Amplificadores de una etapa
Anuncio
Primero Ingeniería Electrónica Tema Diseño de Circuitos y Sistemas Electrónicos ETAPAS AMPLIFICADORAS BASICAS 1. En Fuente Común 2. En Drenador Común o Seguidor de Fuente 3. En Puerta Común 4. Etapas de Ganancia Cascodo 5. En Emisor Común 6. En Colector Común o Seguidor de Emisor DICIEMBRE 1998 Antonio Jesús Torralba Silgado 1 of 24 1. EN FUENTE COMÚN Ö Típica M3 etapa de amplificador de tensión gm1vin M2 vin v IN I BIAS vOUT M1 + + v gs1 vout r2 = rds1 || rds 2 Ö Con carga activa se puede conseguir alta ganancia con baja tensión de alimentación Antonio Jesús Torralba Silgado 2 of 24 Propiedades Ö Ganancia de tensión. Típico : -10 a -100 Av = − g m1r2 = − g m1 ( rds1 || rds 2 ) Ö Resistencia Ö de salida. Típico 10KOhm rout = rds1 || rds 2 Nota: Es posible aumentar considerablemente rout y Av cascodando ambos transistores, M1 y M2. Cascodar uno sólo no es suficiente. Antonio Jesús Torralba Silgado 3 of 24 Ejemplo 1: A. Fuente Común Ö Datos: W L = 100 µ m 1 . 6 µ m I BIAS = 100 µ A µ n C ox' = 90 µ A V 2 µ p C ox' = 30 µ A V 2 rds − n (Ω ) = 8000 L µ m I D (mA ) rds − p (Ω ) = 12000 L µ m I D (mA ) Ö Se pide: Determinar la ganancia de tensión Ö Solución: g m 1 = rds1 = 2 µ nC 8000L µm 8000×1.6 = = 128 KΩ I D (mA) 0.1 ' ox (W rds2 = L ) 1 I BIAS = 1 . 06 mA V 12000L µm 12000×1.6 = = 192 KΩ I D (mA) 0.1 Av = − gm1 (rds1 || rds2 ) = −81.4 Antonio Jesús Torralba Silgado 4 of 24 2. EN DRENADOR COMÚN o SEGUIDOR DE FUENTE Ö Típica I BIAS etapa buffer de tensión gm1v gs1 − gmb1v s1 v IN M1 + vin + v gs1 vOUT M2 M3 rds1 vs1 + rds2 vout Antonio Jesús Torralba Silgado 5 of 24 Propiedades Ö Aplicando [ ecuaciones: ] v out = g m1 (vin − v out ) − g mb1v out − v out rds1 rds 2 ➤ despejando, v out 1 + ( g m1 + g mb 1 + g ds1 ) rds 2 = g m1rds 2 vin [ ] Ö de donde, la Ganancia de Tensión es: v g m1 <≈ 1 Av = out = vin g m1 + g mb 1 + g ds1 + g ds 2 Ö y la Resistencia de Salida es pequeña rout = 1 (g m1 + g mb 1 + g ds1 + g ds 2 ) ≈ 1 Antonio Jesús Torralba Silgado (g m1 + g mb 1 ) 6 of 24 Ejemplo 2: Seguidor de Tensión Ö Datos: Los mismos γ n = 0 . 5 V 0 .5 Ö Se que en el Ejemplo 1 más pide: Determinar la ganancia de tensión rds 1 = rds 2 = 128 K Ω Ö Solución: g m 1 = 1 . 06 mA V ➤ Para calcular g mb1 se necesita VSB , que depende de la entrada. Asumiremos VSB ≈ 2V g mb 1 = γ g m1 2 V SB + | 2 φ Av = g m1 + g F mb | = 0 . 15 g m = 0 . 16 mA V g m1 1 + g ds 1 + g = 0 . 86 ds 2 Antonio Jesús Torralba Silgado 7 of 24 Buffer Mejorado Ö v IN I BIAS M1 + vOUT M2 M3 Av = Ö Mejora la ganancia de tensión y la resistencia de salida, pero empeora la respuesta dinámica y puede oscilar, requiriendo compensación en ese caso. Ö Ganancia de Tensión g m1 A A ≈ g m 1 (1 + A ) + g mb 1 + g ds1 + g ds 2 1 + A Resistencia de Salida rout = 1 1 ≈ gm1 (1 + A) + gmb1 + gds1 + gds 2 gm1 (1 + A) Antonio Jesús Torralba Silgado 8 of 24 3. EN PUERTA COMÚN Ö Se usa por su baja impedancia de entrada o como amplificador de corriente gm1v gs1 − gmb1v s1 M3 M2 I BIAS VBIAS + v gs1 vOUT M1 RS + v IN vout rds1 vs1 + vs vs Ö RL RS + En la figura, R L = rds 2 Antonio Jesús Torralba Silgado 9 of 24 Ganancia de Tensión Ö Aplicando ecuaciones en los nodos (G L + g ds1 )v out − g ds1v s1 − (g m1 + g mb1 )v s1 = 0 (G S + g ds1 ) v s1 − G S v S − g ds1v out + (g m1 + g mb1 )v s1 = 0 ➤ despejando Av = v out = vs (1) (2) v s1 en (1), y sustituyendo en (2) GS g m 1 + g mb 1 + g ds1 g + g mb 1 + g ds1 G L + g ds1 G S + m1 1 + g ds1 G L Antonio Jesús Torralba Silgado 10 of 24 Algunas precisiones Av ≈ GS gm1 gm1 G L + gds1 GS + 1 + gds1 G L RS es muy pequeña, Av → gm1 (G L + gds1 ) y, dependiendo del valor de G L , Av puede llegar ➤ Si a tener un valor elevado ➤ Si, por el contrario, RS es muy grande, entonces Av → 0 Antonio Jesús Torralba Silgado 11 of 24 Resistencias de entrada y Salida Ö Resistencia de Entrada vista en la fuente de M1: g ds1 1 1 + rin = g m1 + g mb1 + g ds1 GL ➤ que es aproximadamente 2 g m1 si la carga es un espejo simple, pero puede ser muy grande si la carga es elevada, por ejemplo un espejo cascodo. Ö Resistencia de Salida: g out = GL + ➤ g ds1GS ≈ GL g m1 + g mb1 + GS Puede llegar a ser muy elevada si la polarización es cascodo Antonio Jesús Torralba Silgado 12 of 24 4. ETAPAS GANANCIA CASCODO Ö Etapas amplificadores de muy alta ganancia vOUT VCAS v IN Telescópica M2 I BIAS1 I BIAS M2 v IN VCAS M1 vOUT M1 I BIAS Plegada Antonio Jesús Torralba Silgado 13 of 24 Comparando las dos Versiones Ö En ambos casos, si queremos una ganancia elevada, I BIAS debe ser un espejo de elevada resistencia de salida, por ejemplo, cascodo. Ö Ventajas de la configuracián plegada ➤ Los niveles dc a la entrada y salida son similares ➤ Puede trabajar con menor tensión alimentación. Ö Inconvenientes: ➤ Necesita otra fuente de polarización ➤ Menor producto GBW: a igual tamaño del trans. pMOS (igual C parásita), éste tiene menor gm. Antonio Jesús Torralba Silgado 14 of 24 Ventajas de las Etapas Cascodo Ö Se consiguen elevadas ganancias por su elevada resistencia de salida. (La resistencia de carga debe ser también elevada, normalmente una capacidad). Ö La tensión en el drenador de M1 se mantiene aprox. cte., minimizando el efecto de modulación de canal, muy importante en las tecnologías modernas. Ö Estas propiedades se consiguen sin degradar la velocidad, como veremos a continuación para una carga capacitiva Antonio Jesús Torralba Silgado 15 of 24 Comparación de GBW I BIAS vOUT I BIAS vOUT VCAS 1 gm 2 gds M2 v IN M1 CL NORMAL Ö v IN M1 gm 2 gds CL CASCODO Tienen el mismo GBW = gm CL Antonio Jesús Torralba Silgado 2 Cascodo Normal 2 gds2 gm C L 2gds CL 16 of 24 gm CL Amplifi. Cascodo Telescópico Ö Resistencia de Salida: (Típica 1 Mohm) ➤ Del espejo cascodo sabemos que la rout en el drenador de M2 es aprox. rds 2 gm 2 rds1 . Supuesto que la polarización también es cascodo, rout ≈ rds 2 g m 2 rds1 2 Ö Ganancia de Tensión: (Típica 1000) 1 g g g r r ≈ m 1 m 2 ds1 ds 2 ≈ m 2 2 g ds Av ≈ g m 1rout Antonio Jesús Torralba Silgado 2 17 of 24 5. EN EMISOR COMÚN Ö Típica etapa de amplificador de tensión RS gm1vbe1 RL RS + vs vs + + vbe1 rπ 1 vOUT vout r2 = ro1 || R L Q1 Ö Las principales diferencias con la etapa en fuente común son: ➤ el mayor valor de gm y ➤ la resistencia de entrada finita Antonio Jesús Torralba Silgado 18 of 24 Propiedades de salida rout = ro1 || R L Ö Ganancia de Tensión: − g m1 ( ro1 || R L ) Av = 1 + RS rπ 1 Ö Resistencia la carga es un espejo, entonces R L = ro 2 Ö Podemos aumentar la resistencia de salida y la ganancia cascodando amplificador y carga Ö Si Antonio Jesús Torralba Silgado 19 of 24 5. EN COLECTOR COMÚN o SEGUIDOR DE EMISOR Ö Buffer de Tensión RS RS + vs ib + Q1 vOUT RL vs + vbe1 gm1vbe1 ro1 rπ 1 Antonio Jesús Torralba Silgado RL vout 20 of 24 Ganancia de Tensión ( ➤ como ) 1 1 − 1 + g m1rπ 1 ib = 0 v out + ro1 R L Ö Nodo vout : ( ) v s = v out + ib Rs + rπ 1 , despejando Av = 1 RS + rπ 1 1 1 1+ + 1 + g m1rπ 1 ro1 R L ≈1 Antonio Jesús Torralba Silgado 21 of 24 Resistencia de salida Ö Anulamos la fuente de entrada y ponemos v RS i gm1vbe1 b + vbe1 rπ 1 vs Ö Operando rout = ro1 RL i + v 1 v = 1 + g m 1 rπ 1 1 1 i + + ro 1 R L R S + rπ 1 Antonio Jesús Torralba Silgado 22 of 24 Resistencia de salida la carga R L es muy grande (capacitiva o un espejo), y RS ≤ rπ 1 Ö Si rout → RS + rπ 1 1 + g m1rπ 1 ≈ RS + rπ 1 1+ β que es muy pequeña Antonio Jesús Torralba Silgado 23 of 24 Bibliografía 1. D.A.Johns, K.Martin. Analog Integrated Circuit Design. John Wiley & Sons. New York: 1997. 2. P.R.Gray, R.G.Meyer. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 3rd. ed. John Wiley & Sons. New York: 1993. 3. K.R.Laker, W.M.C.Sansen. Design of Analog Integrated Circuits ans Systems. McGraw-Hill. New York: 1994. Antonio Jesús Torralba Silgado 24 of 24
