoe +
o1 ⋅ hoe −
RS + hie1
RS + hie1 ⎠
⎝
− I ⋅ (1 + h ) = V
Ro1 =
i
fe
Vo1
RS + hie1
R + hie1
1
≅ S
=
=
1 + h fe
I o1
1 + h fe + hoe ⋅ (RS + hie1 ) 1 + h fe
+ hoe
RS + hie1
9
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
Impedancia de salida global:
hie2
Ro1
V01
I2
hfe*I2
Tema 9.2. El amplificador Darlington.
Vo
Io
hfe*I2
R0
0
Ro =
V0
I2
RE
Io
hie2
Ro1
RE
0
I o + I 2 + h fe ⋅ I 2 − Vo ⋅ RE = 0
1 + h fe ⎞
⎛ 1
Vo
Vo
− Vo
⎜
⎟⎟
(
)
(
)
Io =
⋅ 1 + h fe = Vo ⋅ ⎜
+
− I 2 ⋅ 1 + h fe =
−
RE
RE Ro1 + hie 2
⎝ RE Ro1 + hie 2 ⎠
Ro =
Vo
1
=
1 + h fe
1
Io
+
RE Ro1 + hie 2
⎛ RS + hie1
⎞
⎜
RE ⋅
+ hie 2 ⎟
⎜
⎟
1 + h fe
RE ⋅ (Ro1 + hie 2 )
⎝
⎠
=
=
Ro1 + hie 2 + RE ⋅ (1 + h fe ) RS + hie1 + h + R ⋅ (1 + h )
ie 2
E
fe
1 + h fe
[
]
RE ⋅ RS + hie1 + hie 2 ⋅ (1 + h fe )
Vo
Ro =
=
I o RS + hie1 + hie 2 ⋅ (1 + h fe ) + RE ⋅ (1 + h fe )2
10
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
GENERALIDADES
GENERALIDADES
DEDE-II
9.3.
9.3.El
Elamplificador
amplificadordiferencial
diferencial
• Un amplificador diferencial tiene dos terminales de entrada.
• Idealmente, la señal de salida es una constante multiplicada por la diferencia de
las señales de entrada.
• Es un montaje simétrico que intenta minimizar los efectos de la deriva.
+
Vid
Tema 9.3. El amplificador Diferencial.
V1
-
+
Vo
Ad
-
V1 es la entrada no inversora
V2
V2 es la entrada inversora
Amplificador con entrada y salida diferencial
Vid
V2
Vid es la entrada diferencial
Vid = (V1 − V2 )
Vo = Ad ⋅ (V1 − V2 ) = Ad ⋅ Vid
+
V1
Ad es la ganancia diferencial
Ad
+
Vo
Amplificador con entrada diferencial y salida en modo común
11
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
Vid
2
+
-
Vid
2
+
-
+
V2 Vid
Vid
2
Vimc
+
-
+
-
Vimc
Ad
+
V2 Vid
+
-
−
-
Vid
2
V1
+
-
V1
+
-
Tema 9.3. El amplificador Diferencial.
V1
Vo
-
Vid
2
+
-
Vid
2
+
-
Vo
-
V2 Vid
V1
+
Ad
+
Vid
2
+
-
-
+
V2 Vid
−
-
Vo
Ad
+
+
-
GENERALIDADES
GENERALIDADES
Entradas en modo común y en modo diferencial
-
+
Ad
Vid
2
El generador Vimc es la entrada en modo común que es
igual para la entrada inversora y no inversora.
Vo
-
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
GANANCIAS
GANANCIAS
DEDE-II
V1
Vid
2
Vimc
V2 Vid
+
-
+
-
Vimc
Tema 9.3. El amplificador Diferencial.
+
+
-
12
−
+
Ad , Ac
-
Vo
V1 =
-
Vid
+ Vimc
2
V2 = −
Vid
2
V1 + V2 = 2 ⋅ Vimc
Vid
+ Vimc
2
Vimc =
V1 + V2
2
Ac es la ganancia en modo común. Interesa que sea lo más
baja posible. La ecuación general queda:
+
-
Vo = Ad ⋅ Vid + Ac ⋅ Vimc = Ad ⋅ (V1 − V2 ) + Ac ⋅
V1 + V2
2
Casos extremos para las entradas del amplificador diferencial
Entrada en modo común Vimc nula
V1
Vid
2
+
-
Vid
2
+
-
+
V2
Vid
-
Entrada en modo diferencial Vid nula
V1
+
Ad
Vo
+
V2
-
Vimc
+
-
Vid
+
Vo
Ac
-
-
Este montaje se utiliza para evaluar la
ganancia en modo común, conectando
un generador a las dos entradas
cortocircuitadas
13
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
FACTOR DE
DE RECHAZO
RECHAZO
FACTOR
DEDE-II
Razón de rechazo en modo común o CMRR (Common Mode Rejection Ratio )
• Es la relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia
en modo común. Normalmente se expresa en dB.
• Interesa que la CMRR sea lo mas alta posible.
Tema 9.3. El amplificador Diferencial.
CMRR = 20 ⋅ log
Ad
Ac
[dB ]
14
DEDE-II
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Ejemplo de simulación. Evaluación de la ganancia diferencial.
MONTAJE BÁSICO
BÁSICO
MONTAJE
VCC
5.0 V
R1
0V
100k
100k
Vo1
Vo2
-5.0 V
V1
Q1
Q2
Q2N2222A
V2
20 mV
VAMPL = 0.01V
FREQ = 1k
R3
100k
V3
0V
VAMPL = 0.01V
FREQ = 1k
VEE
VCC
V(VO1,VO2)
(250.6 us, 20.0 mV)
Q2N2222A
V2
Tema 9.3. El amplificador Diferencial.
(750.6 us, 4.89 V)
R2
0
V1
-20 mV
0s
0.5 ms
V(V1) V(V2) V(V1,V2)
1.0 ms
Time
1.5 ms
A partir de la gráfica se deduce la ganancia
diferencial:
15V
0
V4
15V
VEE
Sistema de alimentaciones
simétricas.
2.0 ms
Ad =
V0 d
4.89
=
= 244.5
Vid 0.020
15
MONTAJE BÁSICO
BÁSICO
MONTAJE
DEDE-II
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Ejemplo de simulación. Evaluación de la ganancia en modo común y la CMRR.
350 mV
R1
R2
100k
95k
Vo1
325 mV
Vo2
Q1
300 mV
Q2
Q2N2222A
Tema 9.3. El amplificador Diferencial.
(254.4 us, 349.9 mV)
VCC
1.0 V
(766.6 us, 308.9 mV)
V(VO2,VO1)
Q2N2222A
R3
0V
100k
VEE
-1.0 V
Vc
0s
V(VC)
0.5 ms
1.0 ms
Time
1.5 ms
V2
VAMPL = 1V
FREQ = 1k
0
En simulación los transistores son
idénticos, al igual que las resistencias de
colector. Bajo estas condiciones la Ac sería
nula, por ello se ha variado la resistencia
R2, para que no sea ideal el amplificador.
0.3499 − 0.3089
V
2
= 0.0205
Ac = 0 d =
1
Vic
CMRR = 20 ⋅ log
244.5
= 81.5 dB
0.0205
2.0 ms
16
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
VCC
PUNTO DE
DE TRABAJO
TRABAJO
PUNTO
DEDE-II
RC
RC
R
IB2
IB1
T1
IE =
R
T2
VBE
Vp
0
RE
− VEE − VBE
RE
Vp
Vp
IE
Tema 9.3. El amplificador Diferencial.
Si Vp ~ constante y R se puede
despreciar, entonces la corriente a
través de la resistencia de emisor
queda:
IE
RE
I E1 = I E 2 =
IE
2
IE
VCC = +15 V
VEE = -15 V
VEE
VEE
VEE
Ejemplo (alimentaciones: VCC= 15 V, VEE= -15 V):
IE =
− (−15 V ) − 0.7 V
= 143 µA
100 kΩ
• Como T1 no es idéntico a T2 las corrientes de polarización de base tampoco lo
son. Se llama corriente de asimetría o de offset a:
I B1 − I B 2 = I io ( Input Offset )
• Se toma como corriente de polarización de entrada la media de las dos entradas:
I B1 + I B 2
= IB
2
17
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 9.3. El amplificador Diferencial.
Modelos de
de pequeña
pequeña señal
señal
Modelos
DEDE-II
VCC
Vod
2
+
Vo1
V1
Vd
2
Vc
Vod
2
Rc1
Vo
T1
Rc2
+
T2
i1
+
Vo2
V2
i2
ie2
ie1
+
Si se considera la corriente por cada
emisor igual a la mitad de la de la
resistencia RE, entonces en
condiciones ideales se puede dividir
el circuito de dos ramas de la
siguiente forma:
RE
0
VEE
Vd
2
+
+
VCC
VCC
-
Vc
Rc1
0
T1
Para analizar las ganancia del circuito, bien sea en
modo común bien en modo diferencial, se debe toma
el modo de la salida de la misma forma, por ejemplo
en modo diferencial:
Vo = Vod = Vo 2 − Vo1
Vod
2
Rc2
+
Vo2
T2
2*RE
VEE
2*RE
VEE
18
Modelos de
de pequeña
pequeña señal
señal
Modelos
DEDE-II
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Análisis de la ganancia en modo común
VCC
+
+
Rc
Voc =
Rc
Voc
-
T2
+
0
Vc
2*RE
0
2*RE
Tema 9.3. El amplificador Diferencial.
hfe*Ib
hie
Vc
VEE
0
0
AV =
− h fe ⋅ Rc
Voc
=
Vc hie + 2 ⋅ RE ⋅ (1 + h fe )
Ac =
Vod
2 ⋅ Voc
R
=
≅ c
Vc
Vc
RE
Conclusiones:
• Como interesa una ganancia en modo común lo más baja posible, entonces RE
debe ser lo más alta posible. Pero con este circuito si se aumenta la resistencia de
emisor se disminuye la corriente de polarización y no interesa disminuir el punto de
trabajo de los transistores.
• Es sustituir la resistencia RE por una fuente de corriente que se configure para la
corriente de polarización deseada y, al mismo tiempo, tiene una resistencia
idealmente infinita.
Vod
2
19
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Modelos de
de pequeña
pequeña señal
señal
Modelos
DEDE-II
Análisis de la ganancia en modo diferencial
Vd/2 en T1 hace aumentar la corriente y Vd/2 en T2 la hace disminuir en el mismo valor
que aumenta en T1, por lo que IRE se mantiene constante. Como en alterna IRE no varía,
se puede poner a masa:
VCC
Vod
2
+
Tema 9.3. El amplificador Diferencial.
Vo1
V1
Vd
2
+
Vod
2
Rc1
Vod
T1
Vd
2
Rc2
ie2
0
0
0
0
La ganancia de tensión de la rama de
la derecha es:
Vd
2
+
0
RE
Vod
2
Rc
-
T2
ie1
hfe*Ib
+
+
i1
+
hie
Vod
AV =
VEE
La ganancia diferencial resulta ser: Ad =
⎛ Ad
CMRR = 20 ⋅ log⎜⎜
⎝ Ac
h fe ⋅ Rc
2 = − h fe ⋅ I b ⋅ Rc
V
hie ⋅ I b
− d
2
hie
⎞
⎛h ⋅R
⎟⎟ = 20 ⋅ log⎜⎜ fe E
⎠
⎝ hie
⎞
⎟⎟
⎠
20
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
VCC
Tema 9.3. El amplificador Diferencial.
Polarización mediante
mediante
Polarización
fuente
de
corriente
fuente de corriente
Sustitución de RE por una fuente de corriente
VCC
Rc1
Rc1
V1
Vd
2
T1
Vod
-
Rc2
Vod
Rc2
V1
+
Vd
2
T2
+
Vd
2
+
IE
T1
T2
-
+
IE
0
T3
Vd
2
+
R1
VB
0
+
0
VBE
0
0
+
R2
R3
Z eq ≅
VEE
R1
VB = −VEE ⋅
R1 + R2
− VEE ⋅
IE =
;
VB = VBE + I E ⋅ R3 − VEE
VEE
⎛
R1 ⎞
R1
⎟⎟ − VBE VEE ⋅ R2 − VBE
+ VEE − VBE VEE ⋅ ⎜⎜1 −
R1 + R2
R1 + R2
⎝ R1 + R2 ⎠
=
=
≅ cte
R3
R3
R3
1
hoe
21
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
9.4.
9.4.FUENTES
FUENTESDE
DECORRIENTE
CORRIENTE
Las fuentes de corriente se utilizan en los circuitos integrados:
1.
Para proporcionar las corrientes de polarización en zona activa de los
transistores.
2.
Como cargas activas para aumentar la ganancia de los amplificadores.
Los subcircuitos principales de la fuentes de corriente son:
Tema 9.4. Fuentes de corriente.
1.
2.
La corriente de referencia IREF que debe ser independiente de:
•
La temperatura.
•
De la variación de los parámetros de los dispositivos.
Espejo de corriente.
•
Copia IREF hacia otra rama del circuito.
•
El elemento esencial es el transistor conectado como diodo.
22
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Tema 9.4. Fuentes de corriente.
Fuente de
de corriente
corriente básica
básica
Fuente
DEDE-II
9.4.1.
9.4.1.Fuente
Fuentede
decorriente
corrientebásica.
básica.
1
hoe
Ruptura
Zona de trabajo
Característica de salida
Circuito del espejo de corriente
• Las corrientes de base se pueden despreciar para transistores con hfe grande.
• VBE idéntica en ambas expresiones (las dos uniones BE están en paralelo).
• Tensión equivalente de temperatura VT=k*T/q . Idéntica si los transistores están
próximos en el integrado.
• Corrientes de saturación. Pueden ser idénticas, dando lugar a Io=IREF, o las áreas
de la unión pueden estar escaladas para introducir un factor de escala.
• Para que los transistores estén en zona activa:
I REF = I C1 = I SatQ1 ⋅ e
VBE
VT
I o = I C 2 = I SatQ 2 ⋅ e
VBE
VT
23
Ganancia de
de la
la fuente
fuente de
de
Ganancia
corriente
básica
corriente básica
DEDE-II
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Deducción de la ganancia de la fuente de corriente básica
2⋅ IE
β +1
I REF
β
β +1
Io
I E = I B + I C = I B ⋅ (1 + β )
⋅ IE
I E = I B + IC =
T1
T2
IE
β +1
IE
IE
β +1
IC
β
+ IC =
IB =
β +1
⋅ IC
β
IC =
IE
1+ β
β
β +1
IE
Tema 9.4. Fuentes de corriente.
0
T1 y T2 son muy parecidos y están a la misma temperatura, entonces: VBE (T1 ) ≅ VBE (T2 )
Ganancia de corriente:
I REF =
β
β +1
⋅ IE + 2⋅
β
1
β +2
⋅ IE =
⋅ IE
β +1
1+ β
I o = I C (T 2 ) = β ⋅ I B = β ⋅
β
IE
=
⋅ IE
1+ β 1+ β
AI =
Io
I REF
⋅I
β
β +1 E
=
≅1
=
β +2
β
+
2
⋅I
β +1 E
I o = I REF ⋅
β
β +2
También se pueden diseñar los transistores para que la relación de las corrientes no sea
unitaria, si no cualquier otra que se desee.
⋅ IE
24
DEDE-II
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Establecimiento de la referencia de corriente IREF
Espejo básico
básico
Espejo
Mediante una resistencia R que se calcula a partir de
Vcc y de la Io deseada:
Vo
VCC
Io
I REF
R
VCC − 0.7
≅ cte
R
A
T1
Nota: La fuente de corriente presentada se
comporta, en realidad, como un consumidor de
corriente, no como una fuente. Utilizando
transistores PNP se puede obtener una fuente de
corriente equivalente a este consumidor:
T2
0
Tema 9.4. Fuentes de corriente.
I REF = I o =
VBE ≅ 0.7 V
Fuente de corriente básica con
transistores NPN
0
Ro
A
A
Ro
Io
+
R
+
0
Io
Vth = V A = I o ⋅ Ro
0
Ro =
Equivalentes Norton y Thévenin de la salida
1
hoe
VEE
Fuente de corriente básica con
transistores PNP
25
Espejo básico
básico
Espejo
DEDE-II
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
Ejemplo más realista: Diseñar una fuente de Io=5 µA.
Datos: VCC=30 V, VCE1=VBE1=VBE2= 0.7 V, Ro=30 MΩ, βmedia=100, VCE2=20 V.
Vo
VCC
Io
I REF
30 − 0.7
= 5.75 MΩ
5 µA
R
A
T1
Tema 9.4. Fuentes de corriente.
R=
Vth = 5 µA ⋅ 30 MΩ = 150 V
T2
0
Si se tiene en cuente la resistencia de salida del transistor la corriente
esperada de salida se ve aumentada en :
VCE 2
20 V
=
= 0.66 µA
Ro 2 30 MΩ
Conclusiones: (1) El resistor R necesario es demasiado elevado y ocuparía demasiado
espacio en circuito integrado. Por tanto, esta fuente se utiliza para valores de corrientes
del orden del mA.
(2) Si la salida de la fuente está en circuito abierto, la tensión de salida no es -150 V
como indica la deducción teórica, más bien sería la VCEsat, esto es, unos 0.2 V.
26
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
9.4.2.
9.4.2.Fuente
Fuentede
decorriente
corrientede
dealta
altaganancia.
ganancia.
• En la fuente de corriente básica la corriente
de referencia y la de salida difieren en un
factor:
β
I o = I REF ⋅
β +2
Tema 9.4. Fuentes de corriente.
• Si la ganancia no es muy elevada la error
puede ser significativo.
• Se propone incrementar la ganancia
añadiendo el transistor T3 al circuito básico:
I REF =
2
β
⋅
I
+
⋅ IE
E
β +1
(β + 1)2
Io = IC 2 =
β
β +1
⋅ IE
I REF =
I REF
VCC
I REF
Vo
R
T3
β
β +1
2⋅ IE
(β + 1)2
⋅ IE
Io
2⋅ IE
β +1
T2
T1
IE
β +1
IE
2
β +1
⋅
⋅I + I
2
(β + 1) β o o
IE
β +1
0
⎛
⎞
2
⎟⎟
= I o ⋅ ⎜⎜1 +
⎝ β ⋅ (β + 1) ⎠
β2 +β
I o = I REF ⋅ 2
β +β +2
I REF =
Ejemplo: Si β=10, entonces:
Con el circuito básico: Ai=10/12= 0.833
Con el circuito de alta ganancia: Ai=110/112= 0.982
VCC − VBE 3 − VBE1
≅ cte
R
IE
27
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEDE-II
9.4.3.
9.4.3.Fuente
Fuentede
decorriente
corrienteWidlar.
Widlar.
Como se vio antes, para conseguir una corriente baja del orden del uA es necesario una
resistencia de polarización elevada, lo cual no resulta práctico. Una forma de evitar este
inconveniente consiste en añadir una resistencia de emisor al transistor de salida. A este
circuito se le conoce como fuente de corriente Widlar.
VBE1 − VBE 2 − (I C 2 + I B 2 ) ⋅ RE = 0
VCC
Tema 9.4. Fuentes de corriente.
I REF
IC = I S ⋅ e
Vo
R
Io
T1
T2
+
+
VBE 2
-
VBE1
-
I REF =
VCC − VBE1
R
RE
VBE
VT
⇒
VBE
⎛
1⎞
VBE1 − VBE 2 − I C 2 ⋅ RE ⋅ ⎜⎜1 + ⎟⎟ = 0
⎝ β⎠
I
= VT ⋅ ln C ; β >> 1
IS
⇒
I C1
I
− VT ⋅ ln C 2 − I C 2 ⋅ RE = 0
I S1
IS2
I
VT ⋅ ln C1 = I C 2 ⋅ RE
Si se consideran las
IC 2
VT ⋅ ln
corrientes de saturación de
los transistores idénticas:
I C1 = I C 2 ⋅ e
I C 2 ⋅ RE
VT
⎛
1⎞ I
I REF = I C1 + I B1 + I B 2 = I C1 ⋅ ⎜⎜1 + ⎟⎟ + C 2
⎝ β⎠ β
I REF = I C1 + I B1 + I B 2
β +1
=
⋅ IC 2 ⋅ e
β
I C 2 ⋅ RE
VT
+
IC 2
β
No lineal
28
DEDE-II
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
9.4.4.
9.4.4.Fuente
Fuentede
decorriente
corrienteCascodo.
Cascodo.
La resistencia de emisor de la fuente Wildar se puede sustituir por una fuente básica de
corriente formada por los transistores T3 y T4. Este circuito se denomina Cascodo y
proporciona una resistencia de salida mucho mayor que las otras fuentes:
Ro =
VCC
Tema 9.4. Fuentes de corriente.
I REF
R
Vo
Io
T1
T2
T3
T4
0
1
⋅ (1 + β )
hoe
29
DEDE-II
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
9.4.5.
9.4.5.Fuente
Fuentede
decorriente
corrienteWilson.
Wilson.
La fuente de corriente Wilson consigue los dos efectos, alta ganancia y resistencia de
salida elevada, en un solo circuito.
I REF = I C1 + I B 2 =
VCC
β
β +1
⋅ IE +
β +2
β ⋅ (β + 1) + β + 2
⋅
I
=
I
⋅
E
E
(β + 1)2
(β + 1)2
Vo
I REF
Io = IC 2 = I E 2 ⋅
R
β
β +1
= IE ⋅
β ⋅ (β + 2)
(β + 1)2
Tema 9.4. Fuentes de corriente.
T2
β
β +1
IE2 = IE ⋅
⋅ IE
2⋅ IE
β +1
IC 3 =
T3
T1
IE
IE
β +1
IE
β +1
0
IE
β +2
β +1
β
β +1
⋅ IE
(
β + 1)2
β ⋅ (β + 2 )
⋅
I o = I REF ⋅
β ⋅ (β + 2 ) + β + 2 (β + 1)2
β 2 + 2⋅β
I o = I REF ⋅ 2
β + 2⋅β + 2
Si β=10: I o = I REF ⋅ 0.984
Con el circuito básico era Ai=0.833 y con el de alta
ganancia: Ai=0.982
30
DEDE-II
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
9.4.6.
9.4.6.Variaciones
Variacionessobre
sobrelas
lasfuentes
fuentesde
decorriente.
corriente.
• La tensión VDS es igual a la VGS por
lo que el transistor M1 está en
saturación, entonces funciona como
fuente de corriente.
Tema 9.4. Fuentes de corriente.
• Como M2 tiene la misma VGS su
corriente de drenador será la misma
que la de M1.
• Por consiguiente funciona como
espejo de corriente para Vo>VGS.
Espejo de corriente NMOS
31
Tema 9.4. Fuentes de corriente.
DEDE-II
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
9.4.6.
9.4.6.Variaciones
Variacionessobre
sobrelas
lasfuentes
fuentesde
decorriente.
corriente.
Circuito de polarización típico para un circuito integrado bipolar.
32
DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
9.7.
9.7.Amplificador
Amplificadordiferencial
diferencialcon
concarga
cargaactiva.
activa.
VCC
Q1
Q2N2907A
Amplificador diferencial con carga y
fuente de polarización activas de alta
ganancia.
Q2
Q2N2907A
Q3
Q2N2907A
Q4
Q2N2222A
VO
R1
VEE
100k
Q5
Q2N2222A
0
V1
0.00218
VIN
V2
R2
10k
Tensión de
entrada VIN
0
Q6
Q2N2222A
800 mV 500 uV
1
VAMPL = 0.0005
Q7
FREQ = 100
Q2N2222A
Q8
Q2N2222A
0
2
400 mV
0V
0V
VEE
Tensión de salida
-400 mV
diferencial
-800 mV -500 uV
0s
5 ms
1 V(Vo,Q4:c) 2 V(VIN)
Time
10 ms
15 ms