1 Cargas Activas: Motivación Emisor y Fuente común con carga activa
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FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Cargas Activas: Motivación Como se ha visto anteriormente la ganancia en modo diferencial de un amplificador diferencial es: Adm=-gmRC= - I· RC I ·R =- C C I/gm VT La ganancia es proporcional al producto IC·RC. Luego para una ganancia dada Adm si se quiere un consumo reducido (IC ) deberemos maximizar la resistencia (RC ). Problema de área ocupada en el chip. Ej. RC=2kΩ 50Ω/ 15µm 40µm 7µm Transistor MOS Carga Activa 92µm tecnun Resistencia FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Emisor y Fuente común con carga activa vDD vDD - T2 Vce2 + Iout=Ic1 + Vi - T1 + - Vout=Vce1 Iout=Ic1 Vout=Vce1 - T2 Vds2 T3 + Iout=Id1 IREF + Vi - T1 IREF + - T3 Vout=Vds1 Iout=Id1 Vout=Vds1 tecnun 1 FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Estudio de gran señal tecnun FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Estudio de pequeña señal Caso Bipolar V2=0 rπ2 + v2 R0= r01 || r02 gm2v2 r02 ib + vi - + v1 - vout rπ1 ie gm1v1 r01 Av=-gm(r01 || r02)= - 1 VT VT + VA1 VA2 Av ~ 1000 a 2000 tecnun 2 FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Estudio de pequeña señal Caso MOS Vgs2=0 + vgs2 gm2vgs2 + vi - r02 vout + vgs1 - gm1vgs1 r01 R0= r01 || r02 Av=-gm(r01 || r02) Av ~ 10 a 100 tecnun FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Amplificador de fuente común con un diodo conectado como carga vDD M2 vout + Vi - M1 tecnun 3 FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Estudio de gran señal vDD M2 vout + Vi - M1 I1= k W (Vgs1-Vt1)2 2 L 1 I2= k W (Vgs2-Vt2)2 2 L 2 Vout=VDD-Vgs2 Vout=VDD-Vt2Al ser I1=I2 y Vi=Vgs1 Vout=VDD-Vt2- tecnun 2I2 k(W/L)2 (W/L)1 (V -V ) (W/L)2 i t1 Si M1 y M2 se encuentran operando en la región activa y el efecto de cuerpo es despreciable. FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Estudio de gran señal • Como puede observarse a partir de la ecuación anterior la ganancia es constante y lineal para un amplio rango de la señal de entrada, siempre y cuando las tensiones umbral se mantienen constantes, por lo que este tipo de amplificador presentará una muy buena linealidad. • Esta arquitectura suele emplearse para implementar amplificadores de gran ancho de banda, pequeña ganancia y alta linealidad. tecnun 4 FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Estudio de pequeña señal gm1vi+(v0/r01)+(v0/r02)+gm2v0=0 gm1 v0 v1 = - gm2 r02 -gm2vs2 Vout= vs2 + vi - + vgs1 - 1 +g r gm2r01 m2 02 1 1+ Si gm2r01>>1 y gm2r02>>1 entonces: r01 gm1vgs1 1 gm1 v0 v1 ~ - gm2 = - (W/L)1 (W/L)2 Av~10 a 20 tecnun FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Amplificador diferencial con carga activa vDD vDD M3 M5 M4 vod + IREF1 + M1 vi1 IREF2 M2 - M8 tecnun M3 M5 IREF1 + + v- i2 M7 Amplificador diferencial con carga activa IREF2 M1 vic - M6 M8 M6 Circuito para el cálculo del modo común de un amplificador diferencial con carga activa 5 FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Amplificador diferencial con carga activa vDD vDD T4 T3 ITAIL 2 V0 + vi1 + T2 T1 V0 ITAIL 2 + + T2 T1 vi1 v- i2 - T4 T3 v- i2 - ITAIL ITAIL tecnun FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Estudio de pequeña señal r03||(1/gm3)||rπ3 vid 2 gm4vπ4 rπ4 i3 B1 vi1=vic+ + vπ4 - + vπ1 - i1 rπ1 i2 C1 gm1vπ1 r01 C2 r02 gm2vπ2 r04 v0 B2 + rπ2 V π2 - vi2=vic- vid 2 RTAIL tecnun 6 FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Estudio de pequeña señal Si se considera r01 y r02 >>, entonces: i1=gm1·vi1=gm1· vid 2 i2=gm2·vi2 =-gm2· vid 2 Luego al ser i1=-i3: iout=-i2-i3=-i2+i1=gm·vid Entonces: Av=iout·RL=gm·vid·RL tecnun • Este resultado puede aplicarse de manera análoga a un amplificador implementado con transistores MOS. • Obsérvese que se obtiene una ganancia Av doble que la que se obtendría en un amplificador diferencial con carga resistiva y salida única. FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Estudio de pequeña señal r03||(1/gm3)||rπ3 B1 + Vπ1=0 - I3=0 i1=0 rπ1 + vπ4 - gm4vπ4 rπ4 I2=0 C1 gm1vπ1 r01 C2 r02 gm2vπ2 r04 v0 B2 + rπ2 V =0 π2 - RTAIL tecnun 7 FUENTES DE CORRIENTE Y CARGAS ACTIVAS Estudio de pequeña señal r04 v0 r02 R0=r02 || r04 tecnun 8
