05 par diferencial

INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOUniversidade Técnica de Lisboa

Electrónica GeralElectrónica Geral

Par DiferencialPar Diferencial


Par Diferencial com Transistores Par Diferencial com Transistores BipolaresBipolares

-VEE


Modo diferencial e Modo ComumModo diferencial e Modo Comum

As duas entradas do par diferencial são as tensões vB1 e vB2.

1 21 2

2B B

C D B BV V

V V V V


Par diferencial com entrada de modo comum

As correntes dos dois colectores são exactamente iguais.

Em cada colector IC=IE

Em que


Par diferencial com entrada diferencial de grande amplitude

Existindo uma entrada diferencial de amplitude razoavelmente elevada (vD=1 V) a corrente passará toda por um dos transistores.

Note-se que:

vB1=vC+vD/2=0,5+0,5 V

vB2=vCvD/2=0,50,5 V


Par diferencial com entrada diferencial de grande amplitude

Neste caso as entradas são:

vB1=vC+vD/2=0,50,5 VvB2=vCvD/2=0,5+0,5 V

Note-se que o transistor que conduz toda a corrente não deve chegar a saturar.


Par diferencial com entrada diferencial de pequena amplitude

Considerando que a fonte de corrente I é ideal, a soma das correntes nos dois emissores mantém-se igual a I.


Correntes de colector em modo diferencialCorrentes de colector em modo diferencial

/ /

/ /

/ /

( )

/ quando

BE T BE T

BE T BE T

D T D T

v u v uC S C S

v u v uC C SEE E E

D BE BE

EE EEC Cv u v u

C C EE EE

C C EE D

i I e i I e

i i II I I e e

v v v

I Ii i

e e

i i I I

i i I v


Correntes de colector em modo diferencialCorrentes de colector em modo diferencial

I=IEE


Ganho Ganho

D Tv u=Pode considerar-se que a zona linear de funcionamento corresponde a

No ponto de equilíbrio vD=0 :

,

/

( )

DC m BE BE BE

C m EE EE

D T T

C C

C C C

C C

vi g v v v

i g I I

v u u

v R i

v v R i i

v R i


Ganho Ganho

Os ganhos medidos na tensão de cada colector e na diferença de tensões serão:

EEC D

T

EEC D

T

EEC D

T

Iv R v

u

Iv v v R v

u

Iv R v

u


Linearização da Característica por Colocação de Resistências nos Emissores

1 2

1 2 1 2

1 2 1 2

1 2

1 2

1

2

( )

Desprezando face a ( )

Resulta por soma e subtacção

2 2

2 2

C C

D B B e C C

B B e C C

C C

DC C

e

DC

e

DC

e

i i I

v v v R i i

v v R i i

I i i

vi i

R

vIi

R

vIi

R


Linearização da Característica por Colocação de Resistências nos Emissores


Separação, num circuito com simetria geométrica Separação, num circuito com simetria geométrica nos modos comum e diferencialnos modos comum e diferencial


MODO COMUMMODO COMUM

A resistência central pode ser dividida em duas, que por estarem em paralelo terão um valor óhmico duplo.


MODO DIFERENCIALMODO DIFERENCIAL

Na resistência central não há corrente, e pode ser retirada do circuito.


Resultado Final por SobreposiçãoResultado Final por Sobreposição

É necessário lembrar que o princípio da sobreposição decorre da linearidade. Em dispositivos não lineares é necessário ter cuidado a aplicá-lo.


Par Diferencial Completo para PFRPar Diferencial Completo para PFR


Meio Par Diferencial para PFRMeio Par Diferencial para PFR


Par diferencial completo em regime incremental Par diferencial completo em regime incremental para o modo diferencialpara o modo diferencial


Dada a simetria basta considerar uma metade do circuitoDada a simetria basta considerar uma metade do circuito

1 ( // )/ 2c

d m C od

vA g R r

v

Considetando a saída no colector do transistor da esquerda o ganho será:


MODO COMUMMODO COMUM

Quando consideramos o modo comum temos de conhecer a resistência da fonte de corrente.


Também aqui se pode dividir o circuito em duas metadesTambém aqui se pode dividir o circuito em duas metades

Ao dividir REE em duas partes passa a ter-se 2REE, porque

REE=2REE//2REE


Par diferencial completo em regime incremental Par diferencial completo em regime incremental para o modo comumpara o modo comum


Também aqui basta considerar meio circuitoTambém aqui basta considerar meio circuito

Desprezando ro o ganho fica idêntico ao ganho de um andar em emissor comum com resistência de emissor:

(1 )2 2C C

cEE EE

R RA

r R R


Factor de Rejeição de Modo ComumFactor de Rejeição de Modo Comum((Common Mode Rejection RatioCommon Mode Rejection Ratio))

2m C

dg R

A

O factor de rejeição de modo comum é definido como a razão entre o ganho em modo diferencial e o ganho em modo comum: Ad/Ac.

A tensão de saída em modo comum é medida no colector de um dos transistores, pois a tensão entre os dois colectores é nula.

Definindo o ganho em modo diferencial como Advc1/vd tem-se

dm EE

c

ACMRR g R

A

O factor de rejeição de modo comum (CMRR) valerá:


Par Diferencial com Transistores Par Diferencial com Transistores MOSMOS

(Modo Comum)(Modo Comum)

1 2

2

2

( ) / 22

D D DD D

GS t GS t

S C GS

Iv v V R

IK V V V V I K

v v V

A tensão vC só pode estar dentro de uma dada gama para que os transistores funcionem na saturação e a fonte de corrente funcione correctamente.


Par Diferencial com Transistores MOSPar Diferencial com Transistores MOS(Modo Comum)(Modo Comum)

( ) 2

2

2

DS GS t DD D S GS t

DD D C GS GS t

C DD D t

Iv V V V R v V V

IV R v V V V

Iv V R V

Para que os transistores estejam na saturação:

Ao especificar o valor da corrente I, fica imediatamente definida a tensão VGS.

2( ) / 22 GS t GS t

S C GS

IK V V V V I K

v v V


Par Diferencial com Transistores MOSPar Diferencial com Transistores MOS(Modo Comum)(Modo Comum)

( )

S SS FCmín C GS SS FCmín

C GS SS FCmín

v V V v V V V

v V V V

Para que a fonte de corrente funcione convenientemente a tensão aos seus terminais deve ser superior a um dado valor mínimo.



(Modo Diferencial)(Modo Diferencial)

Qual a tensão vd que é necessário aplicar para que toda a corrente I passe no transistor da esquerda?

A condição iD1=I permite obter vGS1.



(Modo Diferencial)(Modo Diferencial)

21 1 1( ) /D GS t GS ti I K v V v V I K

1 2 GS t ODv V V

Designamos por VODvGS1Vt, a tensão de “overdrive” na situação de equilíbrio em que iD1=I/2. Assim:

1 = 2 2 d GS S t OD t ODv v v V V V V


Operação com Sinal de Alto NívelOperação com Sinal de Alto Nível

Para caracterizar este tipo de funcionamento vai ser necessário estabelecer as expressões das correntes de dreno para cada um dos dois transistores:

2

1

2

2

/ 2 1

2 2

/ 2 1

2 2

d dD

OD OD

d dD

OD OD

v vI Ii

V V

v vI Ii

V V


Operação com Sinal de Alto NívelOperação com Sinal de Alto Nível

Para caracterizar este tipo de funcionamento vai ser necessário estabelecer as expressões das correntes de dreno para cada um dos dois transistores:

Perto da situação de equilíbrio o comportamento é aproximadamente linear e pode fazer-se

1

2

2 2

2 2

em que

dD

OD

dD

OD

mOD

vI Ii

V

vI Ii

V

Ig

V


Controle da Zona de Funcionamento LinearControle da Zona de Funcionamento Linear


Ganho Diferencial em Regime de Sinal de Ganho Diferencial em Regime de Sinal de Baixo NívelBaixo Nível


Ganho de Modo Comum em Regime de Ganho de Modo Comum em Regime de Sinal de Baixo Nível e Factor de Rejeição Sinal de Baixo Nível e Factor de Rejeição

de Modo Comumde Modo Comum


Quando se tem um encadeamento de amplificadores diferenciais só o primeiro andar necessita de ter a saída diferencial para obter um elevado CMRR.

Com saída unilateral poder-se-ia usar uma montagem como a representada, mas o ganho fica reduzido a metade.

Utilizando cargas activas o ganho pode ser muito elevado pois a carga pode ter uma elevada resistência dinâmica.

Par Diferencial com saída unilateralPar Diferencial com saída unilateral


Carga Activa Utilizando um Espelho de CorrenteCarga Activa Utilizando um Espelho de Corrente

A utilização de um espelho de corrente como representado permite ter, na saída unilateral, um ganho idêntico ao que se obteria com saída diferencial.

No entanto a montagem é muito sensível às assimetrias dos componentes pelo que é sempre necessário introduzir uma malha de realimentação, que não estudaremos aqui.


Situação de equilíbrio, com um ponto de funcionamento em repouso exactamente igual nas duas metades.

No transistor Q3 a tensão VDS é igual à tensão VGS. A tensão VDS em Q4 é igual à tensão VDS em Q3.

Situação de EquilíbrioSituação de Equilíbrio


Comportamento DinâmicoComportamento Dinâmico

Como as entradas são diferenciais as variações de corrente em Q1 e Q2 têm sentidos contrários.

O espelho de corrente obriga a que as variações de corrente em Q1 (e Q3) sejam iguais às variações de Q4.

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