Circuitos Eletrónicos Básicos

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1 Circuitos Eletrónicos Básicos Licenciatura em Engenharia Eletrónica Transparências de apoio às aulas Cap. 3: Fontes de corrente 1º semestre 2013/2014 João Costa Freire Instituto Superior Técnico Setembro de Fonte de corrente simples em DC (1de3) Uma fonte de corrente ideal é um elemento de circuito que impõe no ramo em que está ligada uma corrente independente do circuito a que está ligada. Uma fonte de corrente real além da fonte ideal tem em paralelo uma impedância muito elevada para que a dependência da corrente com o circuito seja baixa. Nestas condições está o colector de um TJB (ou dreno dum MOS) com polarização estabilizada na zona activa (ou de saturação) Se v CE > V CEsat, i C constante R B = R B1 // R B2 << β R E V BB = V CC R B1 / (R B1 + R B2 ) >> v BE e Se v DS > V DSon, i D constante R S

2 1. Fonte de corrente simples em DC (2de3) Num CI: área R kω >> área TJB > área MOS mínimo nº Rs Espelho de corrente bipolar (v BE1 = v BE2 ) V CB1 = 0 T 1 montado como díodo T 1 =T 2 (espelho plano): se V CE2 > V CEsat Como i R = (V CC v BE ) / R R = i E1 + i B2 i C = β (V CC v BE ) / [(β+2) R R ] constante se: β >> 2 e V CC >> v BE Espelho de corrente MOS (v GS1 = v GS2 ) v GD1 = 0 (T 1 díodo) v GS1 = v DS1 e se v GS1 > v t MOS saturado i D1 = i R = K N (v GS1 v t ) 2 v GS1 = (i R / K N ) 1/2 + V t como i R = (V DD v GS1 ) / R R R R = (V DD (i D1 / K N ) 1/2 V t ) / i D1 Se T 1 =T 2 i D = i D1 cte se: V DD >> V t mas depende de K N 1. Fonte de corrente simples em DC (3de3) Desprezou-se a variação de i C,D com v CE,DS. E se v CE,DS1 v CE,DS2? Espelho de corrente bipolar com tensão de Early V A i C = [β (V CC v BE ) / (β + 2) R R ] [1 + (v CE2 v BE ) / V A ] Espelho de corrente MOS com λ 0 i D = i D1 [1 + λ (v DS2 v GS )] E se T 1 T 2? Espelho concavo (T 1 > T 2 ) ou convexo (T 1 < T 2 ) Espelho de corrente bipolar com T 1 T 2 Àrea juncão BE: A BE2 = ma BE1 i C = m i R [β / (β m)] m i R Se β >> m > 1: usual T 1 < T 2 (< consumo) Espelho de corrente MOS com T 1 T 2 i D K N = µ N C ox W / 2 L i D2 / i R = (W / L) 2 / (W / L) 1 = m

3 2. Fonte de corrente múltipla em DC A partir de uma única fonte de referência com vários transistores com BE (ou GS) em paralelo (espelhos) é possível alimentar diversos andares Corrente de referência I ref gerada em Q 1 e espelhada para Q 2 e Q 3 Q 4 e Q 5 são MOS canal p que espelham i D3 que injetando i D5 de cima para baixo Corrente de referência I ref gerada em Q 1 pnp e Q 2 npn Espelhar Q 1 i C injetado Espelhar Q 2 i C drenado 3. Fonte de corrente DC em AC: carga dinâmica ou ativa (1de3) As fontes de corrente DC apresentam em regime dinâmico uma alta resistência (resistência vista do coletor ou dreno r o ) possível carregar um amplificador com uma fonte de corrente (carga dinâmica) ganho de tensão elevado (A v R L ) com tensão DC baixa na carga (basta V CE > V CEsat ou V DS > V DSon ) Em regime dinâmico I ref = 0 e V DD = 0 V gs2 = V gs3 = 0 A v = V o / V i = g m1 (r o1 // r o2 ) ganho da ordem das centenas com MOS R out = (r o1 // r o2 ) < R out com carga resistiva A fonte de corrente além de impôr o PFR é uma carga dinâmica ou ativa pois carrega o circuito em regime dinâmico e usa dispositivos ativos (transistores)

4 3. Fonte de corrente DC em AC: carga dinâmica ou ativa (2de3) Análise gráfica do circuito de carga dinâmica: a linha de carga é a curva característica i D2 (v DS2 ) para v GS2 = v GS3 imposta por I REF (a preto na figura; reta em AB) v SD2 + v DS1 = V DD v I = v GS1 v I < V t1 Q 1 corte i D1 = 0 mas Q 2 ON com i D2 = 0 Q 2 tríodo v SD2 = 0 e v DS1 = V DD v I > V t1 i D1 v SD2 v DS1 com Q 1 saturação Q 2 tríodo até A (v I =V IA ) v I > V IA Q 1 e Q 2 saturação A v >> 1 até B (v I =V IB ) v I > V IB Q 1 tríodo e Q 2 saturação até v SD2 V DD e v DS1 = V DS1on 0 3. Fonte de corrente DC em AC: carga dinâmica ou ativa (3de3) EC pnp com carga dinâmica Exercício: Para V A1,2,3 = 50 V e β 1,2,3 = 100 estimar o ganho A v, a impedância de entrada R in e a de saída R out em média frequência. I REF = (3 0,55) / 23 k = 107 µa g m = 4,26 ms, r π = β / g m = 23,5 kω, r o = (V A +V CE1 )/I REF 483kΩ A v = - g m1 (r o1 //r o2 ) = 1030, R in = r π1 = 23,5 kω, R out = (r o1 //r o2 ) = 242 kω Zonas fundo azul não afetam funcionamento EC com carga r o2 g m3 v π3 tem v π3 aos terminais r = 1/g m3 zona central só Rs v π2 = 0

5 4. Fonte TJB com redução da influência de β Q 3 compensa i B1 : Atenção que i C3 << i C1,2 β 3 < β 1,2 Da análise nodal feita na figura para T 1 = T 2 : I 0 = i C2 = i C1 i E3 = 2 Io / β 1,2 i B3 = 2 I o / [β 1,2 (β 3 + 1)] 1,2 I REF = I o { / [β 1,2 (β 3 + 1)]} I REF I o se β 1,2 β 3 >> 2 aproximação mais válida do que na fonte simples (β 1,2 >> 2) Mas se I REF é obtida por R REF ligada a V CC I REF = (V CC v BE3 v BE1 ) / R REF constante V CC >> v BE3 + v BE1 mais exigente que fonte simples (V CC >> v BE3 ) 5. Fonte de Widlar: TJB para correntes reduzidas Se R 3 = 0 I o I REF = (V CC V BE1 ) / R 2 para I o logo R 2 área Com R 3 0 pode-se ter I o << I REF sem aumentar R 2 T 1 = T 2 e i C I s e v BE/VT v BE = V T ln (i C / I o ) v BE1 v BE2 = V T ln (I REF / I o ) = I o R 3. Para I o 10µA R 3 = 0: I REF I o R 2 x00 kω para V CC x V R 3 0: se I REF = 100 I o V T ln mv R 3 11,8 kω e R 2 x kω redução de área de pelo menos quase 10 vezes A resistência equivalente da fonte é também mais elevada porque R 3 introduz uma degeneração de emissor R out r o2 [1 + g m (R 3 // r π2 )] >> R out da fonte simples (sem R 3 ) r o2

6 6. Fonte de Wilson: TJB Menor influência de β e R out e como i C3 i C1,2 β 3 β 1,2 = β Da análise nodal da figura se T 1 = T 2 = T 3 : I REF = I o {[β (β + 2) + 2] / [β (β + 2)]} Se β (β + 2) >> 1 I REF I o aproximação mais válida que na fonte simples I REF obtida por R REF entre B 3 = C 2 e V CC I REF = (V CC v BE3 v BE1 ) / R REF cte V CC >> v BE3 + v BE1 mais exigente que fonte simples (V CC >> v BE3 ) R out β r o / 2 devido a Base Degenerada (realimentação série) Exercício: Calcular sem aproximações R out = v o / i o =? e notando que zona azul é equivalente a resistência 1 /g m1 6. Fonte de Wilson: MOS R out porque Q 3 Degeneração de Porta Q 1 equivalente a r = 1/g m1 //r o1 1/g m1 ( g m1 r o1 >>1) e se r REF = resistência dinâmica da fonte I REF ou em vez de I REF se tem uma resistência R REF ligada a V DD i o = g m3 v gs3 + (v o v gs2 ) g o3 ; v gs2 = i o / g m1 ; v gs3 = [g m2 v gs2 (r o2 // R REF ) + v gs2 ] R out = v o / i o = = r o3 [1 + (g m3 / g m1 )(1+g m2 (r o2 // R REF ) + (g o3 /g m1 ] g m2 r o2 r o3

7 6. Fonte de Wilson: MOS com v DS equilibrados Exercício: verificar que os 4 transístores se forem todos iguais têm o mesmo v DS, o que garante simetria perfeita no espelho. Na prática não serão exatamente iguais, mas num CI, atendendo a que são todos fabricados ao mesmo tempo, a dispersão de valores é reduzida. 7. Fonte de corrente: Notas & Questões Notas Devido à mobilidade dos eletrões ser > que a das lacunas β npn > β pnp e k n = µ n C ox / 2 > k p = µ p C ox / 2 possível β npn β pnp ou K N K P (K = k W/L) fazendo A BEnpn > A BEpnp ou (W / L) P > (W / L) N O uso de cargas dinâmicas pode reduzir a banda porque se acrescenta as capacidades do transístor da carga Necessário garantir que o transístor da fonte de corrente está na zona saturação (MOS) ou ativa (TJB) limitação da gama dinâmica (amplitude de sinais processados) Fonte de Wilson garante maior impedância dinâmica mas reduz gama dinâmica ou exige maior tensão de alimentação. A introdução de resistência de emissor ou fonte no transístor de saída da fonte de corrente conduz a uma maior impedância dinâmica (alternativa à fonte de Wilson). 14

8 7. Fonte de corrente: Notas & Questões Questões Quando se usam mais frequentemente fontes de corrente para polarizar transístores? Porque se usa para injetar correntes o coletor dum TJB pnp e não o emissor dum npn, já que o npn é um transístor mais rápido? Em que zona, ou zonas, de funcionamento pode operar um MOS canal n em que é forçada uma corrente de D para S? Justifique a afirmação: a relação de correntes num espelho com TJBs não é exatamente igual à relação das áreas das junções BE. Que vantagens e desvantagens apresenta a fonte de Widlar sobre uma fonte simples? Quando deve utilizar uma fonte de Wilson? 15