O MOSFET como Amplificador. ENG04055 Concepção de CI Analógicos Eric Fabris

Transcrição

1 O MOSFET como Amplificador

2 Amplificador Básico Amplificador Fonte Comum Topologia Básica Representação Gráfica da Reta de Carga eterminação da Curva de Transferência v i i O v S f ( v f ( v V GS GS R ) saturado, v ) triodo S i

3 Curva de Transferência eterminação da Curva de Transferência A curva de transferência mostra a operação como amplificador, com o MOST polarizado no Ponto Q.

4 Reta de Carga Influência da Reta de Carga na Excursão de Sinal Ponto Q não deixa espaço suficiente para excursão positiva do sinal, muito próximo de V Ponto Q não deixa espaço suficiente para excursão negativa do sinal, muito próximo da região de Triodo.

5 Pequenos Sinais Circuito conceitual para estudo do modelo de pequenos sinais Fonte de Sinal Fonte de Polarização

6 Pequenos Sinais Aplicação de um sinal de entrada de 50 mvpp

7 Pequenos Sinais I g g m m ' n k di dv k ' n GS W W V V GS t W ' V GS Vt kn VOV V OV Tensão de overdrive

8 Pequenos Sinais Resposta de saída do amplificador Fonte Comum

9 Pequenos Sinais Tensões instantâneas v GS e v no circuito abaixo.

10 Modelo para Pequenos Sinais Modelo Simplificado Modelo Extendido Considerando o efeito de modulação do comprimento do canal (EARY) que é modelado por r o = V A /I

11 Análise de um Amplificador MOS Considere o amplificador Fonte Comum FC ao lado cujo transistor possui o seguintes características: k n (W/) = 0,5 ma/v V t =,5 V V A = 50 V R = 0kΩ V = 5V Suponha que os capacitores são praticamente curto circuitos para sinal. Calcule: O ganho de pequenos sinais A resistência de entrada O maior sinal de entrada para operação em saturação.

12 Amplificador Fonte Comum () V in Com Carga Resistiva R 0 < V in < V V out V R V out M Corte (Sub-Threshold) Saturação + VTH - A corrente V V out out V V W I n ox C Vin A tensão de saída V Ganho I R R I de Tensão em saturação é dada por : n V out C : A ox v TH pode se expressa W V V V in out in V TH como : Modelo de pequenos sinais em saturação V in + + V in - g m V R V out V TH A V in V in Triodo v g out m R n C g ox m v W in V in V TH O ganho do circuito varia substancialmente para grandes excursões da entrada!

13 V in Com Carga Resistiva R Triodo 0 < V in < V V R M V out V out Corte (Sub-Threshold) V TH Saturação A V in + VTH - V in Modelo na região deep triode M V in V in < V in < V V R R on V out O ganho cai na região de triodo! Procura-se trabalhar a esquerda do ponto A. V R out out on Amplificador Fonte Comum () Triodo R C n A tensão V I out V in C n de transição V ox TH W V in Tensão GS V V TH pode ser obtida de overdrive W Vin VTH V R ncox Vin VTH Na região de triodo (resistor controlado por V A tensão de saída para V V V R Ron R ox on W V C n out V S V S : GS ) I V V R C V V GS ox TH in W V V in GS V é : V TH V S n V A resistênci a na região de triodo (deep) é : ox S W in é expresso : TH V

14 Com Carga Resistiva R Comportamento de I x V in V R I V TH V in Comportamento de g m x V in g m Amplificador Fonte Comum (3) A v é não linear A A A v (g m (V in )) v Onde v R V g R Observações Para minimiza a não linearidade, A v deve ter pouca dependência de parâmetros que dependam da entrada V in Como maximizar A v? m R C n ox I W C V n R I ox W I V I Aumentando W/ MOST maior Área e Capacitâncias maiores R V TH V in V in Aumentando V R Reduz a excursão de sinal iminuindo I Maior R Reduz resposta em freqüência Existem relações de compromisso entre ganho, BW e excursão de sinal

15 Amplificador Fonte Comum (4) I I V V out out V V Com Carga Resistiva R Aumentando R, o efeito de modulação do comprimento de canal torna-se mais significativo. em saturação V V out in A tensão Ganho W ncox V de saída R R R R n I C de Tensão n ox in V C consideran do o CM é : n ox V out C : A W ox v W TH V in W V V V V in ( V expressa in out in V TH V V TH TH out -se : ( V ) ( V out V V ) out in out ) Utilizando a aproximação de I W I ncox V in VTH O ganho A pode ser expresso como : A A v v R Como r g V in S m + g v m r R o R r + o V in - R r o I I A Modelo de pequenos sinais v g m V r eq r o r R o R V out R r o

16 Amplificador Fonte Comum (5) Ganho intrínseco V in 0 < V in < V A A v v lim g V R m V out M r o r or gm R ro Ganho Intrínseco I O ganho intrínseco é o maior ganho que se consegue obter com um único dispositivo. g m r o para MOST de canal curto gira em torno de 0 a 50.

17 Amplificador Fonte Comum (6) V TN = 0,63V V TP = -0,99V Tecnologia AMIS 0.5 k N = 37,4 μa/v k P = 3,9 μa/v V in λ N = 0,009 /V ( =,5μm) λ P = 0,0 /V ( =,5μm) =,5μm e W = 5μm I [ma] Corrente I x V in R = k R = k R = 0k 0 < V in < V V R M V out V out [V] V out x V in Ganho de Tensão A v x V in A v [V/V] R = k R = k R = 0k V in [V] R = k R = k R = 0k V in [V] V in [V]

18 Com Carga ativa Tipo iodo É difícil construir resistores precisos e de tamanho razoável em CMOS Solução trocar o resistor R por MOST O MOST em pequenos sinais pode operar como um resistor Configuração diode connected é uma analogia com os transistores bipolares Topologia diode connected NPN + V c - NMOS g m V c PNP r o I x Amplificador Fonte Comum (8) PMOS Modelo de pequenos sinais R eq + V x V x I Considerando o efeito de corpo x R eq V + V c - g m V c I S I x x + + V r x o V I G ( g x x m r o g mb m ) V g g V x x mb r o R eq g m g g mb V bs mb R eq V I x x r o g m g m

19 Amplificador Fonte Comum (7) V in Com Carga Ativa Tipo iodo 0 < V in < V A V v M V out M g Fazendo A v g g m η m m R substituído por um nmost conectado como carga ativa. Substituindo na expressão do ganho de tensão, R pela impedância equivalente de M. g m g g g mb m mb Expressando A v em termos da dimensão de M e M Como W gm ncox I O ganho pode ser expresso A Como A v v I C C W W Estando M e M em saturação: n n I ox ox W O ganho dependo somente das dimensões de M e M (desprezando o efeito de corpo). O ganho não dependo da polarização. W I I

20 Amplificador Fonte Comum (8) V TN = 0,63V V TP = -0,99V Tecnologia AMIS 0.5 k N = 37,4 μa/v k P = 3,9 μa/v V in λ N = 0,009 /V ( =,5μm) λ P = 0,0 /V ( =,5μm) 0 < V in < V = =,5μm; W = 7,5μm A v [V/V]Ganho de Tensão A v x V in W = 7,5μm W = 30μm W = 90μm V M V out M V out [V] I [ma] V out x V in W = 7,5μm W = 30μm W = 90μm Corrente I x V in V in [V] W = 7,5μm W = 30μm W = 90μm V in [V] V in [V]

21 Com Carga Ativa Tipo iodo Amplificador Fonte Comum (9) V in 0 < V in < V V M V out M R substituído por um pmost conectado como carga ativa. Vout[V] Id[mA] W = 7,5μm W = 5μm W = 30μm Pelos resultados anteriores A ogo A v v g g m m podemos n p W W expressar A v Av[V/V] Nenhum dos transistores sofre efeito de corpos! Vin[V]

22 Inversor com Carga Ativa W 7,5m,5 m W k 7,5m,5 m W W W 7,5m,5 m 5m,5 m,5m,5m

23 Amplificadores ineares Amplificador Gate Comum Amplificador Seguidor de Fonte Amplificador Cascode

24 Amplificador Seguidor de Fonte O ganho do amplificador CS é diretamente proporcional a impedância de saída Alto ganho R grande Se a impedância da carga for baixa, há a necessidade de um buffer O SF é uma opção para acoplar o estágio de ganho com a carga

25 Amplificador Seguidor de Fonte V in > V TH M liga saturado V out é dado por: O ganho do SF é obtido diferenciando V out em relação a V in : Como

26 Amplificador Seguidor de Fonte A impedância de saída pode ser calculada Modelo de pequenos sinais G S Ro Modelo de R o g m g mb pequenos sinais

27 Amplificador Seguidor de Fonte.include AMIS5t55w.txt vd V 0 dc 5 vin vgs 0 dc 0 *ibb dreno vss dc 00e-6 Rs f 0 5k M vdd vgs f 0 CMOSN l=5u w=500u pd=4.u ad=0.6p ps=4.u as=0.6p.control dc vin 0 5V 0.0V let vs = v(f)[ 0, 500] let ids = (-i(vd)[ 0, 500])*000 plot vs plot deriv(vs) plot ids.endc.end Vout I R Av Vin

28 Amplificador Seguidor de Fonte Efeito de corpo (Vsb 0) Vout A V I R Vin Titulo: Seguidor de fonte (nmos).include AMIS5t55w.txt vd vdd 0 dc 5 vin vgs 0 dc 0 Rs f 0 5k *Com efeito de corpo M vdd vgs f 0 CMOSN l=5u w=500u pd=4.u ad=0.6p ps=4.u as=0.6p vd vdd 0 dc 5 Rs f 0 5k *Sem efeito de corpo. M vdd vgs f f CMOSN l=5u w=500u pd=4.u ad=0.6p ps=4.u as=0.6p.control dc vin 0 5V 0.0V let vs = v(f)[ 0, 500] let vs = v(f)[ 0, 500] let ids = (-i(vd)[ 0, 500])*000 let ids = (-i(vd)[ 0, 500])*000 plot vs vs plot deriv(vs) deriv(vs) plot ids ids.endc.end

29 Amplificador Seguidor de Fonte Comparação entre SF e CS Seguidor de Fonte - SF Fonte Comum - CS v v out in SF R R g m v g out m R n C g ox m v W in V in V TH A diferença esta no ganho atingível Se gm = R o ganho do SF é 0,5 e o CS é! O SF não é necessariamente o melhor driver! Sua maior aplicação é no deslocamento de níveis

30 Amplificador Gate Comum - CG No CS e SF, o sinal é aplicado no gate e a saída é no dreno ou fonte É possível também aplicar o sinal na fonte. Tomando a saída no dreno

31 Amplificador Gate Comum - CG A corrente de dreno é expressa por O efeito de corpo incrementa a transcondutância equivalente! O decréscimo de Vin pode levar o M a entrar na região de triodo.

32 Amplificador Gate Comum

33 Amplificador Cascode A entrada de um estágio CG pode ser uma corrente. O amplificador CS converte tensão em corrente A cascata de um estágio CS e um CG é chamada de cascode O objetivo é minimizar a capacitância Miller C G M converte Vin em corrente que é encaminhada a Rd por M

34 Amplificador Cascode Tensões no estágio cascode Característica entra x saída Modelo de pequenos sinais

35 Amplificador Cascode Uma das vantagens do CA é sua alta impedância de saída erivada do estágio CS R g out m ( g C n ox m gmb) W V gs V r TH ds r ds r ds

36 Amplificador Cascode Ganho de tensão ) ( temos ) ( e Como m o o mb m out m v o o mb m out m m g r r g g R G A r r g g R g G

37 Amplificador Cascode Normalmente (W/) é o dobro de (W/)

38 Amplificador Cascode Modelo de pequenos sinais

39 Fonte de corrente

40 Fonte de Corrente Fonte de corrente Ideal Corrente é fixa em Io A tensão v pode variar de - a +

41 NMOS como fonte ou sorvedouro de corrente Fonte Corrente A fonte de corrente é caracterizada por dois parâmetros r out mede a independência de v v MIN tensão mínima a partir da qual a fonte a corrente deixa de ser praticamente constante O transistor NMOS é um sorvedouro de corrente que somente aceita tensões v positivas

42 Fonte de Corrente PMOS como fonte de corrente

43 Fonte Corrente A tensão v gs do transistor tem duas componentes O tensão mínima de operação da fonte de corrente pode ser reduzida pelo aumento do W/

44 Espelho de corrente

45 Espelho de corrente

46 Espelho de corrente Comportamento em função das Impedâncias de entrada e saída

47 Espelho de corrente

48 Espelho de Corrente

49 Espelho de corrente Erro no espelhamento da corrente Uso de transistores unitários e bom leioute

50 Espelho de Corrente Efeitos de segunda ordem

51 Espelho de corrente Modelo de pequenos sinais

52 Espelho de corrente Um das fontes de erro do espelho de corrente é sua impedância de saída Como minimizar este efeito? Utilizando uma saída do tipo cascode! Como gerar V b? A idéia é fazer Vx = Vy

53 Espelho de corrente Espelho de corrente de precisão ou cascode A escolha apropriada de M0 possibilita que Vx=Vy!

54 Espelhos de corrente Espelho de corrente de precisão

55 Espelho de corrente Modelo de pequenos sinais

56 Espelho de corrente Impedância de saída

57 Espelho de corrente Comparação entre o espelho de corrente simples e o de precisão