te 054 circuitos eletrÔnicos lineares 1 cap. 1 amplificadores diferenciais e de mÚltiplos...

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES1

CAP. 1AMPLIFICADORES

DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES2

OBJETIVOS• Analisar a operação do amplificador diferencial

• Entender o significado de tensão de modo diferencial e de modo comum

• Determinar as características de pequenos sinais do amplificador diferencial

• Analisar e projetar amplificadores diferenciais com cargas ativas

• Analisar e projetar amplificadores com múltiplos estágios

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES3

INTRODUÇÃO

DIAGRAMA EM BLOCOS

CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO

1O ESTÁGIO

(DIFERENCIAL)2O ESTÁGIO

ESTÁGIO DE SAÍDA

VI VO

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES4

1.1 CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO

ESPELHO DE CORRENTE MOS

M1 sempre saturado

2

12

1SBPnREF VV

L

WkI

M2 saturado tGSO VVV

2

22

1SBPnO VV

L

WkI

1

2

LW

LW

I

I

REF

O

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES5

Efeito de VO sobre IO

2

212

1 2

2 A

DSSBPnO V

VVV

L

WkI

2

11

2

A

GSO

REF

O

V

VV

LW

LW

I

I

O

Ao

O

OO I

Vr

I

VR 2

2

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES6

Circuito guia de corrente CMOS

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES7

Q2Q1

-VEE

IE1 IE2

IB1 IB2

IC1 IC2=IO

IREFVO

ESPELHO DE CORRENTE COM TBJ

IC1 VCB=0

VBE1QVBE1

IREF IC1

Q1 Q2

Q2 na região ativa

Efeito Early desprezível

IC1 = IC2=IC

IB1 = IB2=IB

21

1

REF

O

I

IPara >>11

REF

O

I

I

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES8

Considerando o efeito Early

iC

vCE-VA

1/r0

VCEsat

A

CEVv

SC V

VeII T

BE

1

Q2Q1

-VEE

IE1 IE2

IB1 IB2

IC1 IC2=IO

IREFVO

A

BE

A

EEO

REF

O

VV

1

VVV

1

211

II

A

BEEEO

REF

O

V

VVV1

21

1

I

I

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES9

Uma fonte de corrente simples

R

VBE

+

-

IREF

Q1 Q2

IO

VO

R

VV

V

VVI BECC

A

BEOO

1

21

1

R

VVI BECCREF

VCC

OAo IVr IO

Modelo equivalente CC, válido para Q2 na região ativa

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES10

Circuitos guias de corrente

R

VVVVI BEEBEECCREF

21

Considerando todos os transistores idênticos e muito alto:

REF

REF

REF

II

II

III

3

2

4

3

21

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES11

1.2 AMPLIFICADOR CASCODE

AMPLIFICADOR CASCODE MOS

Modelo de pequenos sinais

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES12

Modelo de pequenos sinais para determinação de Ro

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES13

AMPLIFICADOR CASCODE TBJ

Ex.: Determinar a resistência de saída

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES14

AMPLIFICADOR “FOLDED” CASCODE

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES15

1.3 CONFIGURAÇÃO DARLINGTON

Mostre que D = 1 2

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES16

Seguidor de tensão usando a Configuração Darlington

Fonte I para garantir 1 elevado

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES17

1.4 CONFIGURAÇÃO CC-BC e DC-GC

Análise

Coletor comum – base comum

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES18

Dreno comum – porta comum

Análise

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES19

Espelho cascode MOS

1.5 Circuitos Melhorados de Espelhos de Corrente

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES20

Espelho de corrente com compensação da corrente de base

EREF II

21

2

1

Eo II1

221

1

REF

O

I

I

221

1

REF

O

I

I

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES21

Espelho de corrente de Wilson

Q2 Q1

IREF

Q3

IO

221

12

REF

O

I

I

221

1

REF

O

I

I

A vantagem deste espelho de corrente é sua maior resistência de saída RO

2o

O

rR

Problema: erro devido ao efeito Early

BECE

BECE

VV

VV

22

1

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES22

Espelho de corrente de Wilson melhorado

Q1Q2

Q3Q4

IOIREF

VBE

VBEVBE

+ +

+

- -

-

BECECE VVV 21

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES23

Fonte de corrente de Widlar

OEBE2BE1 IRVV

S

O2

S

REFT1

I

Iln

I

Iln

TBE

BE

VV

VV

O

REFTO I

IVIR ln2

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES24

Exemplo:VCC=10V;IO=10A

a) Fonte de corrente simplesAssumindo VBE=0.6V

b)Fonte de corrente de WidlarEscolhendo IREF=1mA

11.5KΩ10

10ln

A1025mV

R

9.3KΩ1

0.710R

3

2

1

Q1 Q2

VBE2+-

VBE1-

+R2

R1I1 IO

VCC

Q1 Q2

R

VBE

+

-

IREF

Q1 Q2

IO

VO

k940μ10

6010R

A

.

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES25

rv

gmv

r

o

RE

+

-- vx

Resistência de saída da fonte de corrente de Widlar

oEmEO

E

oE

m

x

xO

Emmx

oE

mx

rRgRR

R

rR

g

i

vR

vR

gvgi

rvR

gvv

1

1

1

1

1

oEmO rRgR )1(

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES26

1.6 PAR DIFERENCIAL

CONSIDERAÇÕES

•Fonte de corrente ideal

•Transistores e resistores casados

•Transistores na região ativa

•Resistência de saída do TBJ infinita

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES27

TENSÃO DE MODO COMUM

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES28

OPERAÇÃO COM GRANDES SINAIS

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES29

vE

Análise de grandes sinais TEB VvvSE e

Ii 1

1 TEB VvvS

E eI

i 22

T

B

T

B

T

E

V

v

V

v

V

v

SEE eee

IiiI

21

21

TBB

TBB

VvvE

VvvE

eI

ieI

i

21

12

1

1

2

1

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES30

CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA

1

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES31

1.6.2 PAR DIFERENCIAL COM TRANSISTOR MOS

Q1 Q2

Q1 e Q2 saturadosFonte de corrente idealVA

)1(2121 idGSGSGG vvvvv

)2(2

1 2)2(1)2(1 tGSnD Vv

L

Wki

)3(21 Iii DD

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES32

Combinando as equações 1, 2 e 3 e considerando que no ponto quiescente

2

)2(1

21

22

tGS

idid

tGSD VV

vv

VV

IIi

GSGSGSDD VvvI

ii 2121 2

tem-se

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES33

Característica de transferência normalizada do par diferencial MOS

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES34

1.6.3 OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES35

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES36

SEPARAÇÃO DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL EM DUAS METADES

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES37

2

vid

RC

iR=0

RC

r1v

+

- 1mvg

r+

2v-

R

vO1

+

- vO2

+-

2mvg 2

vid

CIRCUITO EQUIVALENTE DE PEQUENOS SINAIS

22 21od

ood

o

vv

vv

21 oood vvv

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES38

RC2

vod+

-1mvg

1v

+

-

r2

vid

Cmid

odd Rg

V

VA

TT

Cm V

I

V

Ig

2

Análise de pequenos sinais

Ganho de modo diferencial

Obs.: Se a saída tomada for simples o ganho diferencial será:

Cmid

od Rg

V

VA

2

11

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES39

icm

ocmcm V

VA Ganho de modo comum

vc1=vc2=vocm

vicmvicm

RCRC

Q1 Q2

R

-VEE

VCC

I

VCC

RC RC

-VEE -VEE

2R 2R

vc1vc2

I/2 I/2

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES40

Meio circuito equivalente AC para análise de modo-comum

R

R

Rg

RgA

v

vA

C

m

Cmcm

icm

ocmcm

21121

r v

gmv

RC

2R

+

--

+

-

vocmvicm

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES41

CMRR: razão de rejeição de modo comum

cm

ddB

mo

mcm

d

A

ACMRR

RgRgA

ACMRR

log20

1121

2

1

Os sinais de entrada contêm usualmente uma componente de modo diferencial e uma de modo comum

icmcmiddo

icm

id

vAvAv

vvv

vvv

221

21

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES42

Resistência de entrada de modo diferencial

ri

vR

icmvb

idid 2

0

Resistência de entrada de modo comum

122

1

20

Rri

vR

idvb

icmicm

As correntes de pequenos sinais que fluem quando tensões diferenciais e de modo comum são aplicadas são

icm

icm

id

idb

icm

icm

id

idb

R

v

R

vi

R

v

R

vi

2

1

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES43

Ricm

Rid

Ricm

1 21 2

Ricm/2 R(O+1)

~ Rid/2 ~ Rid/2= r

Circuito equivalente de pequenos sinais para entrada de um amplificador diferencial diferencial

Modelo Modelo T

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES44

RCRC

Q1 Q2

+VCC

+ vo -

vs

RS

RE RE

R I

Exemplo

VCC = 15 VRC = 10 kRE = 150 R = 200kI = 1 mA

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES45

+VDD

vo1 vo2

+ -vod

RD

Q1 Q 2

-VSS

I

v2v1

RD

1.6.4 OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS DO AMP. DIF. MOS

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES46

Operação em pequenos sinais do amp. dif. MOS

2

)2(1

21

22

tGS

idid

tGSD VV

vv

VV

IIi

tGSid VVv

2

22)2(1id

tGSD

v

VV

IIi

2id

md

vgi

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES47

Ganho de modo diferencial

Dmid

odd Rg

v

vA

vid

2

RD

Vod/2

Q1

Considerando saída simples: Dmid

odd Rg

v

vA

2

1

Vod/2

+

-gmvid/2 RD

Vid/2+

-

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES48

Ganho de modo comum (considerando saída simples)

vic

RD

2 R

R

RA Dcm 2

Vocm

+

-

gmvgs RDVicm

2R

+

-

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES49

CMRR (considerando saída simples)

RgCMRR m

Resistência de entrada de modo diferencial

idR

Resistência de entrada de modo comum

icmR

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES50

1.6.5 CARACTERÍSTICAS NÃO IDEAIS DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

Tensão de offset (VOS)

-VEE

VOS

+

-

RC2RC1

Q2Q1

VCC

0V

-VEE

RC1 RC2VOD +-

Q1 Q2

VCC

I I

VOS é a tensão que deve ser aplicada à entrada de modo que a tensão na saída seja igual a zero

d

ODOS A

VV

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES51

VOS é devida ao descasamento nos resistores e nos transistores

2

2

2

1

CCC

CCC

RRR

RRR

ANÁLISE

1) Descasamento nos resistores e transistores casados

22

22

2

1

CCCCC

CCCCC

RR

IVV

RR

IVV

CCCOD RI

VVV 212

Cm

C

d

ODOS Rg

RI

A

VV

2

C

CTOS R

RVV

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES52

2) Descasamento nos transistores e resistores casados

2

2

2

1

SSS

SSS

III

III

S

SE

S

SE

I

III

I

III

21

2

21

2

2

1

CS

SOD R

I

IIV

2

S

STOS I

IVV

22

22

S

S

C

CTOS

S

ST

C

CTOS

I

I

R

RVV

I

IV

R

RVV

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES53

Correntes de polarização de offset de entrada

1

221

I

II BB Perfeitamente simétrico

21 BBOS III

22 21

Corrente de offset

Descasamento em

21

1

1

22

1

1

2

21

1

1

22

1

1

2

2

1

III

III

B

B

12

IIOS

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES54

Correntes de polarização IB

BOS

BBB

II

IIII

12221

Exercício: Para um amplificador diferencial com TBJ utilizando

transistores com =100, com casamento máximo de 10%, e

casamento de áreas de 10% ou melhor, e resistores de coletor

com casamento de 2% ou melhor, encontre os valores de VOS, IB e

IOS. A corrente de polarização CC é de 100 mA.

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES55

Tensão de offset

+VDD

vo1vo2

+ -vod

RD2

Q1 Q2

-VSS

I

RD1

Descasamento em RD, W/L e Vt

2

2

2

1

DDD

DDD

RRR

RRR

1. Descasamento em RD

DOD RI

V 2

Dividindo pelo ganho gmRD

D

DtGSOS R

RVVV

2

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES56

2. Descasamento em W/L

2

2

2

1

LW

L

W

L

W

LW

L

W

L

W

LW

LWII

LW

LWII

D

D

21

2

21

2

1

1

LW

LWVVV tGSOS

2

3. Descasamento em Vt

2

2

2

1

ttt

ttt

VVV

VVV

tGS

ttGSnD

tGS

ttGSnD

VV

VVV

L

WkI

VV

VVV

L

WkI

12

1

12

1

22

21

tGS

t

VV

VII

2

tOS VV

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES57

Exemplo 6.3 – Sedra Smith (p. 484)

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES58

1.7 O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA

Q1 Q2 e Q3 Q4

Vo é tal que Q2 e Q4

operam na região ativa

IB desprezível

2vID

2vIDI

-VEE

Q1

Q4

Q2

Q3

VCC

+

- VOiC2iC1

iOiC3

iC4

22

22

2

1

idmC

idmC

vg

Ii

vg

Ii

idmCCO

CCC

vgiii

iii

24

431

mid

om g

v

iG Transcondutância em curto-circuito

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES59

Ganho de tensão em circuito aberto

Modelo para pequenos sinais

+

-

Vid

Gm vid

RO vO

+

-

Ri

omid

o RGv

v

42 ooo rrR

Tm

pAno V

Ig

I

Vr

2

2)(

)4(2

ApAnT

vo

VVV

A11

1

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES60

Amplificador diferencial CMOS com carga ativa

VSS

VG1

I

M4

M1 M2VG2

iD1 iD2

+ +- -

M3

iO

VDD+

- Gmvd

vO

RO

vid

mid

om g

v

iG

omid

ov RG

v

vA

42 ooo rrR

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES61

Amplificador diferencial cascode

r3 v3 gm3v3ro3

ro1

+

-vx

ix

33 oo rR

3333 11 omoo rrgrR

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES62

Amplificador diferencial cascode com carga ativa espelho de Wilson

Exercício:

Para o amplificador da figura determine Ri, Gm, Ro e o ganho de tensão em circuito aberto.

Dados: I = 0,2 mA = 200VA= 100 V

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES63

1.8 AMPLIFICADOR OPERACIONAL BIPOLAR

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES64

Exemplo 6.3 – Sedra Smith (p. 484)

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES65

1.9 AMPLIFICADOR OPERACIONAL CMOS