Amplificador Operacional OTA Miller

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1 Amplificador de 2 Estágios Amplificador Operacional OTA Miller O que é um Amplificador Operacional? O OPAMP é um amplificador de alto ganho, acoplado em DC projetado para operar em realimentação negativa de forma a definir uma função de transferência precisa em laço fechado. Característica: Ganho suficientemente elevado (aplicação define isto) Entrada diferencial Resposta em Freqüência que garante operação estável em laço fechado e realimentação negativa. Alta impedância de entrada Baixa impedância de saída Resposta em freqüência ampla e alta velocidade 1

2 Op Amp O OpAmp é projetado para ser empregado sob realimentação negativa para processar de forma precisa um sinal. A função de transferência é determinada da seguinte forma: vout ( s) A( s) = v ( s) 1+ A( s) F( s) in Se o produto A(s) F(s) for muito maior que1: vout ( s) 1 v ( s) F( s) in Amplificador Operacional Ideal Características: Ganho Diferencial Infinito Impedância de Entrada Infinita Impedância de Saída Zero Ganho de Modo Comum Zero Infelizmente OPAMP ideal não existe! A busca no sentido de alcançar a idealidade nos parâmetros de desempenho leva a uma relação de compromisso entre potência, área, excursão de sinal, etc. Os OPAMP serão tratado como amplificadores diferencial de alto ganho projetados para atender uma dada condição de performance. 2

3 Parâmetros de Interesse Ganho de Laço Aberto OPAMPs invariavelmente operam com realimentação! Razão: Fixar a relação entrada saída através de componentes externos. Para um OPAMP ideal (Av = ) o ganho pode ser ajustado pela razão de R2 e R1 Porque BW e a margem de fase (PM) são importantes? Parâmetros de Interesse 3

4 Resposta em Freqüência Se o A(0) é muito grande e os polos p1 e p2 estão próximos, então é provável que em algum freqüência ω x a fase será 180 o, mas o ganho ainda será maior que a unidade. Realimentando este sistema possivelmente o levará a instabilidade. A MF e MG é negativa (Realimentação Unitária). Reposta em Freqüência Sistema com 3 polos Realimentação Unitária 4

5 Resposta em Freqüência GB Reposta em Freqüência Um zero no SPD (positivo) pode ser mais perigoso! 5

6 Reposta em Freqüência Um zero no SPE (negativo) poder ser bom! Amplificador Operacional CMOS Blocos básicos que compõem um OPAMP Especificações chave: Precisa ser estável para realimentação unitária Utilizar o menor número de estágios Área, potência, ruído... 6

7 Tipos de OpAmp Classificação Amplificador Operacional CMOS OPAMP Uso geral VCVS Baixa impedância de saída A carga pode ser C ou R É um OTA com buffer de saída Maior potência dissipada OTA Empregado mais comumente como amplificador integrado VCCS Alta impedância de saída A carga pode ser C, mas NÃO R Uso comum com realimentação à capacitor chaveado (SC) 7

8 OPAMP CMOS Básico Clássico OpAmp Clássico segmentado em blocos conversores corrente-tensão e tensão-corrente. Especificações Típicas de um OpAmp Dependente da tecnologia 8

9 Saída típicas do projeto Topologia do OpAmp Correntes DC (polarização) Dimensionamento dos transistores (W e L) Valores dos componentes Projeto de um OpAmp Ciclo de Projeto do OPAMP Especificações típicas 9

10 Duas etapas Desenvolvimento da arquitetura Estratégia de Projeto Escolha da arquitetura que atenda as especificações Criação de uma nova topologia mais apropriada, caso necessário. Projeto dos componentes Dimensionamento dos transistores Projeto da rede compensação Compensação Razões Os OPAMP normalmente são utilizados empregando realimentação. Resposta estável requer que o OPAMP seja compensado. Idéia Garantir que para um desvio de fase de 135 o, ou maior, o ganho do OPAMP em laço aberto seja menor que 1. 10

11 Compensação Porque projetar uma boa estabilidade? Abaixo temos a resposta de um OpAmp, representado por um modelo de segunda ordem, na condição de realimentação unitária. Uma boa resposta é a que estabiliza rapidamente na resposta ao salto. Regra prática: estabilizar em no máximo 3 ciclos. Margem de fase maior ou igual a 45 (preferencialmente acima de 60 ). Nem sempre a resposta com maior slew rate é a mais satisfatória. Setling Time 11

12 Resposta em Freqüência - Sem compensação Ganho de Laço - Aβ Giro de fase de 180 o. Ganho maior que 1. Sistema instável Tipos de Compensação Compensação Miller Uso de uma realimentação capacitiva ao redor de um amplificador inversor de alto ganho. Tipos Capacitor Miller somente Capacitor Miller + Buffer (G ~ 1) Bloquear o caminho direto através do Ccomp. Elimina o zero no SPD. Capacitor Miller + Resistor. Auto-compensação O capacitor de carga age como capacitor de compensação. Feedforward 12

13 Modelo do MOSFET - Alta Freqüência Modelo Capacitivo Completo Capacitância de Overlap Gate-Dreno Capacitância de Gate-Fonte Capacitância Dreno-Corpo (Bulk) Capacitância Fonte-Corpo (Bulk) Modelo do MOSFET - Alta Freqüência Modelo Capacitivo Simplificado I Fonte e Bulk conectados Modelo Capacitivo Simplificado II Fonte e Bulk conectados Capacitância C db negligenciada 13

14 Compensação Miller Compensação Miller - Modelo de pequenos sinais Modelo de Pequenos sinais Modelo de Pequenos sinais simplificado 14

15 Compensação Miller - Análise Escrevendo as equações de nós para o modelo de pequenos sinais simplificado Achando a função de transferência do ganho Onde: p1 deve ser projetado para ser o polo dominante z1 deve-se tomar cuidado, pois é um zero no SPD. Impacto na estabilidade. Efeito da compensação Miller Objetivo Forçar uma característica na resposta em freqüência do OpAmp de 1 a ordem até GB (ganho unitário) -20dB/dec Giro de fase 90 o Característica de pólo dominante 0 db Depois da Compensação Realimentação Unitária Antes da Compensação Antes da Compensação Depois da Compensação 15

16 Compensação Miller Estabilidade A freqüência de ganho unitário (0 db) GB é dada por: Para uma margem de fase de 45 o temos: Para ω 0dB = GB e assumindo que z 10 GB temos Para uma margem de fase de 60 o : Compensação Miller Estabilidade Sendo necessário uma PM de 60 o : g C mii z = e GB= c g C mi c p C 2 C g = C mii L > 0,22C > 2,2GB L g C Observação mii L g > 2,2 C mi C 16

17 Efeito da PM Amplificador de 2 estágios - Projeto Relações importantes 17

18 Amplificador de 2 estágios - Projeto As relações acima presumem todos os transistores operando em saturação! Amplificador de 2 estágios - Especificações Para o projeto de um amplificador de compensação Miller assume-se a seguinte especificação como dada: Ganho em DC, Av(0) Largura de Banda, GB Faixa de tensão de modo comum, ICMR Capacitância de carga, C L Slew-rate, SR Excursão de tensão de saída Potência dissipada, P diss 18

19 Amplificador de 2 estágios - Projeto Visão geral do procedimento de projeto Amplificador de 2 Estágios - Projeto Escolha o L a ser utilizado a fim de obter o parâmetro λ (CLM) Determine o valor do Cc Polo p2 2,2 x GB fornece uma MF 60 o Zero z1 (SPD) colocado a pelo menos 10 x GB Cc 0,22 C L Determine I5 utilizando o SR requerido I5 = SR(C c ) Se o SR não for fornecido, empregue informações relacionadas ao settlingtime. 10 vezes mais rápido que o t s requerido para 50% da excursão. 19

20 Amplificador 2 estágios - Projeto Determinação da dimensão de M3 Excursão máxima de CM de entrada O dimensionamento de M1 e M2 obedece os requisitos dados por pelo ganho e GB Dimensionamento de M5 Requisitos de ICMR mínimo Amplificador 2 estágios - Projeto Se o V DS5 resultante for muito baixo (<100mV) resulta em transistores muito grandes. Se V DS5 <0, ICMR mínimo não pode ser atingido. Solução: Aumentar o tamanho de M1 e M2. Isto reduz V GS de M1 e M2. Sobra mais espaço de tensão para excursão de M5. Isto impacta nos passos anteriores Passos anteriores devem ser revistos 20

21 Dimensionamento de M6 Define a posição do polo p2 MF 60 o implica em p2 2,2GB Amplificador 2 estágios - Projeto O tamanho de M3 é conhecido Para uma condição balanceada I6 é definida pelo espelhamento da corrente do primeiro estágio para a carga e pela excursão de saída. Amplificador de 2 estágios - Projeto A corrente I6 e o tamanho de M6 devem satisfazer a questão de excursão de saída também A potência dissipada deve ser verificada, pois normalmente o segundo estágio é que consome mais Dimensionamento de M7 Balanceamento de corrente 21

22 Amplificador de 2 estágios - Projeto Aqui fecha a primeira rodada de projeto, ou seja, de definição dos W/L dos transistores Agora vem a parte de verificação do projeto Atende ou não as especificações Checagem do ganho Amplificador de 2 estágios - Projeto Se o ganho estiver muito baixo Vários pontos podem ser alterados para melhorá-lo Correlação entre as características dos dispositivos e o desempenho global 22

23 Tipos de Amplificadores Tipos de Amplificadores Single Input - Single Output Fonte Comum Cascode Regulado Folded Cascode Pseudo Diferenciais 23

24 Diferenciais completos Tipos de Amplificadores Fonte Comum Cascode Regulado Folded Cascode Fontes Referência Tensão e Corrente 24

25 Definição O que é uma fonte de referência? É uma fonte independente de tensão ou corrente que tem alto grau de estabilidade e exatidão. Requisitos de uma fonte de referência Deve ser independente fonte de alimentação da temperatura de variações do processo de ruído e outras interferências. Processo Altera K, Vt e λ Exemplos de Variações Esta variações alteram o regime de corrente e tensão dos xtores. 25

26 Exemplos de Variações Fonte alimentação 26