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1
PGMicro – MIC46 Projeto de Circuitos Integrados Analógicos MOS
= Amplificadores Básicos =
Prof. Dr. Hamilton Klimach [email protected] UFRGS – Escola de Engenharia
Departamento de Eng. Elétrica
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 2
Sumário
Introdução
Configurações amplificadoras elementares Fonte Comum
Dreno Comum
Porta Comum
Amplificadores compostos Cascode (FC+PC)
Folded-Cascode (FC+PC)
Espelho de corrente
Diferencial (2xFC)
Par complementar (2xDC)
Push-pull (2xFC)
2
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 3
Projeto de Amplificadores
Amplificação é essencial
Sistemas Analógicos Aumento da Relação Sinal Ruído – SNR
Adequação de níveis de sinais entre estágios subseqüentes
Capacidade de Excitação da Carga (Pout)
Adaptação de impedâncias de entrada e saída
Filtros (amplificação seletiva em frequência)
outros
Sistemas Digitais Fornecer corrente à carga
Restabelecer níveis lógicos
Recuperar a integridade de sinais
Aumentar a imunidade a ruído
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 4
Projeto de Amplificadores
O projeto de amplificadores é multidimensional
Apresenta especificações conflitantes: 1. Ganho
2. Impedâncias de entrada e saída
3. Faixa de alimentação
4. Excursão de saída
5. Linearidade
6. Potência consumida e dissipada
7. Velocidade (ou largura de banda)
8. Ruído
Características devem apresentar variabilidade tolerável pela aplicação!
Octágono do
Projeto Analógico
(B. Razavi)
3
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 5
Projeto de Amplificadores
Um subcircuito consiste em um conjunto de transistores que
geralmente realiza apenas uma função.
Um subcircuito é utilizado em conjunto com outros
subcircuitos.
Hierarquia de Projeto de um Módulo Analógico:
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 6
Amplificador Linear Ideal
Amplificador de tensão excitado com um sinal vi(t) e conectado a uma carga ZL
inVout vAv
Característica de transferência de um amplificador linear com ganho de tensão Av
fonte de sinal
vO
carga
vi
AMPL
VCC
ZL
4
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 7
Amplificador Real
Há uma parcela na saída que independe da entrada O ganho Av depende do sinal (amplitude e frequência),
da alimentação, da temperatura, da carga, etc A dependência de Av. com a frequência do sinal possui
partes linear e não-linear
,...,,
,...,,,,
CCLOO
CCLiVV
OiVo
VTZVV
VTfZvAA
VvAvfonte de sinal
vO
carga
vi
AMPL
VCC
ZL
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 8
Amplificador Real
Amplificador Linear
A saída é proporcional à entrada
Amplificador Não-Linear
O ganho varia com sinal de entrada
A saída NÃO é proporcional à entrada
01 )( txy o u t
x
yout
01
2
2
01
)()()(
)()(
txtxtxy
txyy
n
nout
outout
x
yout
5
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 9
Modelo do Amplificador Linear
• Modelo elétrico linear de um amplificador de tensão, com fonte de sinal aplicada à entrada e uma carga
• A implementação de um amplificador necessita de uma fonte controlada
fonte de sinal Amplificador carga
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 10
Amplificador de Tensão Amplificador de Corrente
Amplificador de Transcondutância Amplificador de Transresistência
Modelos de Amplificadores Lineares
Os 4 tipos de fonte controlada dão origem a 4 representações
para o modelamento de amplificadores lineares
6
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 11
Amplificador MOS
O MOSFET possibilita a implementação de uma
fonte de corrente controlada por tensão, permitindo a
construção de uma das representações amplificadoras
MOSFET IMPEDÂNCIA vin: vg ou vs
(ou vb) id
vout :
vd ou vs
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 12
Amplificador MOS
Carga Passiva:
Linear
Carga Ativa:
Diodo MOS
Carga Ativa:
rds MOS
7
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 13
Sumário
Introdução
Configurações amplificadoras elementares Fonte Comum
Dreno Comum
Porta Comum
Amplificadores compostos Cascode (FC+PC)
Folded-Cascode (FC+PC)
Espelho de corrente
Diferencial (2xFC)
Par complementar (2xDC)
Push-pull (2xFC)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 14
Configurações Amplificadoras
Configurações elementares MOS:
Fonte comum (G: in ; D: out; S: Gnd)
Dreno comum (G: in; S: out; D: Gnd)
Porta comum (S: in; D: out; G: Gnd)
Malha que controla iD:
“entrada”
Malha onde circula iD:
“saída” in
out
in/out
8
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 15
Fonte Comum – carga passiva
in
outv
V
VA
:Tensão de Ganho
THinoutTHGSDS VVVVVV
:quando ocorre saturação da Saída
THino u t VVV
Triodo
Cort
e
(Sub-T
hre
shold
)
Sat
221
2
21
:como expressa se pode saída de A tensão
:por dada é saturação em correnteA
THinoxnDDDDDDDout
out
THinoxnD
D
VVL
WCRVIRVV
V
VVL
WCI
I
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 16
Fonte Comum – carga passiva
Modelo de pequenos sinais em saturação
THinoxnm
inmODout
VVL
WCg
vgrRv
)//(
O ganho do circuito varia
substancialmente para
grandes excursões da
entrada!
Sat Tri
9
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 17
Fonte Comum – carga passiva
Sat Tri
THino u t VVV
Triodo
Cort
e
(Sub-T
hre
shold
) Sat
Menor RD
Maior RD
THinoxnm VVL
WCg
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 18
Maximização de ganho (em saturação):
Aumentando W/L
MOSFET maior – Área e Capacitâncias maiores
Aumentando VRD
Reduz a excursão de sinal
Diminuindo ID
Maior RD p/ manter VRD – Reduz resposta em
freqüência
Fonte Comum – carga passiva
DDRD
D
RDoxnv
D
RDDoxnDmv
IRV
I
V
L
WCA
I
VI
L
WCRgA
Onde
22
Existem relações de
compromisso entre
ganho, BW e excursão
de sinal
10
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 19
Fonte Comum – carga passiva
Tecnologia AMIS 0.5
• VTN = 0,63V
• VTP = -0,99V
• kN = 37,4 μA/V2
• kP = 13,9 μA/V2
• λN = 0,0091 1/V (L = 1,5μm)
• λP = 0,022 1/V (L = 1,5μm)
• L = 1,5μm e W = 15μm
RD
VDD
Vin
Vout
M10 < Vin < VDD
RDRD
VDDVDD
VinVin
Vout
M10 < Vin < VDD
Vin [V]
ID [mA] RD = 1k
RD = 2k
RD = 10k
Corrente ID x Vin
Vout [V]
Vin [V]
RD = 1k
RD = 2k
RD = 10k
Vout x Vin
Vin [V]
Av [V/V] RD = 1k
RD = 2k
RD = 10k
Ganho de Tensão Av x Vin
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 20
Fonte Comum – ganho intrínseco
O ganho intrínseco é o maior
ganho que se pode obter com um
único MOSFET
gmro para MOSFET de canal
curto está em torno de 10 a 30
gmro para MOSFET de canal
longo chega a 100
Ganho intrínseco
omv rgA
11
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 21
Fonte Comum – ganho intrínseco
Ganho intrínseco
Dtech
OX
v
Dtech
OXDv
omv
I
CWLA
I
LC
L
WIA
rgA
2
2
•Aumenta-se o ganho, aumentando-se L (reduz λ)
•Aumenta-se o ganho, aumentando-se W (aumenta gm)
•Aumenta-se o ganho, diminuindo ID
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 22
Diodo MOS
•O efeito de corpo ocorre quando o ‘diodo’ é
conectado através da ‘fonte’ (vsb≠0).
•Caso a conexão seja através do ‘dreno’ (vsb=0),
não há.
12
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 23
Fonte Comum – diodo NMOS
1
1
Fazendo
1
2
1
2
2
22
1
m
mv
m
mb
mbm
mv
g
gA
g
gη
gggA
Substituindo RD na expressão do ganho de
tensão, pela impedância equivalente de M2
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 24
Fonte Comum – diodo NMOS
Estando M1 e M2 em saturação, o
ganho depende somente das
dimensões de M1 e M2
(desprezando o efeito de corpo).
1
1
Mas
1
1
2
2
expressoser pode ganho O
2 Como
2
1
21
2
2
2
1
1
1
LW
LW
A
II
IL
WC
IL
WC
A
IL
WCg
v
DD
Doxn
Doxn
v
Doxnm
LINEAR!
13
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 25
Fonte Comum – diodo NMOS
1
1
1
1
11
22
2
1
THGS
THGS
vVV
VV
LW
LW
A
•é uma configuração ‘linear’ (quando em SI e saturação)
•oferece baixo ganho
•o ganho depende das dimensões dos transistores
•o ganho é função da relação entre tensões de overdrive
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 26
Fonte Comum – diodo NMOS
Vout
M1VinVin
0 < Vin < VDD
VDDVDD
M2
Tecnologia AMIS 0.5
• VTN = 0,63V
• VTP = -0,99V
• kN = 37,4 μA/V2
• kP = 13,9 μA/V2
• λN = 0,0091 1/V (L = 1,5μm)
• λP = 0,022 1/V (L = 1,5μm)
• L1 = L2 = 1,5μm; W2 = 7,5μm
Vout x Vin
W1 = 7,5μm
W1 = 30μm
W1 = 90μm
Vout [V]
Vin [V]
Corrente ID x Vin
W1 = 7,5μm
W1 = 30μm
W1 = 90μm
Vin [V]
ID [mA] W1 = 7,5μm
W1 = 30μm
W1 = 90μm
Av [V/V] Ganho de Tensão Av x Vin
Vin [V]
WI:
Av≈1
14
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 27
Fonte Comum – diodo NMOS
1
1
1
1
1exp
exp
2
1
0
0
m
mv
t
D
tt
THGS
GS
Dm
t
THGSD
g
gA
n
I
nn
Vv
L
WI
v
ig
n
Vv
L
WIi
•Ganho independe das dimensões dos transistores
•Ganho pouco abaixo de 1, devido a efeito de corpo de M2
Em Inversão Fraca
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 28
Fonte Comum – diodo PMOS
THnGSn
THpGSp
p
n
v
m
mv
VV
VV
LW
LW
Ag
gA
2
1
2
1
Pelos resultados anteriores:
Nenhum dos
transistores sofre
efeito de corpo!
Vout[V]
Id[mA]
Av[V/V]
Vin[V]
W1 = 7,5μm
W1 = 15μm
W1 = 30μm
15
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 29
Fonte Comum – diodo PMOS
2
1
2
1
LW
LW
A
p
n
v
Máximo e mínimo valor de Vout
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 30
Fonte Comum – carga ativa rds
M1
M2
VDD vDS
iDS
Vout
•M1 opera como elemento de amplificação, controlando a corrente ‘id’ em função de
‘Vin’
•M2 opera como uma carga ativa, fornecendo a corrente de polarização de M1 e
transformando as variações de ‘id’ em variações de ‘Vout’, através do seu ‘ro’
16
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 31
Fonte Comum – carga ativa rds
D
P
ptech
n
ntech
n
nOXn
dsds
moomv
ILL
L
WC
gg
grrgA
__21
1211
2
)//(
M1
M2
VDD vDS
iDS
ΔVGS = ΔVin
ΔVOUT
in
outv
V
VA
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 32
Fonte Comum – carga ativa rds
17
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 33
Fonte Comum – degeneração de fonte
mD
mS
mDv
mSin
mDoutGR
gR
gRA
vgRvv
vgRv
111
1
Efeito da degeneração de fonte sobre Av
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 34
Fonte Comum – degeneração de fonte
mD
mS
mDv GR
gR
gRA
1
Sem degeneração
Com degeneração
Troca-se GANHO por
LINEARIDADE
18
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 35
Fonte Comum – degeneração de fonte
Efeito da degeneração de fonte sobre Rout
OSmOSbmmS
out
outout
OSoutbmmoutSoutout
ObsbmgsmoutSoutout
rRgrRggRi
vR
rRiggiRiv
rvgvgiRiv
1
So u tsb sg sin Rivvvv 0
Ganho de Laço
Rout
Rout
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 36
Efeito Miller
CAC
sCCsAZ
CsACsvA
v
i
vZ
CsvAvi
Veq
eqV
i
ViV
i
i
ii
iVii
1
1
1
1
1
1
1
:Laplacepor Análise
Ocorre quando um amplificador inversor é
realimentado através de uma capacitância
-Av
C
vi
ii
-Av vi
Obs.: supondo amplificador ideal
19
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 37
Fonte Comum – Efeito Miller
Modelo aproximado do fonte-comum com efeito Miller
A capacitância aparente que resulta
do efeito Miller é muito maior (Av)
que seu valor real, reduzindo a faixa
de resposta em frequências do
amplificador.
Esta análise NÃO inclui o
ZERO devido a CGD
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 38
Amplificador Fonte Comum
ganho de tensão elevado (depende da carga)
é inversor
ganho de corrente elevado
alta Ri e alta Ro
O transistor principal não tem efeito de
corpo
Ocorre efeito Miller (limitação de frequência
devido a Cgd)
20
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 39
Amplificador Dreno Comum
Vin > VTH ⇒ M1 ‘liga’ saturado
Vout é dado por:
THino u t VVV
Menor Rs
Rs infinito: Av=1
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 40
Amplificador Dreno Comum
Diferenciando ambos os lados de Vout em relação a Vin :
Como:
Substituindo gm e gmb:
m
mb
g
gη
21
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 41
Amplificador Dreno Comum
Usando o modelo p/ pequenos sinais:
mbmS
mSv
outbs
bsmbgsmSout
outgsin
ggR
gRA
vv
vgvgRv
vvv
1
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 42
Amplificador Dreno Comum
THino u t VVV
Menor Rs
Rs infinito: Av=1
Cuidado c/ cargas
CAPACITIVAS!
Descarga com
corrente constante.
Efeito da Polarização de fonte:
Av ≈ 1
22
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 43
Amplificador Dreno Comum
•Redução de ganho devido ao efeito de corpo,
caso o substrato esteja em potencial fixo.
•Ocorre porque vgs tem sinal contrário a vbs
•É eliminado caso de una os terminais S e B
(possível para o PMOS e nas tecnologias com
duplo-poço para o NMOS)
Sem efeito de corpo Com efeito de corpo
m
mb
g
gη
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 44
Amplificador Dreno Comum
.include AMIS5t55w.txt
vd1 VDD1 0 dc 5
vin vgs 0 dc 0
*ibb dreno vss dc 200e-6
Rs1 f1 0 5k
M1 vdd1 vgs f1 0 CMOSN l=15u w=1500u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p
.control
dc vin 0 5V 0.01V
let vs1 = v(f1)[ 0, 500]
let ids1 = (-i(vd1)[ 0, 500])*1000
plot vs1
plot deriv(vs1)
plot ids1
.endc
.end
Vin
Vout IR Av
23
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 45
Amplificador Dreno Comum
Efeito de corpo (Vsb ≠ 0)
Vout AV IR
Vin Titulo: Seguidor de fonte (nMOS)
.include AMIS5t55w.txt
vd1 vdd1 0 dc 5
vin vgs 0 dc 0
Rs1 f1 0 5k
*Com efeito de corpo
M1 vdd1 vgs f1 0 CMOSN l=15u w=1500u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p
vd2 vdd2 0 dc 5
Rs2 f2 0 5k
*Sem efeito de corpo.
M2 vdd2 vgs f2 f2 CMOSN l=15u w=1500u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p
.control
dc vin 0 5V 0.01V
let vs1 = v(f1)[ 0, 500]
let vs2 = v(f2)[ 0, 500]
let ids1 = (-i(vd1)[ 0, 500])*1000
let ids2 = (-i(vd2)[ 0, 500])*1000
plot vs1 vs2
plot deriv(vs1) deriv(vs2)
plot ids1 ids2
.endc
.end
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 46
Amplificador Dreno Comum
Eliminação do efeito de corpo pelo cancelamento
de VBS, através da polarização de poço (PMOS):
Preço: aumento de Cout
24
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 47
Amplificador Dreno Comum
Ro através do modelo p/ peq. sinais:
G D
S
Ro
mbm
ogg
R
1
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 48
Amplificador Dreno Comum
Exemplo:
fonte-comum tem alta Ri e alto Av, mas Ro é muito elevada
para se ligar a uma carga
dreno-comum tem alta Ri e baixa Ro e serve de ‘buffer’ de
saída, com ganho próximo a 1
Obs: há um deslocamento
DC entre o nó X e a
saída, causado pelo VGS
de M2
25
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 49
Amplificador Dreno Comum
Seu ganho de tensão é menor (próximo) que 1
Seu ganho de corrente é elevado
Oferece alta Ri e baixa Ro
É uma opção para acoplar o estágio de ganho
com a carga (geralmente de valor baixo)
O efeito de corpo do transistor reduz a
transcondutância total
A conexão S-B elimina o efeito de corpo, mas
aumenta a capacitância de saída
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 50
Amplificador Porta Comum
Polarização através da entrada Polarização em separado
desacoplamento DC
26
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 51
Amplificador Porta Comum
Limite da região
de Saturação:
Corte Sat
Triodo
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 52
Amplificador Porta Comum
Diferenciando em relação a Vin, para calcular o ganho:
Como:
O efeito de corpo incrementa
a transcondutância
equivalente!
27
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 53
Amplificador Porta Comum
Calculando Rin através do modelo p/ peq. sinais:
Se RD << rO
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 54
Amplificador Porta Comum
Exemplo: Transmissão de sinal por uma linha casada de 50Ω:
Carga deve ser casada com a
linha, para evitar reflexões
Carga pode ter valor maior (maior
ganho), pois quem realiza o
casamento é a Rin de M2
28
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 55
Amplificador Porta Comum
Seu ganho de tensão é elevado (equivalente
ao fonte-comum)
Seu ganho de corrente é 1
Oferece baixa Ri e alta Ro
É uma opção para amplificadores de
‘corrente’ (necessitam baixa Ri)
O efeito de corpo do transistor aumenta a
transcondutância total
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 56
Sumário
Introdução
Configurações amplificadoras elementares Fonte Comum
Dreno Comum
Porta Comum
Amplificadores compostos Cascode (FC+PC)
Folded-Cascode (FC+PC)
Espelho de corrente
Diferencial (2xFC)
Par complementar (2xDC)
Push-pull (2xFC)
29
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 57
Cascode
Estágio FC (M1) converte
tensão vin em corrente id:
Estágio PC (M2) transfere id
para o nó de saída:
A impedância do nó de saída
converte id em vout :
M1 converte Vin em
corrente Id, que é
encaminhada a Rd por M2
inmd vgi 11
12 dd ii
outmV
outinmoutdout
RgA
RvgRiv
1
12
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 58
Cascode
Os principais objetivos são:
minimizar o efeito Miller sobre Cgd1
aumentar Rout
Modelo de pequenos sinais
30
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 59
Cascode
Característica Vin vs Vx e Vout Tensões mínimas
Corte
Triodo Sat
Ganho de tensão Vx/Vin é muito pequeno
(depende da razão (W2/L2)/(W1/L1)), o
que faz com que o efeito Miller sobre
Cgd1 seja desprezível.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 60
Cascode
11
1
211
12
2111
2
)1(
1
temos
se
gdingd
gdvin
mmv
mminv
CCC
resulta
CAC
Como
ggA
LWLW
ggvvA
Redução de Efeito Miller
31
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 61
Cascode
Rout no cascode Modelo de pequenos sinais
22121221
0
21221
222221
1 OmOOObmmO
vout
outout
OOoutbmmoutOoutout
ObsbmmoutOoutout
rgrrrggri
vR
rriggiriv
rvgvgiriv
in
12220 Oo u tsb sin rivvvv
Ganho de Laço
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 62
Cascode
Triplo Cascode
33221 OmOmO
out
outout rgrgr
i
vR
1º cascode
32
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 63
Cascode
22111
221
temos
Como
omomoutmv
omoout
rgrgRgA
rgrR
Ganho de tensão ideal
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 64
Cascode
Ganho de tensão real
311
33221
temos
Como
omoutmv
ooomoout
rgRgA
rrrgrR
O aumento de Rout devido ao
cascode é perdido, em razão da
‘baixa’ impedância do dreno de M3
33
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 65
Cascode
Carga em cascode: aumento de
Rout, resultando aumento de Av
3342211
1
334221
temos
Como
omoomomv
outmv
omoomoout
rgrrgrgA
RgA
rgrrgrR
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 66
Cascode
Exercício: determine Rout e Av
32213
3
3221
temos
oomomv
outmv
oomoout
rrgrgA
RgA
rrgrR
34
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 67
Cascode
Exercício: determine Vout máx e min
21221min_
3max_
THbONGSbout
ONDDout
VVVVVV
VVV
212211
2121
21min_
:Assim
:Vout_minmenor garante que Condição
GSONTHONONb
ONONTHb
ONONout
VVVVVV
VVVV
VVV
Qual Vb1 garante menor Vout_min?
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 68
Cascode
Exemplo: amplificador diferencial com saída
cascode
35
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 69
Sumário
Introdução
Configurações amplificadoras elementares Fonte Comum
Dreno Comum
Porta Comum
Amplificadores compostos Cascode (FC+PC)
Folded-Cascode (FC+PC)
Espelho de corrente
Diferencial (2xFC)
Par complementar (2xDC)
Push-pull (2xFC)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 70
Folded-Cascode
Cascode usual Folded-Cascode
•Nos dois casos, a corrente ‘id’ de M1, que está em fonte-comum,
é fornecida à ‘fonte’ de M2, que está na configuração porta-
comum.
•No folded-cascode, falta um ‘caminho’ para as correntes de
polarização de M1 e M2.
36
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 71
Folded-Cascode
Cascode usual Folded-Cascode completo
Problema: I1 tem de ser superior à
máxima ID1, caso contrário ID2 chegará a
‘zero’, cortando M2.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 72
Folded-Cascode
Cascode usual Folded-Cascode completo
21min_ ONONout VVV 2min_ ONXout VVV
Depende de M1 Independe de M1
37
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 73
Folded-Cascode
Mesmo modelo p/ peq. sinais do cascode usual:
221
0
1
OmO
vout
outout
DmV
rgri
vR
RgA
in
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 74
Folded-Cascode
Tensão Vin mínima, abaixo da qual M2 corta e
M1 entra em triodo:
38
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 75
Folded-Cascode
•Implementa-se a fonte de corrente com M3.
•Rout é menor que no cascode usual, pois o
ro3, de M3, fica em paralelo com o ro1, de
M1.
22132132213
0
2132213
31132222213
1
//
OmOOObmmO
vout
outout
OOoutbmmoutOoutout
OOOObsbmmoutOoutout
rgrrrggri
vR
rriggiriv
rrrrvgvgiriv
in
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 76
Folded-Cascode
Exercício: folded-cascode, com
carga em cascode.
Calcule:
•Rout
•Av
outmV
OmOOOmOout
RgA
rgrrrgrR
1
2231445 ////
39
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 77
Folded-Cascode
Calcule:
•Vb4 e Vb2, de forma a se obter a
máxima excursão em Vout
•Quais os valores máx e min de
Vout, neste caso?
232
454
GSONb
SGONDDb
VVV
VVVV
23min_
45max_
ONONout
ONONDDout
VVV
VVVV
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 78
Sumário
Introdução
Configurações amplificadoras elementares Fonte Comum
Dreno Comum
Porta Comum
Amplificadores compostos Cascode (FC+PC)
Folded-Cascode (FC+PC)
Espelho de corrente
Diferencial (2xFC)
Par complementar (2xDC)
Push-pull (2xFC)
40
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 79
Espelho de corrente - passivo
Fontes de corrente são usuais na polarização de
transistores e circuitos
São implementadas através da corrente de dreno
de um transistor
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 80
Espelho de corrente - passivo
Como tornar a corrente de dreno confiável?
2
21
2
2
THDD
oxout VV
RR
R
L
WCI
Corrente de dreno varia com:
•Alimentação: VDD
•Processo:
•μCox
•VTH
•Temperatura: VTH(T)
41
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 81
Espelho de corrente - passivo
Solução: gerar correntes de polarização como
uma cópia de uma corrente de referência
(projetada para ser estável)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 82
Espelho de corrente - passivo
Usando um transistor ligado como ‘diodo’
(M1), temos ID= f(VGS) → VGS= f-1(IREF)
THONTH
ox
REFGS
THGSox
D
VVV
L
WC
IV
VVL
WCI
1
2
2
2
42
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 83
Espelho de corrente - passivo
Outro transistor idêntico a M1, polarizado
com o mesmo VGS, produz uma réplica da
corrente IREF
1
2
2
1
2
2
1
2
1
2
e processo mesmos
LW
LW
I
I
V
VV
VV
LW
LW
C
C
I
I
REF
out
GS
THGS
THGS
ox
ox
REF
out
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 84
Espelho de corrente - passivo
Mobilidade: μ(x, y, VGS, T)
Capacitância: Cox(x, y, VGS)
Tensão de limiar: VTH(x, y, T)
Reduz-se a variação de valores de μ, Cox e
VTH através de um layout bem-feito!
A relação precisa das geometrias também
depende de um layout bem-feito!
Geometria é Controlável!
43
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 85
Espelho de corrente - passivo
Exemplo: par diferencial polarizado
REFREFDD
REFDD
REFDD
IIII
III
III
2
12
2
5
2
2
5
43
65
21
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 86
Espelho de corrente - passivo
Problema: corrente de dreno também
depende de VDS (modulação do comprimento
efetivo do canal - λ)
11
22
2
1
2
2
1
2
1
2
1
1
DS
DS
THGS
THGS
ox
ox
REF
out
V
V
VV
VV
LW
LW
C
C
I
I
M1 = M2
VGS1 = VGS2 ID1
vDS
iD
VDS1 VDS2
ID2
44
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 87
Espelho de corrente - passivo
Ideal:
IOUT
vout
iout
Vout_MIN
rout≈ 1/(λIOUT)
IOUT
vout
iout
Real:
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 88
1
2
12
1
2
1
2
11
22
2
1
2
2
1
2
1
2
1
1
!!Layout! Bom
1
1
LW
LW
I
I
VV
V
V
LW
LW
I
I
V
V
VV
VV
LW
LW
C
C
I
I
REF
out
DSDS
DS
DS
REF
out
DS
DS
THGS
THGS
ox
ox
REF
out
Espelho de corrente - passivo
COMO FAZER?!?
45
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 89
Espelho de corrente - passivo
A inclusão de outro transistor em série com
M2 fixa sua tensão de dreno (cascode)
YX VV
Objetivo:
Ajustar Vb para obter
31
31
31
2 ONONTHb
ONTHbONTH
GSbYXGS
VVVV
VVVVV
VVVVV
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 90
Espelho de corrente - passivo
Gerando Vb:
(supondo M1=M2 e M0=M3)
1
2
12
03
12
LW
LW
I
I
VV
VV
II
VV
REF
out
DSDS
GSGS
REFout
GSGS
46
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 91
Espelho de corrente - passivo
Supondo M1=M2 e M0=M3
31min_
3301min_
ONONTHout
ONGSGSGSout
VVVV
VVVVV
IREF
VTH
VON1
VON3 VX = VY
Vout_min
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 92
Espelho de corrente - passivo
Supondo M1=M2 e M0=M3
323
32332 1
OOmout
OObmmOout
out
outout
rrgR
rrggrR
i
vR
Lembrando análise do Cascode:
47
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 93
Espelho de corrente - passivo
Supondo M1=M2 e M0=M3
IOUT
vout
iout
Vout_MIN
rout
MOSFET
CASCODE
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 94
Espelho de corrente - passivo
Supondo M1=M2 = M0=M3
Conclusão:
Tensão mínima de saída
Resistência de saída
Espelhamento:
-bom
2
Omo u t rgR
O NTHo u t VVV 2min_
21 D SD S VV
48
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 95
Espelho de corrente - passivo
Redução de Vout_min: M1=M3 e M2=M2
THbout
ONGSbout
VVV
VVVV
min_
44min_
34min_
min_ :Se
ONONout
bb
VVV
VV
34min_ O NO NTHb VVVV
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 96
Espelho de corrente - passivo
Redução de Vout_min: M1=M3=M2=M4
Conclusão:
Tensão mínima de saída
Resistência de saída
Espelhamento:
-bom
2
Omo u t rgR
O No u t VV 2min_
31 D SD S VV
49
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 97
Espelho de corrente - passivo
Geração de Vb: M1=M3=M5 e M2=M4=M6
Se I1 ≈ IREF:
Tensão mínima de saída se:
Cálculo de Rb:
1
1
562
I
VR
I
VVVVR
THb
bONONTHb
34 O NO NTHb VVVV
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 98
Espelho de corrente - passivo
Geração de Vb: M1=M3 e M2=M4
Se I1 ≈ IREF:
Tensão mínima de saída se:
Cálculo de Rb:
REF
ONb
REF
ONTHONONTHb
REF
Xbb
I
VR
I
VVVVVR
I
VVR
4
334
34 O NO NTHb VVVV
50
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 99
Espelho de corrente - passivo
Geração de Vb: M1=M3 e M2=M4
Se I1 ≈ IREF:
Tensão mínima de saída se:
Cálculo de M5:
4
2
4;35
345
5
L
W
L
W
VVVV
VVV
ONONONON
ONTHb
34 O NO NTHb VVVV
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 100
Espelho de corrente - passivo
Geração de Vb: M1=M3 e M2=M4
Se I1 ≈ IREF:
Tensão mínima de saída se:
Usa-se M7 com grande
razão de aspecto:
65
65
77
765
2
ONONTHb
THONONTHb
THONTHGS
GSGSGSb
VVVV
VVVVV
VVVV
VVVV
34 O NO NTHb VVVV
51
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 101
Espelho de corrente - ativo
Ocorre quando utilizamos o espelho de
corrente para processar sinal, com entrada e
saída
O
II
out
in
i
iA
R
R
0
:Idealmente
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 102
Espelho de corrente - ativo
IOUT
vout
iout
Vout_MIN
rout
IOUT
vout
iout
vin
iin Vin_MIN
vin
iin Ideal:
Real:
52
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 103
Espelho de corrente - ativo
Espelho Simples
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 104
Espelho de corrente - ativo
Espelho Simples
21
min_
min_
:ruim toEspelhamen
1
DSDS
Oout
ONout
min
ONTHin
VV
rR
VV
gR
VVV
Conclusão:
53
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 105
Espelho de corrente - ativo
Espelho Cascode
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 106
Conclusão:
Espelho de corrente - ativo
Espelho Cascode
21
2
min_
min_
:bom toEspelhamen
2
2
22
DSDS
Omout
ONTHout
min
ONTHin
VV
rgR
VVV
gR
VVV
54
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 107
Espelho de corrente - ativo
Espelho Wilson
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 108
Espelho de corrente - ativo
Espelho Wilson Conclusão:
21
2
311
1
min_
111
11
min_
:ruim toEspelhamen
221
2
2
2
1
22
DSDS
OmO
OmOout
ONTHout
mOm
OOin
ONTHin
VV
rgr
rgrLR
VVV
grg
r
L
rR
VVV
55
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 109
Espelho de corrente - ativo
Espelho Wilson melhorado
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 110
Espelho de corrente - ativo
Espelho Wilson melhorado Conclusão:
21
2
311
1
min_
111
131
min_
:bom toEspelhamen
221
2
2
2
1
)1(
22
DSDS
OmO
OmOout
ONTHout
mOm
OmOin
ONTHin
VV
rgr
rgrLR
VVV
grg
r
L
grR
VVV
56
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 111
Espelho de corrente - ativo
Espelho de corrente, operando em quadrante
negativo
Funciona se:
0 b ia sin II
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 112
Espelho de corrente - layout
Espelho com razão 1:4
LAYOUT RUIM
BOM LAYOUT
Lembrar: efeitos de borda
da região ativa
57
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 113
Sumário
Introdução
Configurações amplificadoras elementares Fonte Comum
Dreno Comum
Porta Comum
Amplificadores compostos Cascode (FC+PC)
Folded-Cascode (FC+PC)
Espelho de corrente
Diferencial (2xFC)
Par complementar (2xDC)
Push-pull (2xFC)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 114
O acoplamento capacitivo entre linhas adjacentes
permite que o sinal de clock interfira na linha de
sinal, corrompendo-o
Operação Diferencial
58
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 115
Com o sinal na forma diferencial, tem-se uma maior
imunidade à interferência, pois o acoplamento
ocorre da mesma forma nas linhas L2 e L3
Operação Diferencial
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 116
O sinal na forma diferencial oferece maior
imunidade à interferência oriunda da linha de
alimentação
Operação Diferencial
Sinal referenciado à terra
(modo comum)
Sinais referenciados entre si
(modo diferencial)
59
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 117
Par Diferencial
LOAD:
active or passive
BIAS
A tensão diferencial de
entrada é convertida em
desequilíbrio nas
correntes de dreno,
através do gm dos
transistores
O desequilíbrio de
correntes é convertido
em tensão pela carga
saída diferencial
saída modo-comum
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 118
Par Diferencial
Diversos tipos de carga
ativa e passiva:
Carga: resistor
Carga: 1/gm
Carga: rds
Carga resistência
negativa
Carga: espelho de corrente
60
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 119
Par Diferencial
LOAD:
active or passive
BIAS
Algumas Características Importantes:
dB
MÁX
OUT
vvdd
out
cd
vinc
outc
vind
outd
inincinindout
t
VSR
v
vPSRR
AACMRR
v
vA
v
vA
vvAvvAv
indinc
indinc
3
0;0
00
2121
:faixa de Largura
2)(
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 120
Par Diferencial
61
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 121
Par Diferencial
Polarização
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 122
Par Diferencial
Imunidade da polarização à tensão modo-comum de
entrada
62
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 123
Par Diferencial
Comportamento vIN x iD
2
2,1
2
2,1
21
21
2
2,12,1
21
2
2
1
212
22
:seResolvendo
OV
id
OV
idD
ididD
GSGSid
DD
TGSD
V
v
V
v
I
i
I
vI
vIi
vvv
Iii
Vvi
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 124
Par Diferencial
Comportamento vIN x iD
2
2,1 21
2
2
1
OV
id
OV
idD
V
v
V
v
I
i
63
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 125
Par Diferencial
Dependência da faixa linear com a tensão de
overdrive ( nível de inversão)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 126
Par Diferencial
Ganho diferencial Modelo para sinal
Dm
id
O
id
OOdd
Dm
id
Od
Dm
id
Od
Rgv
v
v
vvA
Rg
v
vA
Rg
v
vA
12
22
11
22
64
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 127
Par Diferencial
Ganho modo comum Modelo para sinal
0
21
12
22
11
icm
O
icm
OOcd
SSm
Dm
icm
Oc
icm
Oc
v
v
v
vvA
Rg
Rg
v
vA
v
vA
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 128
Par Diferencial
Espelho de corrente como carga ativa do par diferencial
Polarização
65
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 129
Par Diferencial
Espelho de corrente como carga ativa do par diferencial
Sinal
42 //2
dsdsmoutmdid
m rrgRgAv
gi
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 130
Par Diferencial
Versões com MOSFET canal N e P
66
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 131
Par Diferencial
Tensão diferencial de entrada Vid - [V]
Te
nsã
o d
e s
aíd
a V
ou
t –
[V
]
M4
M2
M2: sat; M4: triodo
M2: sat; M4: sat
M2: triodo; M4: sat
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 132
Par Diferencial
Tensão diferencial de entrada Vid - [V]
Te
nsã
o d
e s
aíd
a V
ou
t –
[V
]
M4
M2
M2: sat; M4: triodo
M2: sat; M4: sat
M2: triodo; M4: sat
67
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 133
Par Diferencial
Análise intuitiva do Ganho Diferencial
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 134
Par Diferencial
Análise intuitiva do Ganho Modo-comum
•O ganho modo-comum
tende a zero, devido aos
efeitos equivalentes de
ganho dos caminhos
através de M1 e M2.
•Na prática, o
descasamento de ganho
entre estes dois caminhos
determina o valor do
ganho modo-comum.
68
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 135
Par Diferencial
Slew-rate (SR) •Caso seja aplicado um vin
suficientemente grande de modo
que toda a corrente Iss passe por
M1, M2 cortará.
•Nesta situação a corrente de
saída será Iss espelhada por M3-
M4, e passando pela carga CL.
•Como a variação de tensão na
carga é dada por:
•O SR resulta:
tC
IV
L
SSC
LSS CISR
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 136
+
VTP+VON3
_
+
VTN+VON1
_
+
VON1
_
Par Diferencial
Máx tensão entrada em
modo comum (Vin_max_cm)
TNONTPDDinMAXcm
ONTNON
ONTPDDinMAXcm
VVVVV
VVV
VVVV
3
11
3)(
69
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 137
+
VTN+VON1
_
+
VON5
_
Par Diferencial
Min tensão entrada em
modo comum (Vin_min_cm)
51)( ONONTNinMINcm VVVV
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 138
Par Diferencial
Ganho e resposta em
frequencia
31312
3331
22
421
42
11
/1)/1//(//
1
//
1
gsgsdbdb
mmdsdsoutII
outIIp
dbdb
dsdsoutI
LoutIp
CCCCC
ggrrR
CR
CCC
rrR
CCR
4321
422,1
;
0todescasamen
0
//
MMMM
A
A
rrgA
c
c
dsdsmd
70
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 139
Par Diferencial
Carga: diodo MOS
51
3
4,3
2,1
)(
ONONTNinMINcm
TNONTPDDinMAXcm
m
m
in
outd
VVVV
VVVVV
g
g
v
vA
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 140
Par Diferencial
Carga: rds MOS
51
3
42
2,1
ONONTNinMINcm
TNONDDinMAXcm
dsds
m
in
outd
VVVV
VVVV
gg
g
v
vA
71
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 141
Par Diferencial
Projeto e compromissos
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 142
Par Diferencial
Exercício Calcule Rout para cada
saída
Calcule o ganho diferencial
outm
in
outd
out
m
in
outd
outoutout
dsmdsdsmdsout
Rgv
vA
Rg
v
vA
RRR
rgrrgrR
2,1
2,111
21
5573311
2
//
72
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 143
Par Diferencial
Exercício Calcule Vout máx e min
Calcule Vin_cm máx e min
13
57
91
357
inTNONoutMIN
ONONDDoutMAX
ONONTNinMINcm
TNONONONDDinMAXcm
VVVV
VVVV
VVVV
VVVVVV
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 144
Par Diferencial
Exercício Calcule Vb, Vb1, Vb2 e
Vb3 para a máxima
excursão de saída
TNONb
inTNONTNb
TPONONDDb
TPONDDb
VVV
VVVVV
VVVVV
VVVV
9
max_11331
572
73
73
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 145
Sumário
Introdução
Configurações amplificadoras elementares Fonte Comum
Dreno Comum
Porta Comum
Amplificadores compostos Cascode (FC+PC)
Folded-Cascode (FC+PC)
Espelho de corrente
Diferencial (2xFC)
Par complementar (2xDC)
Push-pull (2xFC)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 146
Par Complementar
Baixo Ro
Alto Ri
Av unitário (2DC)
Alto Ai
Só funciona se:
Vi > Vtn, ou
Vi < Vtp
74
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 147
Par Complementar
Necessita uma pré-
polarização do par para
eliminar a zona morta
(Vtn > Vi > Vtp)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 148
Par Complementar
Implementação
prática
75
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 149
Par Complementar
Operação em:
Classe B Classe AB
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 150
Sumário
Introdução
Configurações amplificadoras elementares Fonte Comum
Dreno Comum
Porta Comum
Amplificadores compostos Cascode (FC+PC)
Folded-Cascode (FC+PC)
Espelho de corrente
Diferencial (2xFC)
Par complementar (2xDC)
Push-pull (2xFC)
76
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 151
Push-pull ou Inversor MOS
•Alto Ri
•Alto Ro
•Alto Av (depende da carga)
•Alto Ai
•Se vi = 0V, alta corrente quiescente
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 152
Push-pull ou Inversor MOS
O ajuste de VTR1 e VTR2 define a corrente quiescente de M1
e M2, quando Vin = 0V