Amplificadores Diferenciais. ENG04055 Concepção de CI Analógicos Eric Fabris

Transcrição

1 Amplificadores Diferenciais

2 Introdução Inserção do Amplificador Diferencial na Hierarquia de Projeto de um Módulo Analógico O amplificador diferencial é um subcircuito composto de um conjunto de transistores (1 ou +) que amplifica a diferença de tensão entre suas duas entradas. É normalmente utilizado como estágio de entrada. É facilmente cascateado sem necessidade de desacoplamento

3 Amplificador Diferencial Conceito Definições: Ganho diferencial de tensão A VD (1000) Ganho de modo comum de tensão - A VC (1)

4 Amplificador Diferencial Conceito Vantagens intrínsecas e características Ganho diferencial elevado Ganho de modo comum baixo Facilmente cascateável sem capacitores de acoplamento O objetivo do uso de um amplificador diferencial é eliminar (minimizar) a tensão de modo comum no sinal de entrada

5 Amplificador Diferencial Conceito Métrica de desempenho Ganho diferencial de tensão A VD Ganho de modo comum de tensão A VC Taxa de rejeição de modo comum CMRR Resistência de entrada R in Resistência de saída - R out Faixa de tensão de modo comum de entrada - V ICMR Excursão máxima de saída Tensão de offset de entrada Rejeição de variações na fonte de alimentação PSRR Ruído CMRR A A VD VC v os ( in) 0 ed v os ( out) A VD

6 Amplificador Diferencial Conceito Valores típicos A VD 100 A VC 0.1 CMRR 1000 V OS (in) 2-10 mv

7 Amplificador Diferencial Conceito Solução possível Como amplificar sinais diferenciais? Utilizar dois amplificadores simples (fonte comum FC, por exemplo) um para cada fase do sinal de entrada. Esta solução é adequada? Qual o efeito da tensão de modo comum? A alteração da tensão V in,cm muda a corrente de polarização de cada ramo, alterando a transcondutância de cada xtor e a tensão de modo comum da saída. O A VC é alto. Conclusão: a corrente de polarização deve depender minimamente de V in,cm!

8 Amplificador Diferencial Uma solução possível para minimizar o efeito de V in,cm é polarizar os transistores utilizando uma fonte de corrente. Par diferencial com transistores com fonte acoplada.

9 Amplificador Diferencial Análise Assumindo que M 1 e M 2 estão em saturação (W/L) 1 = (W/L) 2 Assumindo que: e O que varia na saída é a corrente: Como a corrente de polarização I SS é dada por: Tensão de Modo Comum Resultando em: Quanto maior forem as impedâncias conectadas nos drenos de M1 e M2, maior o ganho de tensão

10 Amplificador Diferencial Análise Modelo para pequenos sinais Como: Assim: g m A presença de um sinal de modo comum na entrada implica em: i CM gmv 1 2g CM m r i v 2r CM i r i Assim o CMRR pode ser obtido por: Resistência da fonte de corrente.

11 Amplificador Diferencial Análise Comportamento da corrente em função da tensão diferencial Modelo de grandes sinais A tensão diferencial pode ser expressa em função das correntes em cada xtor. Resolvendo para i D1 e i D2 e Onde:

12 Amplificador Diferencial Análise Comportamento da corrente em função da tensão diferencial Modelo de grandes sinais

13 Amplificador Diferencial Par diferencial com entrada nmos Par diferencial com entrada pmos

14 Tensão de saída [V] Amplificador Diferencial Análise Curva de transferência de tensão Entrada nmos Tensão positiva de entrada [V]

15 Tensão de saída [V] Amplificador Diferencial Análise Curva de transferência de tensão Tensão positiva de entrada [V]

16 Amplificador Diferencial Análise Avaliação da máxima excursão de modo comum de entrada Menor tensão em V G1 (V G2 ) Em saturação, o menor V DS1 é: Assim: Ou Maior tensão em V G1 (V G2 )

17 Amplificador Diferencial Análise Modelo de pequenos sinais Modelo exato

18 Amplificador Diferencial Análise Modelo de pequenos sinais simplificado usando as simetrias existentes no circuito e

19 Amplificador Diferencial Análise Ganho de transcondutância para o amplificador não carregado (R L = 0) Se e então ou Ganho de tensão para o amplificador não carregado (R L = )

20 Amplificador Diferencial Análise Ganho de Modo Comum O amplificador empregando um espelho de corrente como carga, teoricamente deveria ter ganho de modo comum igual a zero. V OUT devido a V ICM CM devido = ao caminho - M1-M2 CM devido ao caminho M1-M3-M4 Devido ao descasamento entre os dois caminhos o ganho de modo comum não é nulo, mas aproxima-se de zero.

21 Projeto de um Amplificador Diferencial

22 Amplificador Diferencial - Projeto Observações iniciais Projetar analiticamente as correntes de polarização e os valores de W/L de todos os transistores de um amplificador diferencial com carga ativa Simular o projeto para verificar o atendimento das especificações (DC, AC e TRAN). Ajustar o projeto até atender o desempenho pedido A topologia de entrada do par diferencial é com transistores PMOS! A tecnologia alvo é a AMIS 0,5 μm

23 Amplificador Diferencial - Projeto Especificações V DD = - V SS = 1.65V C L = 2 pf Slew-Rate (SR) 30 V/μs (CL) A vd 100 V/V 0V ICMR -1,0V f -3dB 250 khz (CL) P Dis 1,5 mw V in1 = V G1, V in2 = V G2 e V d = V in1 -V in2 M5 I D5 V BB C L Parâmetros da tecnologia AMIS 0,5μm V TN = 0,63V V TP = -0,99V k N = 37,4 μa/v2 k P = 13,9 μa/v2 λ N = 0,0091 1/V (L = 1,5μm) λ P = 0,022 1/V (L = 1,5μm) Figura I

24 Escolha do modelo do dispositivo Até aqui, foi feita uma série de análises de circuitos com MOST chegando a expressões para Ganho Impedância de saída Limites de excursão de sinal Como se escolhe um modelo suficientemente preciso para o MOST?

25 Escolha do modelo do dispositivo A escolha do modelo não uma tarefa muito simples Alguns princípios gerais podem ser seguidos Quebrar o circuito em topologias semelhantes Utilizar o modelo mais simples possível para cada topologia (FCCC) Observar os blocos que o efeito de corpo precisa ser considerado Para o cálculo da polarização pode-se desconsiderar CLM e efeito de corpo Isto pode ser considerado depois depois que comportamento básico foi entendido A simulação é uma ferramenta essencial Os efeitos de canal curto não são facilmente modelados para uso em cálculos manuais A utilização de modelos simples permite uma melhor compreensão das relações causa x efeito auxilia na interpretação dos resultados de simulação

26 Determinação da Corrente de Polarização Limite inferior Definido pela maior taxa de variação da tensão na saída Depende da carga capacitiva - C L SR = (I D5 / C L ) 30 (V / μs) I D5 30 x C L I D5 60 μa Limite superior Limitada pela potência máxima dissipada P DISS 1,5 mw P DISS = I D5 x (V DD V SS ) I D5 450 μa

27 Determinação da Corrente de Polarização A freqüência de corte depende da carga capacitiva (C L ) e da resistência de saída (r o ) ω -3dB = 1 / (r O x C L ) f -3dB 250 khz f -3dB = 1 / (2 x pi x r O x C L ) 250 khz r O 318 kω r o depende da corrente de polarização g ds = λ x I D r ds = 1 / g ds r o = = 2 / [ (λ P + λ N ) x I D5 ] 318 kω Novo Limite Inferior de I D5 I D5 = 2 / [ (λ P + λ N ) x r OUT ] I D5 202 μa 450 μa I D5 202 μa I D5 = 250 μa (Escolha) M5 I D5 Figura I V BB C L

28 Dimensionamento de M3 e M4 A menor tensão de modo comum de entrada define os tamanhos de M3 e M4 (W/L) 3 = (W/L) 4 Menor ganho de modo comum Em M1 V G1 = V ICMR(min) = -1,0 V Para M1 estar saturado V SD1min = V SG1 - V TP1 Menor tensão em V G1 V G1(min) = V SS + V GS3 + V SD1 V SG1 Logo V G1(min) = V SS + V GS3 + V SG1 - V TP1 - V SG1 Assim, V GS3 = V G1(min) - V SS + V TP1 = V GS3 = 1,64 V I D3 = I D5 / 2 = (K N / 2) x (W/L) 3 x (V GS3 V TN3 ) 2 (W/L) 3 = I D5 / [K N x (V GS3 V TN3 ) 2 ] M5 I D5 V BB (W/L) 3 = 6,55 (W/L) 3 = (W/L) 4 = 7 C L Figura I

29 Dimensionamento de M1 e M2 O ganho diferencial define o tamanho de M1 e M2 O requisito de ganho é A vd = 100 Como I D1 = I D5 / 2 e (W/L) 1 = [A vd x(λ P +λ N )x(i D5 /2)]^2/(2 x I D1 x K P ) (W/L) 1 = 43,25 (W/L) 1 = (W/L) 2 = 44

30 Dimensionamento de M5 A tensão de modo comum máxima define o tamanho de M5 O tamanho de M1 e sua corrente de polarização definem V GS1 V GS1 = - sqrt[(i D5 / (K P x (W/L) 1 )] - V TP V GS1(max) = V Por especificação V ICMR(max) = 0 V V G1(max) = V DD + V DS5(min) + V GS1 V DS5(min) = V G1(max) - V DD - V GS1 V SD5(min) = 0.02 V!!!! A tensão de overdrive mínima em M5 é muito pequena. O circuito deve ser redimensionado!

31 Dimensionamento de M5 A tensão de overdrive de M1/M2 é relativamente grande V OV1 = V GS1 - V TP = 0,64 V Etratégia: Reduzir esta tensão para aumentar a margem de tensão em M5 Para reduzi-la pela metade, é necessário quadruplicar (W/L) 1,2 (W/L) 1 = 44 (W/L) 1 = (W/L) 2 = 176 Novo V GS1(max) = - 1,31 V

32 Redimensionamento de M5 Por especificação V ICMR(max) = 0 V V G1(max) = V DD + V DS5(min) + V GS1 V DS5(min) = V G1(max) - V DD - V GS1 V SD5(min) = 0,34 V (W/L) 5 = (2 x I D5 ) / [K P x (V DS5 ) 2 ] (W/L) 5 = 311

33 Circuito final Próximo passo é conferir o projeto através da simulação elétrica (474/1,5) M5 V BB Redimensionar... I D5 (264/1,5) (10,5/1,5) C L Figura I

34 Arquivo Spice Titulo: Amplificador Diferncial - DC.include amis_c5n.txt ***Fontes de entrada vin vin 0 dc 0 vip vip vin dc 0 AC 1 PULSE -100m 100m.01us.001us 0.001us.5us ***Fontes de alimentação vdd vdd 0 dc 1.65 vss vss 0 dc ***Polarização ibb ibb vss dc 250e-6 ***Par diferencial M1 ds1 vip 1 vdd CMOSP l=1.5u w=264u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p M2 ds2 vin 1 vdd CMOSP l=1.5u w=264u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p ***Carga ativa M3 ds1 ds1 vss vss CMOSN l=1.5u w=10.5u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p M4 ds2 ds1 vss vss CMOSN l=1.5u w=10.5u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p ***Fonte de corrente de polarização M5 1 ibb vdd vdd CMOSP l=1.5u w=474u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p M6 ibb ibb vdd vdd CMOSP l=1.5u w=474u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p vaux ds2 out 0 CL out 0 2pF.control dc vip -50mV 50mV 0.001V vin -1V 0V.2 let vo0 = v(ds2)[0, 99] let vo1 = v(ds2)[100, 199] let vo2 = v(ds2)[200, 299] let vo3 = v(ds2)[300, 399] let vo4 = v(ds2)[400, 499] let vo5 = v(ds2)[500, 599] **Tensão de saída para diferentes tensões de modo comum plot vo0 vo1 vo2 vo3 vo4 vo5 **Ganho diferencial plot deriv(vo0) deriv(vo1) deriv(vo2) deriv(vo3) deriv(vo4) deriv(vo5) **Modo Comum dc vin -1.65V 1.65V.05 plot v(ds2) v(1) deriv(v(ds2)) **Resposta em frequencia set units=degree ac dec meg plot db(v(ds2)) ph(v(ds2)) **Transiente tran 0.001us 1us plot v(vip) v(ds2) plot i(vaux).endc.end

35 Simulação Inicial Vout [V] Vs1 [V] Vds2 Acm Vout [V] Vid Vid [V] Vcm [V] t [s] Avd Icl [A] Vid [V] f [Hz] t [s]

36 Segunda Versão - Simulação Alternativa Dobrar o L de M1 e M2 mantendo W/L constante Aumento da resistência de saída de M1 e M2 Aumento de ganho Avd Vout [V] Vid [V] Vid [V]

37 Exercício Projete as correntes de polarização e os valores de W/L de um par diferencial com espelho de corrente como carga, conforme o esquemático ao lado. Especificações: V DD = - V SS = 2,5V C L = 5 pf Slew-Rate (SR) 10 V/μs (C L ) A vd = 100 V/V 1,5V ICMR -0.7V f -3dB 100 khz (C L ) P Dis = 2 mw Tecnologia AMIS 0,5μm V TN = 0,63V V TP = -0,99V k N = 37,4 μa/v 2 k P = 13,9 μa/v 2 λ N = 0,0091 1/V λ P = 0,022 1/V