Tema 4 CIRCUITOS AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL

Tema 4
CIRCUITOS AMPLIFICADORES
DE PEQUEÑA SEÑAL
ENTRADA SIMPLE
Tema 4: Nociones generales
Estructuras ideales
CLASIFICACIÓN
Salida Corriente
Salida Tensión
Entrada Corriente
A. de Corriente
Transrresistor
Entrada Tensión
Transconductor
A. de Tensión
2/51
Tema 4: Nociones generales
Definición de parámetros
●
Ganancia en tensión, AV
●
Ganancia en corriente, AI
●
Impedancia de entrada, ZIN
●
Impedancia de salida, ZOUT
V OUT
AV =
VIN
I OUT
AI =
IIN
V IN
ZI N=
I IN
V OUT
Z OUT =
I OUT
( )
Thevenin
DEPENDENCIA RESPECTO A LA FRECUENCIA
3/51
Tema 4: Nociones generales
Objetivos
A. DE TENSIÓN
AV → ∞
Z I N →∞ Z OUT → 0
TRANSRESISTOR
AV → ∞
ZI N →0
Z OUT → 0
A. DE CORRIENTE
AI → ∞
ZI N →0
Z OUT → ∞
TRANSCONDUCTOR
AI → ∞
Z I N →∞ Z OUT → ∞
SIN EMBARGO, QUIZÁS CADA DISEÑADOR IMPONGA SUS CRITERIOS
4/51
Tema 4: Nociones generales
Relaciones entre parámetros
Ganancia respecto fuente
V OUT
AVS =
VS
ZI N
AVS = AV ·
Z I N + RS
ZL
AV = A I ·
ZIN
IO
AV
AI
GM =
= =
V I N ZL Z I N
VO
AV
=Z L · A I =
II N
ZIN
RELACIONES ÚTILES PARA AGILIZAR CÁLCULOS
5/51
Tema 4: Acoplamiento
Acoplo de señales
Elementos en negro...
●
Fijan el punto de operación
Elementos en rojo...
●
Introducen la señal que amplificar
¡PERO ALTERAN EL PUNTO DE OPERACIÓN!
SOLUCIONES...
USO DE CAPACIDADES DE DESACOPLO (CASO DE
ELEMENTOS DISCRETOS)
●
SELECCIÓN CUIDADOSA PUNTO OPERACIÓN
(CASO DE LOS ICs)
●
6/51
Tema 4: Acoplamiento
Acoplo de señales
A frecuencia elevada, los
condensadores son cortocircuitos.
Función de los condensadores...
●
●
●
C1 y C2: En serie con otros, BLOQUEO para señales DC
C3: En paralelo con otros, PASO para señales AC
C4: Estabiliza la fuente, DESACOPLO
7/51
Tema 4: Topologías comunes
Emisor Común
Notas
●
●
Punto de operación fijado por red con degeneración de emisor
A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos
→ ¡RE desaparece!
8/51
Tema 4: Topologías comunes
Emisor Común (pequeña señal)
De manera inmediata, surge el valor de ZIN:
−1
v OUT =−h fe ·i b · h oe / / RC / / R L =−h fe ·
vI N
Z I N = i =hie / / R1 / / R2
IN
vi n
−1
·(h oe / / RC / / RL )
Zi n
v OUT
(h−1
(h−1
oe / / RC / / R L )
oe / /RC )
si R L →∞
→ AV =
=−h fe ·
→−h fe ·
vI N
hie
hie
→ AI =
i OUT
Zi n
= AV ·
iI N
ZL
−1
Z OUT =( RC / / h oe )
9/51
Tema 4: Topologías comunes
Emisor Común (Baja frecuencia)
Grosso modo, las condiciones de trabajo...
∣
1
∣≪ RS , Z I
s ·C B
N
∣
1
∣≪ R E
s ·C E
∣
1
∣≪ R L , Z O
s ·C L
APARECEN CEROS EN S=0 Y EL MISMO NÚMERO DE POLOS
Al llegar a una frecuencia determinada, la ganancia es constante
10/51
Tema 4: Topologías comunes
Emisor Común (Alta frecuencia)
Teorema de Miller
(Aproximado...)
APARECEN POLOS Y CEROS EN AMBAS ETAPAS
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Tema 4: Topologías comunes
Emisor Común (Alta frecuencia)
vI N
Z HF
I N = i =(hie / / R1 / / R2 / /
IN
−1
vout
A =
=−h fe ·
vi ,n
HF
V
(h oe / / R C / / R L / /
1
s · ( C π+ ( 1+ AV , DC ) ·C μ )
1
)
s ·C μ
HF
i out
HF Z i n
AHF
=
=
A
I
V ·
i i ,n
ZL
hie
HF
)
−1
Z OUT =( RC / / h oe / /
1
)
s · Cμ
12/51
Tema 4: Topologías comunes
Emisor Común: Influencia del punto de operación
●
●
ZIN: Aumenta cuanto menor sea la corriente de base (y colector) y mayor R1//R2
No es contradictorio
AV: Aumenta con el valor de RC y, generalmente, aumenta con la corriente de
colector (hie predomina sobre hoe)
Depende de la resistencia de carga RL salvo si RL >> (RC // hoe-1)
●
AI: Dependencia fuerte con ZL.
●
ZOUT: Disminuye con RC y si aumenta IC.
COMO BUSCAMOS VALORES ALTOS DE ZIN Y AV Y BAJOS DE ZOUT...
¡HAY QUE LLEGAR A UN COMPROMISO!
13/51
Tema 4: Topologías comunes
Fuente Común
Notas
●
●
Punto de operación fijado por red con degeneración de fuente
Modelos en pequeña señal similares para ambos.
→ No hay efecto sustrato en el JFET
14/51
Tema 4: Topologías comunes
Fuente Común (pequeña señal)
vI N
Z OUT =( R D / / g −1
O )
Z I N = i =(R1 / / R2 )
IN
AV =
vOUT
λ · I DS
W
=−g m ·(R D / / g −1
/
/
R
)=−
2
·
K
·
·
I
·
√ DS
O
L
N
−1
−1
vI N
L
1+ λ · I DS · ( R D + R L )
√
√
→ AV =−g m ·(R D / / g −1
O )=− 2 · K N ·
AI =
λ · I DS
W
· √ I DS ·
L
1+ λ · R−1
D · I DS
si R L →∞
i OUT
ZI N
=AV ·
iI N
RL
15/51
Tema 4: Topologías comunes
Fuente Común (Alta frecuencia)
Teorema de Miller
(Aproximado...)
APARECEN POLOS Y CEROS EN AMBAS ETAPAS
16/51
Tema 4: Topologías comunes
Fuente Común: Influencia del punto de operación
●
●
ZIN: Aumenta cuanto mayor R1//R2
¡Cuidado con el ruido térmico!
AV: Aumenta con el valor del la corriente de drenador y con RD
Depende de la resistencia de carga RL salvo si RL >> (RD // go-1)
●
AI: Dependencia fuerte con ZL.
●
ZOUT: Disminuye con RD y si aumenta IDS por la influencia en gO.
Todo mejora si aumenta IDS pero...
¡EL CONSUMO SE VE AFECTADO!
17/51
Tema 4: Topologías comunes
Emisor degenerado
Notas
●
Similar a Emisor común pero sin CE.
18/51
Tema 4: Topologías comunes
Degeneración de emisor (pequeña señal)
R ' C =( RC / / RL )
Z I N =h ie+ ( β F + 1 ) · RE ·
h fe
AI ≈ ·
h ie
1
h fe
1+ R E ·
hie
· ZI
N
(
−1
h−1
oe + R ' C ·(β F + 1)
h−1
oe + R ' C + R E
AV ≈
h fe
·
hie
)
1
1+ R E ·
h fe
hie
· R 'C
19/51
Tema 4: Topologías comunes
Degeneración de emisor
●
Aumenta considerablemente la impedancia de entrada
●
Disminución de la ganancia (Corriente y Tensión)
Degeneración de fuente con FET
●
Conclusiones similares a BJT
●
Aparición de efecto substrato en MOS
20/51
Tema 4: Topologías comunes
Base Común
Notas
●
●
●
Punto de operación fijado por red con degeneración de emisor
Se puede polarizar la base con una fuente constante
A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos
→ ¡R1 y R2 desaparecen!
21/51
Tema 4: Topologías comunes
Base Común (pequeña señal)
Z X =( RC / / R L / / h−1
ob )
V AF
h =( 1+ h fe ) ·
IC
−1
ob
ZI N=
vI N
h ie
N ·V T
=(R E / / hib )=(R E / /
)=(R E / /
)
iI N
1+ h fe
IE
AV =−
AI =
h fb
h fe
IC
·Z X= ·Z X≈
·Z
h ib
hie
N ·VT X
ZI N
IC ZX
· AV =Z I N ·
·
RL
N · V T RL
Z OUT =( RC / / h−1
ob )
Si RL << RC, hob-1 y hib << RE, entonces AI → 1
¡SEGUIDOR DE CORRIENTE!
22/51
Tema 4: Topologías comunes
Base Común (Alta frecuencia)
Aparecen dos nuevas capacidades, que pueden ser incluidas en hib y hob para
calcular los distintos parámetros.
INNECESARIO EL TEOREMA DE MILLER
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Tema 4: Topologías comunes
Puerta Común
Notas
●
●
●
●
Punto de operación fijado por red con degeneración de fuente
Se puede polarizar la puerta directamente con una fuente constante
Aparece el efecto sustrato
A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos
→ ¡R1 y R2 desaparecen!
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Tema 4: Topologías comunes
Puerta Común (pequeña señal)
●
●
La tensión de puerta es nula.
La fuente del MOS es la entrada
g O + g m + g nb
AV =
1
1
gO+
+
R D RL
AI =
ZI N=
AI
·R
AV L
Z OUT ≈ RD
ZI N=
RL
AV
Z OUT ≈ RD
RD
R D+ R L
Si RL << RD
AI ≈1
g + g m+ g nb
AV = O
1
gO+
RD
¡SEGUIDOR DE CORRIENTE!
25/51
Tema 4: Topologías comunes
Puerta Común (Alta frecuencia)
Dos capacidades principales
● C
puede combinarse con RD
GD
● C
se combina con RA por Thévenin e introduce
GS
un polo por desvío de corriente.
●
26/51
Tema 4: Topologías comunes
Colector Común (o Seguidor de emisor)
Notas
●
●
●
Punto de operación fijado por red con degeneración de emisor
La resistencia de carga puede ser la propia resistencia de emisor
A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos
→ El colector se une directamente a tierra.
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Tema 4: Topologías comunes
Colector Común (pequeña señal)
R P=( R E / / R L / / h−1
oc )
R B=( R1 / / R2 )
v ec =v OUT
1
AV =
hrc −
hic
h fc · R P
≈
1
1
=
≈1
h ie
N ·V T
1+
1+
R P ·(1+ h fe )
RP · I E
iI N
−1
−1
−1
−1 N · V T
=R−1
+
h
·
1−
A
≈
R
+
h
≈ R−1
→ Z I N≈ RB
(
)
B
ic
V
B
ic ·
B + ( R P ·(h fe + 1))
vI N
RP · I E
ZI N
RB
AI =
· AV ≈
RL
RL
Z −1
I N=
¡SEGUIDOR DE TENSION!
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Tema 4: Topologías comunes
Colector Común (alta frecuencia)
Teorema de Miller,
con K = AV,DC
Las capacidades se integrarían en RB
29/51
Tema 4: Topologías comunes
Drenador Común (o Seguidor de fuente)
Notas
●
●
●
Punto de operación fijado por red con degeneración de fuente
La resistencia de carga puede ser la propia resistencia de fuente
A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos
→ El drenador se une directamente a tierra.
30/51
Tema 4: Topologías comunes
Drenador Común (pequeña señal)
R P=(RS / / R L )
RG =(R 1 / / R 2)
v I N =v G
v OUT =v S
AV =
gm
gm
=
g m + g mb
1
gm
1+
g mb
ZI N
RG
· AV =
·
RL
RL
1
g
1+ m
g mb
≈
−1
g m+ g mb+ g O+ R P
Z I N =RG
AI =
El cociente gm/gmb vale 0.1-0.3 en
transistores reales.
−1
Z OUT =( RS / / g −1
O / / g −1m / / g mb )
SEGUIDOR DE TENSION, PEOR QUE BJT
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Tema 4: Fuentes de corriente
Problema
Muchos parámetros mejoran con valores elevados de RC, RE, RD, RS...
Sin embargo, su uso fuerza el uso de valores de corriente menores.
Solución
Utilizar fuentes de corriente para polarizar los circuitos
●
Fijan el valor de la corriente de polarización
●
En pequeña señal, equivalen a una resistencia muy elevada
ALGUNOS EJEMPLOS...
32/51
Tema 4: Fuentes de Corriente
Ejemplos con BJTs
Base Común
Degeneración emisor
Seguidor de emisor
SOLUCION SIMILAR PARA CMOS
USAR CASCODE O WIDLAR
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Tema 4: Amplificadores CMOS
Polivalencia de los MOSFET
Los MOSFET pueden ser considerados como resistencias no lineales o fuentes.
Ejemplo de amplificadores inversores
PUEDE PRESCINDIRSE DE LAS RESISTENCIAS
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Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas BJT: Par CC-CE (Colector común, emisor común)
Se busca una mejor amplificación. Suponemos sin acoplo capacitivo y polarizado
con fuente de corriente como en muchos amplificadores operacionales.
Notas
La resistencia RX es opcional para polarizar Q1. Puede
usarse una fuente de corriente.
●
●
IQ puede reemplazarse por una simple resistencia.
Se supone alimentación bipolar. VEE puede reemplazarse
por tierra.
●
La tensión de entrada se sitúa en torno a -VEE+ 2·V para
evitar que los transistores no dejen la ZAD.
●
35/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas BJT: Par CC-CE (Pequeña señal)
Se combinan ambos modelos de transistor en pequeña señal.
R P1=(h−1
oc1 / / hie2 )
R P2=(h−1
oe2 / / RQ)
Z I N =h ic1−h fc1 · R P1 · h rc1≈hie1+ (1+ h fe1 )· R P1
Muy elevada
R P2 · R P1
R P2 · R P1
AV =h fe2 · h fc1
=−h fe2 ·(1+ h fe1) ·
hie2 · Z I N
h ie2 · Z I N
Z OUT =(h−1
oe2 / / R Q )
INVIERTE LA SEÑAL
36/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas BJT: Par CC-CE (Pequeña señal)
Algunas simplificaciones...
I C1
I B2
I B2
−1
−1
−1
+
≈ I B2 · ( V AF1+ (N · V T ) ) ≈
≈h ie2
V AF1 N ·V T
N ·V T
I C2
−1
−1
R P2=h oe2+ RQ ≈h oe2 =
V AF2
−1
−1
R P1=h oc1+ h ie2=
AV =−h fe2 ·(1+ h fe1 )·
R P2 · R P1
h
h oe2
h
1
≈−h fe2 · (1+ h fe1)· oe2 ≈−h fe2 ·(1+ h fe1) ·
≈− h fe2 · oe2
hie2 · Z I N
ZI N
h ie1+ (1+ h fe1) · hie2
2
h ie2
¡Más baja (~0.5) que una única etapa con misma fuente de corriente!
Sin embargo, al conectar una hipotética carga RL...
AI =
ZI N
· AV
RL
Aumento espectacular por la impedancia de entrada
Mejor amplificador de corriente
o igual de tensión con mayor impedancia de entrada
37/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas BJT: Par Darlington
Mismas condiciones que en el caso anterior, los colectores se unen.
Notas
La resistencia RX es opcional para polarizar Q1.
Puede usarse una fuente de corriente.
●
Se supone alimentación bipolar. -VEE puede
reemplazarse por tierra.
●
La tensión de entrada se sitúa en torno a -VEE+ 2·V
para evitar que los transistores no dejen la ZAD.
●
38/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas BJT: Par Darlington (Pequeña señal)
Modelo de emisor común
Reordenamos...
Ecuaciones muy complejas
2
● Básicamente, es un transistor con ganancia (1 + h ) utilizable en todas las
fe
configuración de un solo transistor.
● Comparado con CC-CE
●
Menor ancho de banda → Problema
●
Menor impedancia de salida → Mejora (Etapas de salida)
●
39/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas BJT: Par Cascode
Útil cuando la carga se pone en serie con el amplificador
Notas
●
Tensión de polarización independiente, VB.
Se busca crear un transconductor con alta
impedancia de salida.
●
●
Usado para atacar cargas pequeñas
●
El valor DC de VIN fija el punto de operación.
UTILIZADA DESDE LOS TIEMPOS DE LAS VÁLVULAS DE VACÍO
40/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas BJT: Par Cascode (pequeña señal)
Un transistor en emisor común y otro en base común
−1
−1
R−1
=h
+
h
≈
h
P1
oe1
ib2
ib2
−1
R−1
=h
+
R
P2
ob2
L
N ·V T
Z I N =h ie1≈
IO
hoe2 −1
V AF2
Z OUT =h =
=( 1+ h fe2 )
1+ h fe2
IO
R P1 · R P2
h fe2 R P2
AV =h fe1 · h fb2 ·
≈−h fe1 ·
·
hie1 · hib2
1+ h fe2 hie1
ZIN
h fe2 R P2
AI = AV ·
≈−h fe1 ·
·
RL
1+ h fe2 R L
−1
ob2
(
)
41/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas BJT: Par Cascode (Aproximaciones)
−1
−1
R−1
=h
+
h
≈
h
P1
oe1
ib2
ib2
−1
R−1
P2 =h ob2 + R L
Z I N =h ie1
Z OUT =hob2
V AF2
Si R L ≪h ob2 =( 1+ h fe2 ) ·
→ R P2≈ R L
IQ
ZIN
h fe2 R P2
AI = AV ·
≈−h fe1 ·
·
≈−h fe1
RL
1+ h fe2 R L
R P1 · R P2
h fe2 R P2
RL
IQ
AV =h fe1 · h fb2 ·
≈−h fe1 ·
·
≈−h fe1 ·
≈
·R
hie1 · hib2
1+ h fe2 hie1
h ie1 N · V T L
42/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas BJT: Par Cascode (Versión 2)
Utilizada en circuitos integrados
Notas
●
Tensión de polarización independiente, VB.
Se busca crear un TRANSCONDUCTOR
con ALTA impedancia de salida.
●
El punto de operación viene fijado por la
fuente de corriente IQ.
●
OTRA VERSIÓN MUY POPULAR EN CIRCUITOS INTEGRADOS
43/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas BJT: Par Cascode 2 (pequeña señal)
Un transistor en emisor común y otro en base común
−1
−1
R−1
=h
+
h
≈
h
P1
oe1
ib2
ib2
−1
−1
R−1
=h
+
R
+
R
P2
ob2
Q
L
N ·V T
Z I N =h ie1≈
IQ
Z OUT =h
−1
ob2
R P1 · R P2 −h fe1 · h fe2 R P2
AV =h fe1 · h fb2 ·
≈
·
hie1 · hib2
1+ h fe2 h ie1
hoe2
=
1+ h fe2
(
−1
)
V AF2
=( 1+ h fe2 )
IQ
h fe2 RP2
AI ≈−h fe1 ·
·
≈−h fe1
1+ h fe2 R L
RESULTADOS SIMILARES AL ANTERIOR SALVO RQ
44/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas CMOS: Configuraciones CD-CS y Darlington
Ambas configuraciones buscan incrementar la impedancia de entrada...
Drenador común – Fuente común
Darlington
CON POCA UTILIDAD PRÁCTICA: ZIN → ∞ EN TECNOLOGÍAS CMOS
45/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode
Uso similar al equivalente BJT.
Notas
●
Tensión de polarización independiente, VB.
Se busca crear un TRANSCONDUCTOR
con ALTA impedancia de salida.
●
El punto de operación viene fijado por la
fuente de corriente IQ.
●
●
Pueden añadirse más y más cascodes.
UTILIZADO EN LA CREACIÓN DE ICs (AMP. TELESCÓPICOS)
46/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode (Pequeña señal)
Notas
VG1 = VIN → vGS1 = vIN
●V
= VB → vG2 = 0 → vGS2 = -vA
G2
● v
= -vA
BS2
●
K =g m2+ g mb2
−1
G P =R−1
+
R
Q
L
g m1
1+ g −1
O2 · K
AV =−
·
−1
−1
−1
g O1 1+ G P · ( g −1
O1 + g O2 + K · g O1 · g O2 )
UTILIZADO EN LA CREACIÓN DE ICs (AMP. TELESCÓPICOS)
47/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode (Impedancia salida)
1
Z OUT
=
g O1 · g O2
1
+
RQ g O1+ g O2 + g m2 + g mb2
En general, RQ es muy grande
−1
−1
−1
Z OUT = g−1
+
g
+
g
·
g
O1
O2
O1
O2 · ( g m2 + g mb2 )
−1
Equivalente en pequeña señal,
simplificado y puesto como
equivalente Thévenin.
g m1 1+ g O2 · K
→ AV =−
·
g O1 1+ G P · Z OUT
i OUT AV
g m1 1+ g −1
O2 · K
→ Gm =
= ≈−
·
v I N RL
g O1
Z OUT
INCREMENTO ESPECTACULAR DE LA RESISTENCIA
48/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Activo
Un amplificador operacional aísla el transistor 1 de la carga.
Funciona como un cascode normal
pero la tensión drenador-fuente del
1 permanece constante.
Recordemos que AD, en un Op Amp, es del orden de 104-106
49/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Activo (pequeña señal)
Notas
(
V B1=V S1=0V
v =v
→ GS1 I N
V G1=V I N
v BS1=0
) (
)
(
V S2=V D1
v =−A D · v D1
→ GS2
V B2 =0V
v BS2 =−v D1
V G2= AD · ( V B −V D1 ) V I N
)(
)
50/51
Tema 4: Varios Transistores
Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Activo (pequeña señal)
Notas
Se obtienen los mismos
resultados que en cascode
normal ya que solo hay que
reemplazar gm2 por AD·gm2
−1
−1
−1
−1
Z OUT = g O1+ g O2 + g O1 · g O2 · ( A D · g m2+ g mb2 )
g m1 1+ g −1
O2 · K
→ AV =−
·
g O1 1+ G P · Z OUT
i OUT AV
g m1 1+ g −1
O2 · K
→ Gm =
= ≈−
·
v I N RL
g O1
Z OUT
K = AD · g m2 + g mb2
Aumento espectacular de la
resistencia de salida.
La transconductancia no
mejora sensiblemente
¡Vigilar frecuencia de trabajo!
51/51