TEMA 6: Amplificadores con Transistores
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Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores TEMA 6: Amplificadores con Transistores Contenidos del tema: El transistor como amplificador. Característica de gran señal Polarización. Parámetros de pequeña señal Configuraciones de amplificadores con BJT y MOSFET Polarización en Circuitos Integrados: Espejos de Coriente Amplificadores Integrados MOS: configuraciones básicas Respuesta en frecuencia de los amplificadores Amplificadores diferenciales © los autores Tr. 6.1 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Uso de Transistores: conceptos básicos Amplificador: k>1 vi vo=kvi Interruptor (llave): Linealidad (peq. señal) Suministro de energía vi << 1 Necesidad Polarización Zona “activa” v s No-lineal (gran señal) vi --> VDD Suministro de energía Necesidad Polarización Zonas de operación diferenciadas © los autores vs Tr. 6.2 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores El transistor como amplificador (I) BJT V CC – V o ------------------------- = i ( V ) C I RC Vo Vo VI VCC VCC-ICRC Ecuación característica Vo-Vi de gran señal Corte Conducción ZAD Q V I = v BE = V BE + v be componente AC de pequeña señal componente en DC Zona de amplificación iC = Is e v BE ⁄ U T V BE ⁄ U T = Is e v be ⁄ U T = IC e Linealización ⋅e Saturación VBE VCC VI v be ⁄ U T v be⎞ ⎛ i C ≈ I C ⎜ 1 + --------⎟ UT ⎠ ⎝ para vbe < 10mV © los autores VCEsat 0 punto de operación Zonas de conmutación (llave OFF o ON) VI pequeña: BJT en corte, Vo = VCC , OFF VI grande: iC grande, BJT en saturación, Vo = VCE(sat) , ON Tr. 6.3 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores El transistor como amplificador (II) MOSFET V DD – V o ---------------------- = i ( V I ,V o ) Ecuación característica Vo-Vi de gran señal D RD Vo VI Vo Corte Saturación VDD Zona de amplificación Q punto de operación Lineal o Triodo 0 VT VI ≈ Vo + VT VDD VI ---- ( V I – V T ) 2 ( 1 + λV o ) iD = K 2 ---- [ 2 ( V I – V T )V o – V o 2 ] iD = K 2 © los autores Tr. 6.4 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Polarización (I) Técnica de polarización = técnica para fijar el punto de operación en la zona de amplificación Ejemplo: Varias maneras de polarizar dependiendo de: tipo de transistor tipo de circuito tipo de amplificador fijar IC o fijar IB? recta de carga ? ? ? VCC VBB VCC VCC VCC VCC Tres objetivos generales: - situar al ttor en zona de amplificación - obtener valor deseado de ganancia - disminuir distorsión -VEE © los autores Tr. 6.5 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Polarización (II) Esquema práctico para polarización (BJT y MOS): VCC VCC RC R1 R2 ------------------V B = V CC R1 + R2 para VB>> VBE(on) y RE >> (R1//R2)/(β+1) β F ( V B – V BE ( on ) ) VB I C = ----------------------------------------------------------- ≈ ------( R 1 || R 2 ) + ( β F + 1 )R E R E conseguimos independizar IC de la T R2 Varios problemas de este esquema: RE VCC VCC - RE reduce el rango de tensión a la salida - R1 y R2 derivan corriente de la señal de entrada - se necesitan condensadores para desacoplo DC - no apropiado para circuitos integrados Av rango de fecuencias medias C’s de acoplo debido a C’s acoplo © los autores f debido a C’s del transistor Tr. 6.6 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Aproximación de Pequeña Señal Variables en el circuito: vXY= VXY + vxy iXY= IXY + ixy vXY = Valor total VXY = Valor constante vxy = Variable con t © los autores VXY Fijada por el punto de operación y la red de polarización vxy Dada por el circuito equivalente de pequeña señal equiv. peq. s. de VCC aquí el equiv. de peq. señal del ttor Tr. 6.7 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Parámetros de pequeña señal de un Amplificador Para todo Amplificador se debe conocer: ganancia impedancia de entrada impedancia de salida ancho de banda todos los parámetros se miden en Pequeña Señal en el Punto de Operación se obtienen analizando el circuito equivalente de pequeña señal del Amplificador Definición: vo vi io ii equivalente de pequeña señal del ttor © los autores vo A v = ----vi vi Z i = ---ii vo Z o = ----io ganacia en tensión imp. entrada imp. salida vi = 0 Tr. 6.8 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Configuraciones básicas de Amplificadores Existen tres configuraciones básicas BJT VCC RC X Z Y RB RE -VEE Emisor común: X entrada Z salida Y tierra Base común: Y entrada Z salida X tierra Colector común: X entrada Y salida Z tierra © los autores VDD MOS RD X RG Z Y RS -VSS Fuente común: X entrada Z salida Y tierra Puerta común: Y entrada Z salida X tierra Drenador común: X entrada Y salida Z tierra Tr. 6.9 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Amplificador a Emisor Común Análisis a frecuencias medias V CC vI = VI RC v0 = V0 RB Q Q Circuito Equivalente en Pequeña Señal en ZAD: + vi ( t ) RB + v0 ( t ) vi ( t ) Zi vI Z Impedancia de salida: Z © los autores v be i = v0 ( t ) 1----gµ + v0 Impedancia de entrada: ic ib rπ g m v be RC r0 Zo - Ganancia en tensión: ⎛ v 0 ( t ) = – g m ( R C //r 0 )v be v0 ( t ) rπ ⎜ ----------------------------- ( R //r ) r ⇒ = –gm ⎜ π C 0 v ( t ) R + r -------------------- v ( t ) ⎜ v = i B π be vi RB + rπ i ⎝ ---- = R B + rπ R C //r 0 v0 ( t ) ib A V0 = ------------ = – β 0 -------------------RB + rπ vi ( t ) v o = ----o io = R //r C vi = 0 0 Propiedades: Alta ganancia (máximo valor -VA/UT= 5x103) Moderada impedancia de entrada Alta resistencia de salida Tr. 6.10 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Polarización en Circuitos Integrados (I) En los CIs se evita el uso de Resistencias y Condensadores para polarizar Existen dos formas básicas de polarización: a) con resistencias activas b) con fuentes de corriente En cualquiera de ellas se utiliza también el nivel de DC de la entrada para fijar el punto de operación Resistencias Activas: Son resistencias nolineales que se realizan con ttres. en configuración diodo I I V NMOS I I V PMOS I resistencia en pequeña señal, caso VBS=0 i I MOS en Saturación © los autores k 'W k 'W = ----- ----- ( V – V T ) 2 ( 1 + λV ) = ----- ----- ( V – V T ) 2 λ≈0 2 L 2 L V VT D G + v _ S gmv r ds 1 v-r = = ------------------------- ≈ ------i 1 + g m r ds g m rds Tr. 6.11 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Polarización en Circuitos Integrados (II) Fuentes de Corriente: Se realizan con ttres MOS en Saturación o BJT en ZAD Tipo Fuente Tipo Sumidero IBIAS VGG VBB V V VSS MOS VDD IBIAS V GG VBB V VDD IBIAS IBIAS VCC VEE VSS IBIAS IBIAS para VBS = 0 VGS = VGG - VSS VGS = VGG - VDD V VSS VDD Resistencia de salida en pequeña señal © los autores V VSS VDD 1 + λV DS 1 r o = r ds = ------------------------ ≈ ------------------λI BIAS λI BIAS Tr. 6.12 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Polarización: Espejos de Corriente Los Espejos de Corriente se utilizan para obtener corrientes a partir de una corriente de referencia Espejo NMOS simple k n' W I D1 = ------ ⎛ -----⎞ ( V GS – V T ) 2 ( 1 + λV DS1 ) = I REF 2 ⎝ L⎠1 k n' W I D2 = ------ ⎛ -----⎞ ( V GS – V T ) 2 ( 1 + λV DS2 ) = I o 2 ⎝ L⎠2 W ⎛W -----⎞ ( 1 + λV ----DS2 ) ⎝ L⎠2 L2 I o = ----------------------------------------------- I REF ≈ -------- I REF W ⎛W ---------⎞ ( 1 + λV ) DS1 L1 ⎝ L⎠1 Existen además: a) versiones PMOS y BJT b) espejos múltiples o copiadores de corriente c) configuraciones mejoradas (mayor resistencia de salida) © los autores Tr. 6.13 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Modelo en AC del Espejo de Corriente NMOS © los autores Tr. 6.14 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Modelo en ac del Espejo de Corriente NMOS ro © los autores Tr. 6.15 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Modificaciones al Espejo de Corriente NMOS Cascode Wilson © los autores Wilson modificado Tr. 6.16 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Amplificadores Integrados MOS: Configuraciones Básicas Polarizados con corriente: Fuente Común Drenador Común= seguidor por fuente VDD Ao ≅ 1 VDD A o ≅ – g mI ⁄ g o IBIAS vi vo IBIAS vo se suelen obtener con espejos de corriente VSS Con carga activa: configuraciones fuente común VDD VDD NMOS © los autores VSS vo vo vi VSS VDD vi vo CMOS VSS VSS A o ≅ –g mI ⁄ g mL vi vo vo vi IBIAS VSS VDD vo vi IBIAS vi vi VDD VDD CMOS PMOS VSS VSS Tr. 6.17 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Técnicas de Polarización: Fuente Común Con corriente V A2 1 r o2 = --------------- = r ds2 ≈ -----------------λI REF I REF © los autores Tr. 6.18 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Técnicas de Polarización: Fuente Común equiv. pequeña señal D1, D2 S1, S2 © los autores Tr. 6.19 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Amplificadores CMOS a Fuente Común VDD VGG Equivalente en pequeña señal G1 D1 Ganancia en tensión: v0 D2 M2 vi vo M1 vi gm 1 vi r ds 1 Resistencia de entrada: infinita r ds 2 S1 S2 VSS VDD Equivalente en pequeña señal G1 vo v i g m1 v i vi VSS S1 S2 D1 r ds 1 r ds 2 Resistencia de salida: 1 r o = -----------------------------g ds1 + g ds2 Ganancia en tensión: v0 D2 – g m1 vo A o = ----- = -----------------------------g ds1 + g ds2 vi g m2 v o vo r ds1 r ds2 A o = ----- = – g m1 ------------------------------------------------------------------vi r ds1 ( 1 + g m2 r ds2 ) + r ds2 A o ≅ – g m1 ⁄ g m2 Resistencia de entrada: infinita Resistencia de salida: 1 r o ≅ ----------- g m2 © los autores Tr. 6.20 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Técnicas de Polarización: Puerta Común © los autores Tr. 6.21 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Técnicas de Polarización: Drenador Común © los autores Tr. 6.22 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Amplificador sólo con MOS de canal n ⎛W -----⎞ ⎝ L⎠1 A v = – -------------⎛W -----⎞ ⎝ L⎠2 © los autores Tr. 6.23 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Respuesta en frecuencia de amplificadores (I) Dada por la función de transferencia del amplificador en pequeña señal, obtenida usando el modelo dinámico de los transistores en su región de operación Cgd Cgs Teorema de Miller I1 + V _1 Y I1 I2 + _ V2 V2 K = -----V1 + V1 _ I2 Y1 Y2 + V = KV1 _ 2 Y1 = Y ( 1 – K ) 1 Y 2 = Y ⎛ 1 – ----⎞ ⎝ K⎠ K>1 © los autores Y1 ≈ Y ( –K ) , Y2 ≈ Y Tr. 6.24 Cdb B Csb Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Respuesta en frecuencia de amplificadores (II) Amplificador CMOS a fuente común CgsP CgdN VDD VGG CgdP CdbP vo CgdN vi v0 vi -3dB A0 20dB/dec © los autores r dsP usando Tma de Miller VSS f f1 r dsN CT CT = CL+ CdbN+CdbP+CgdP lAvldB 0 g mN v i CgsN CL CdbN CgsN vi v0 GBW=A0f1 g mN v i C R R = (gdsN+ gdsP)-1 C = CT + CgdN ω1 vo A v = ----- = ( – g mN )R ---------------s + ω1 vi ω1= (RC)-1 Tr. 6.25 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Amplificador CMOS a Fuente Común: Configuración Cascode Con ella se pretende desacoplar la entrada con la salida en AC, evitando de ese modo la alta capacidad de entrada que cargaría las etapas precedentes VDD VGG vB vi M3 vo M2 n1 v1 M1 vo A o = ----- ≅ – g m1 r sd3 vi v1 –g m1 A 1 = ----- ≅ --------------------v i g m2 se puede hacer pequeña para disminuir la capacidad Miller a la entrada Cin1= cgd1(1-A1) Respuesta en frecuencia: ω1 vo A v = ----- = A o ---------------s + ω1 vi , ω1= (RC)-1 R = rsd3 CT = CL+ Cgd3+Cgd2+Cdb2+Cdb3 aparece un segundo polo asociado a la impedancia en el nudo n1, pero es bastante mayor que ω1 y apenas afecta. © los autores Tr. 6.26 Electrónica TEMA 6: Amplificadores con Transistores Respuesta Típica en Frecuencia VCC VCC VDD v0 vi VGG M2 C g mN v i R vo M1 vi C’s acoplo lAvldB VSS rango infinito de frecuencias caso ideal lAvldB lAvldB -3dB rango de frecuencias medias A0 20dB/dec caso real debido a C’s acoplo © los autores f debido a C’s del transistor 0 f f1 GBW=A0f1 Tr. 6.27
