Clase 24 - Fuentes de corriente - Introducción a amplificadores

66.25 - Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat. 2011
Clase 24-1
Clase 241 - Fuentes de corriente Introducción a amplificadores multietapa
integrados
Junio de 2011
Contenido:
1. El transistor MOS como referencia de tensión-corriente
2. Fuente de corriente espejo simple
3. Introduccion a circuitos multietapa elementales integrados
Lectura recomendada:
Howe and Sodini, Ch. 9, §§9.4
1
Esta clase es una adaptación, realizada por los docentes del curso ”66.25 - Dispositivos Semiconductores - de la FIUBA”, de la correspondiente hecha por el prof. Jesus A. de Alamo para el curso ”6.012 Microelectronic Devices and Circuits” del MIT. Cualquier error debe adjudicarse a la traducción.
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Clase 24-2
Preguntas disparadoras
• ¿Cómo se puede utilizar un transistor MOS para obtener
una referencia de corriente-tensión?
• ¿Cómo se puede polarizar muchos transistores con una
misma referencia?
• ¿Cómo puede aprovecharse esta idea en circuitos analógicos
integrados?
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Clase 24-3
1. El transistor MOS como referencia de tensión
2 Requisitos para una referencia de tensión:
• Una tensión constante y conocida con precisión
• Que la tensión no dependa de la corriente de salida
(= baja resistencia interna).
Caracterı́sticas I-V de una fuente de Tensión:
Modelo circuital equivalente de un generador de tensión:
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Clase 24-4
2 Consideremos un N-MOSFET en ”configuración diodo”:
Caracterı́sticas I-V: (válido si VGS > VT y VGD = 0)
W
W
2
ID =
µCox(VGS − VT ) =
µCox(VDS − VT )2
2L
2L
Superado VT el MOSFET es similar a un ”diodo” con
caracterı́sticas I-V cuadráticas.
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Clase 24-5
2 Analicemos la siguiente situación asumiendo que disponemos
de una fuente de corriente:
Analizando el circuito desde el punto de vista de las corrientes:
ID = IREF + iOU T
Luego VGS = VDS = vOU T se auto-ajusta para cumplir:
ID =
W
2L µCox (vOU T
− V T )2
(válido para vOU T > VT )
Despejando vOU T :
vOU T
v
u
u
u
u
u
t
IREF + iOU T
= VT +
W
2L µCox
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Clase 24-6
vOU T es una función de IREF y del W/L del MOSFET:
• IREF ↑ ⇒ vOU T ↑
• W/L ↑ ⇒ vOU T ⇒ VT (menor dependencia de la
corriente)
2 Análisis de pequeña señal:
Rout
1
1
= //ro '
gm
gm
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Clase 24-7
2 Considerando un P-MOSFET :
La misma idea y caracterı́sticas que un generador de
tensión con NMOS, pero el PMOS tiene que ser más
grande para obtener la misma Rout porque µp < µn.
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Clase 24-8
2. Fuentes de corriente
2 Requisitos de una fuente de corriente:
• Una corriente constante y conocida con precisión
• Que la corriente no dependa de la tensión de salida
(= alta resistencia interna).
Caracterı́sticas I-V de la fuente de corriente:
Modelo circuital equivalente del generador de corriente:
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Clase 24-9
2 Copia de corriente espejo simple:
IOU T
1 W
'   µCox(VREF − VT )2
2 L 2
IREF
1 W
'   µCox(VREF − VT )2
2 L 1




Entonces:
W
L 2
IREF W
L 1
IOU T =
IOU T se ajusta con IREF según la relación W/L de los
MOSFETs: Circuito espejo de corriente.
Es importante contar con transistores ”bien apareados”:
proporción W/L muy controlada, mismo VT , tox, etc.)
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Clase 24-10
• Modelo de pequeña señal de una fuente de corriente:
Rout = ro2
Caracterı́sticas I-V de una fuente de corriente N-MOSFET:
Nota: Esta fuente es diferente que las fuentes tradicionales:
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2 Fuente de corriente P-MOSFET:
Fuente espejo con P-MOSFET :
• Transistor N-MOS sumidero de corriente.
• Transistor P-MOS fuente de corriente.
Clase 24-11
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Clase 24-12
2 Multiples fuentes de corriente
Dado que IG = 0, de una sola fuente de corriente es posible
obtener multiples fuentes espejo:
W
IREF WL n
L R
IOU T n =
La misma idea se aplica a fuentes de corriente NMOS:
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Clase 24-13
2 Múltiples fuentes y sumideros de corriente
Generalmente, en cualquier circuito se necesitan multiples fuentes que absorvan y entreguen corriente. Estas se
puede construir a partir de una unica fuente de corriente:
IOU T 1 =
W
IREF WL 1
L R
IOU T 2 =
W
IREF WL 2
L R
W
L 4
IOU T 1 W
L 3
IOU T 4 =
W
W
IREF WL 4 WL 1
L 3 L R
=
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Clase 24-14
2 Pero como generamos IREF ?
El circuito mas simple es:
IREF =
VDD −VOU T
R
VOU T = VT +
v
u
u
t
IREF
W
2L µCox
Para W/L grande, VOU T → VT
IREF '
VDD − VT
R
• Ventajas:
– IREF puede ser configurado mediante un resistor
(externo o interno ”trimmeado”).
• Desventajas:
– VDD afecta IREF .
– VT y R dependen de la temperatura ⇒ IREF (T ).
En aplicaciones reales se utilizan circuitos para generar la
IREF que son independientes de VDD y de T .
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Clase 24-15
2 Por ejemplo analicemos que ocurre si hay una variación
en VDD
La variación ∆V está aplicada sobre R en serie con un
N-MOS en configuración diodo, por lo tanto:
∆V = (R + 1/gm)∆IREF
Entonces:
(w/l)1 ∆V
∆IOU T = (w/l)
2 R+1/gm
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Clase 24-16
2 Analicemos ahora la dependencia de IOU T con VDD en
el siguiente circuito:
VGS1 = VGS2 + IOU T RS
Escribiendo todo en funcion de las corrientes:
VT +
v
u
u
t
IREF
w µC
ox
2l
= VT +
v
u
u
t
IOU T
w µC
k 2l
ox
+ IOU T RS
Suponiendo que M3 y M4 cumplen la función de forzar
IOU T = IREF se despeja:
IOU T =
√1 2
1 (1− k )
w µC
RS 2 2l
ox
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IOU T NO depende de VDD
Clase 24-17
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Clase 24-18
2 La implementación del circuito anterior requiere un
modificación ya que la condición IREF = IOU T = 0 es
un punto de trabajo estable del sistema. Para solucionar
esto, se agrega el transistor M 5, el cual conduce cuando
solo cuando se enciende el circuito.
¿Qué condiciones se deben cumplir para que M 5
conduzca solo en el arranque del circuito?
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Clase 24-19
3. Algunos circuitos multietapa elementales
integrados
¿Qué etapas amplificadoras hay?
¿Qué función cumple este circuito?
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Clase 24-20
¿Qué etapas amplificadoras hay? Rta: Drain Comun
¿Qué función cumple este circuito? Rta: Buffer de Tensión
(AV =1, Alta Rin y Baja Rout)
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¿Qué etapas amplificadoras hay?
¿Qué función cumple este circuito?
Clase 24-21
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Clase 24-22
¿Qué etapas amplificadoras hay? Rta: Source Comun
¿Qué funcion cumple este circuito? Rta: Amplificador de
Trasconductancia (Gm=io/vi, Alta Rin y Alta Rout)
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¿Qué etapas amplificadoras hay?
¿Qué función cumple este circuito?
Clase 24-23
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Clase 24-24
¿Qué etapas amplificadoras hay? Rta: Emisor Comun
¿Qué funcion cumple este circuito? Rta: Amplificador de
Trasconductancia
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¿Qué etapas amplificadoras hay?
¿Qué función cumple este circuito?
Clase 24-25
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Clase 24-26
¿Qué etapas amplificadoras hay? Rta: Source Comun y
Drain Comun
¿Qué función cumple este circuito? Rta: Amplificador de
Tension
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¿Qué etapas amplificadoras hay?
¿Qué función cumple este circuito?
Clase 24-27
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Clase 24-28
¿Qué etapas amplificadoras hay? Rta: Colector Comun
y Emisor Comun
¿Que función cumple este circuito? Rta: Amplificador de
Tensión
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Clase 24-29
Principales conclusiones
• Una referencia de tensión se puede obtener a partir
de un MOSFET en ”configuración diodo” en serie con
una fuente de corriente de referencia.
• Una copia de corriente se puede obtener a partir de
una fuente de corriente con un circuitocopia de corriente espejo.
• Se pueden obtener múltiples fuentes o sumideros de
corriente, a partir de una sola fuente de corriente de
referencia.
• La ”calidad” de estas fuentes de corriente se basa en
que en la tecnologı́a de circuitos integrados dispone
de transistores ”bien apareados” dentro de un mismo
chip, es decir: misma T emp, mismo VT , mismo tox y
relación controlable de W/L.