cap 6 - amplificadores de estágio único em ci

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26/1/2010 Amplificadores de Estágio Único em Circuitos Integrados ELT 085 – Circuitos Eletrônicos Analógicos

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26/1/2010

Amplificadores de Estágio Único emCircuitos Integrados

ELT 085 – Circuitos Eletrônicos Analógicos

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2Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Sumário

1. Comparação do MOSFET e BJT

2. Espelhos de Corrente

3. Resposta em Altas Frequências

4. Amplificadores FC e EC com Carga Ativa

5. Amplificadores GC e BC com Carga Ativa

6. Amplificador Cascode

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3Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Sumário

7. Amplificadores FC (EC) com resistor fonte (emissor)

8. Seguidor de Fonte e Seguidor de Emissor

9. Associações de Transistores

10. Espelhos de Corrente Aprimorados

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4Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Sumário

1. Comparação do MOSFET e BJT

2. Espelhos de Corrente

3. Resposta em Altas Frequências

4. Amplificadores FC e EC com Carga Ativa

5. Amplificadores GC e BC com Carga Ativa

6. Amplificador Cascode

Page 5: Cap 6 - Amplificadores  de estágio único em CI

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5Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificadores com Acoplamento capacitivo

1/26/2010

Restrições:

• Resistores de valores elevados• Grandes capacitores

Possibilidades:

• Fontes de corrente constante• Pequenos capacitores• Transistores casados

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6Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Equações básicas do transistor MOS

)1()(21 2

A

DStGSoxnD V

vVvL

WCi +−= μ

ox

oxox t

C ε=

silício de óxido do dadepermissivi =oxε LVV AA'=

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7Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Valôres típicos de Parâmetros de CMOS

1/26/2010

0,8μm 0,5μm 0.25μm 0.18μmParâmetro N P N P N P N P

tox(nm) 15 15 9 9 6 6 4 4

Cox(fF/μm2) 2,3 2,3 3,8 3,8 5,8 5,8 8,6 8,6

μ(cm2/Vs) 550 250 500 180 460 160 450 100

μCox(μA/V2) 127 58 190 68 267 93 387 86

Vto(V) 0,7 -0,7 0,7 -0,8 0,43 -0,62 0,48 -0,45

VDD(V) 5 5 3,3 3,3 2,5 2,5 1,8 1,8

V’A(V/μm) 25 20 20 10 5 6 5 6

Cov(fF/μm) 0,2 0,2 0,4 0,4 0,3 0,3 0,37 0,33

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8Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Equações Básicas do BJT

T

BEVv

SC eIi =

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9Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Equações Básicas do BJT

T

BEVv

pp enn 0)0( =

A

inES WN

nqDAI2

=

T

BEVv

SC eIi =

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10Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Valôres típicos de Parâmetros de BJTs

1/26/2010

Processo Padrão Advanced Low VoltageParâmetro npn pnp lateral npn pnp lateral

AE (μm2) 500 900 2 2

IS (A) 5 x 10-15 2 x 10-15 6 x 10-18 6 x 10-18

βo (A/A) 200 50 100 50

VA (V) 130 50 35 30

VCEO (V) 50 60 8 18

τF (ns) 0,35 30 10 x 10-3 650 x 10-3

Cje0 (pF) 1 0,3 5 x 10-3 14 x 10-3

Cμ0 (pF) 0,3 1 5 x 10-3 15 x 10-3

rx (Ω) 200 300 400 200

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11Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Table 6.3

Condições para operar na região ativa

V,aVvv ttGS 70 5,0 , =≥ VVVv BEonBEonBE 5,0 , ≈≥

OVtGS vVv +=

tGD Vv < VVVv BConBConBC 4,0 , ≅<

OVDS Vv ≥ V 3.02.0 −=OVV VvCE 3,0≥

1 - Criar o canal:

2 – Estrangular o canal no dreno:

1 – Polarizar diretamente B-E:

2 – Polarizar reversamente B-C:

ou:

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12Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Característica i x v na região ativa

)1()(21 2

A

DStGSoxnD V

vVvL

WCi +−= μ

)1(21 2

A

DSOVoxnD V

vvL

WCi += μ

0=Gi

)1(A

CESC V

veIi TVBEv

+=

βC

Bii =

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13Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Table 6.3

Modelos em Baixas frequências

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14Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Transcondutância

2OVV

Dm

Ig =

OVoxnm VL

WCg ))((μ=

Doxnm IL

WCg ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= )(2 μ

T

Cm V

Ig =

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15Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Resistências de entrada e saída

D

A

D

Ao I

LVIVr

'

==C

Ao I

Vr =

Resistência de saída:

Resistência de entrada:

mgr βπ =

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16Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Ganho intrínseco

20

OVVAVA =

OV

A

VLVA

'

02

=

D

oxnA

IWLCV

Aμ2'

0 =

T

A

VVA =0

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17Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Table 6.3

Modelos em Altas frequências

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21Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Sumário

1. Comparação do MOSFET e BJT

2. Espelhos de Corrente

3. Resposta em Altas Frequências

4. Amplificadores FC e EC com Carga Ativa

5. Amplificadores GC e BC com Carga Ativa

6. Amplificador Cascode

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22Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.4 Circuit for a basic MOSFET constant-current source.

Espelho de corrente

21

'1 )()(

21

tGSnD VvL

WkI −=

RVVII GSDD

REFD−

==1

1

2

)()(

LW

LW

REF

O

II

=

22

'2 )()(

21

tGSnD VvL

WkI −=

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23Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.5 Basic MOSFET current mirror.

Limite de operação

tGSo VVV −≥

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24Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.6 Output characteristic of the current source in Fig. 6.4 and the current mirror of Fig. 6.5 for the case Q2 is matched to Q1.

Efeito da resistência de saída

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+=

21

2 1)()(

A

GSoREF

LW

LW

o VVVII

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25Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.7 A current-steering circuit.

Divisão de corrente

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26Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.8 The basic BJT current mirror.

Espelho de corrente a BJT

1

2

1

2

Q de JBE da áreaQ de JBE da área

==S

S

REF

o

II

II

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27Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.9 Analysis of the current mirror taking into account the finite β of the BJTs.

Dependência de β

β11

, Se 12 ++== m

mIImIIREF

oSS

β21

1

+=

REF

o

II

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28Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Projeto do Espelho de corrente

1/26/2010

Figure 6.10 A simple BJT current source.

RVVI BECC

REF−

=

)1(21 A

BEoREFo V

VVII −+

+=

β

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29Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Divisão de Corrente

1/26/2010

Figure 6.11 Generation of a number of constant currents of various magnitudes.

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31Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Sumário

1. Comparação do MOSFET e BJT

2. Espelhos de Corrente

3. Resposta em Altas Frequências

4. Amplificadores FC e EC com Carga Ativa

5. Amplificadores GC e BC com Carga Ativa

6. Amplificador Cascode

1. Comparação do MOSFET e BJT

2. Espelhos de Corrente

4. Amplificadores FC e EC com Carga Ativa

5. Amplificadores GC e BC com Carga Ativa

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32Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificadores com Acoplamento capacitivo

1/26/2010

Restrições:

• Resistores de valores elevados• Grandes capacitores

Possibilidades:

• Fontes de corrente constante• Pequenos capacitores• Transistores casados

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33Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificadores com acoplamento direto

1/26/2010

Figure 6.12 Frequency response of a direct-coupled (dc) amplifier. Observe that the gain does not fall off at low frequencies, and the midband gain AM extends down to zero frequency.

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Função de Transferência

1/26/2010

)()( sFAsA HM=

)1)...(1)(1()1)...(1)(1(

)(21

21

PnPP

ZnZZ

ws

ws

ws

ws

ws

ws

H sF++++++

=

11

1)(pw

sH sF+

Pólo dominante: Um polo dominante existe se o pólo demais baixa frequência está a pelo menos duas oitavas dopólo ou zero mais próximo.

1PH ww ≅

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35Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Cálculo Aproximado de fH

1/26/2010

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛++

...112...11

1

22

21

22

21 ZZPP

H

wwww

w

Exemplo 6.5

)1)(1()1(

)(44

5

10x410

10ss

s

H sF++

+=

A resposta em altas frequências de um amplificador é caracterizada por:

Determine a freqüência de -3dB

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36Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Exemplo 6.5

1/26/2010

Figure 6.13 Normalized high-frequency response of the amplifier in Example 6.5.

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Método das constantes de tempo

1/26/2010

nn

nn

H sbsbsbsasasasF

++++++++

=...1...1)( 2

21

221

pnpp wwwb 1...11

211 +++=

∑=

=n

iioi RCb

11

11

1

pwb ≅ ∑

=≅

iioi

H RCbw 11

1

(exato)

Rio = resistência vista dos terminais de Ci com todos os outros capacitores iguais a zero e fontes de sinal anuladas.

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Exemplo

1/26/2010

Exemplo 6.6

Determine AM e fH para o amplificador, onde Rsig = 100 kΩ, Rin = 420 kΩ, Cgs = Cgd= 1pF, gm = 4mA/V e RL = 3,33kΩ.

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39Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.14 Circuits for Example 6.6: (a) high-frequency equivalent circuit of a MOSFET amplifier; (b) the equivalent circuit at midband frequencies; (c) circuit for determining the resistance seen by Cgs; and (d) circuit for determining the resistance seen by Cgd.

Exemplo 6.6

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40Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Teorema de Miller

1/26/2010

Figure 6.15 The Miller equivalent circuit.

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Exemplo

1/26/2010

Figure 6.16 Circuit for Example 6.7.

Exemplo 6.7

Determine o circuito equivalente de Miller para Z = R = 1MΩ e Z = C = 1pF. Em cada caso, determine Vo/Vsig.

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42Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Exemplo 6.7

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44Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Sumário

1. Comparação do MOSFET e BJT

2. Espelhos de Corrente

3. Resposta em Altas Frequências

4. Amplificadores FC e EC com Carga Ativa

5. Amplificadores GC e BC com Carga Ativa

6. Amplificador Cascode

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45Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Tabela 4.3

1/26/2010

Definições:

Resistência de entrada sem carga:

Resistência de entrada:

Ganho de tensão em malha aberta:

∞=

≡LRi

ii i

vR

i

iin i

vR ≡

∞=

≡LRi

ovo v

vA

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Tabela 4.3

1/26/2010

Definições:

Ganho de tensão:

Ganho de corrente em curto circuito:

Ganho de corrente:

0=

≡LRi

ois i

iA

i

oi i

iA ≡

i

ov v

vA ≡

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Tabela 4.3

1/26/2010

Definições:

Transcondutância em curto circuito:

Ganho de tensão total:

Ganho de tensão total em circuito aberto:

0=

≡LRi

om v

iG

sig

ov v

vG ≡

∞=

≡LRsig

ovo v

vG

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Tabela 4.3

1/26/2010

Definições:

Resistência de saída própria:

Resistência de saída:

0=

≡ivx

xo i

vR

0=

≡sigvx

xout i

vR

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Tabela 4.3 – Circuitos Equivalentes

1/26/2010

sigin

in

sig

i

RRR

vv

+=

oL

Lvov RR

RAA+

=

oL

Lvo

sigin

inv RR

RARR

RG++

=

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Tabela 4.3 – Circuitos Equivalentes

1/26/2010

omvo RGA =

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Tabela 4.3 – Circuitos Equivalentes

1/26/2010

vosigi

ivo A

RRRG+

=outL

Lvov RR

RGG+

=

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Amplificador FC com Carga Ativa

1/26/2010

Figure 6.17 (a) Active-loaded common-source amplifier. (b) Small-signal analysis of the amplifier in (a), performed both directly on the circuit diagram and using the small-signal model explicitly.

∞=iR omvo rgA −= oo rR =

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Carga ativa CMOS

1/26/2010

Figure 6.18 The CMOS common-source amplifier; (a) circuit; (b) i–v characteristic of the active-load Q2; (c) graphical construction to determine the transfer characteristic; and (d) transfer characteristic.

)//( 211 oomv rrgA −=

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Carga ativa CMOS

1/26/2010

Figure 6.18 The CMOS common-source amplifier; (a) circuit; (b) i–v characteristic of the active-load Q2; (c) graphical construction to determine the transfer characteristic; and (d) transfer characteristic.

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Carga ativa CMOS

1/26/2010

Figure 6.18 The CMOS common-source amplifier; (a) circuit; (b) i–v characteristic of the active-load Q2; (c) graphical construction to determine the transfer characteristic; and (d) transfer characteristic.

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Amplificador EC com Carga Ativa

1/26/2010

Figure 6.19 (a) Active-loaded common-emitter amplifier. (b) Small-signal analysis of the amplifier in (a), performed both directly on the circuit and using the hybrid-π model explicitly.

πrRi = omvo rgA −= oo rR =

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Resposta em frequência do FC e EC com carga ativa

1/26/2010

Figure 6.20 High-frequency equivalent-circuit model of the common-source amplifier. For the common-emitter amplifier, the values of Vsig and Rsig are modified to include the effects of rπ and rx; Cgs is replaced by Cπ, Vgs by Vπ, and Cgd by Cμ.

• Vsig e Rsig representam o equivalente de Thevenin da fonte de sinal e

resistências do circuito de entrada.

• RL representa a carga e o resistor da fonte de corrente constante de

saída.

• CL representa as capacitâncias de carga na saída.

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Análise pelo Teorema de Miller

1/26/2010

Figure 6.21 Approximate equivalent circuit obtained by applying Miller’s theorem while neglecting CL and the load current component supplied by Cgd. This model works reasonably well when Rsig is large and the amplifier high-frequency response is dominated by the pole formed by Rsig and Cin.

H

M

sig

o

ws

AVV

+≅

1

'LmM RgA −=

sigLmgdgsH RRgCC

f)]1([2

1'++

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Método das Constantes de tempo

1/26/2010

Figure 6.22 Application of the open-circuit time-constants method to the CS equivalent circuit of Fig. 6.20.

''' ])1([ LLLLmsiggdsiggsH RCRRgRCRC ++++=τ

HHf

πτ21

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Análise exata

1/26/2010

Figure 6.23 Analysis of the CS high-frequency equivalent circuit.

'2''

'

])[(})()]1({[1)]/(1[

LsiggdLgsgdLLgdLsigLmgdgs

mgdLm

sig

o

RRCCCCCsRCCRRgCCsgCsRg

VV

++++++++

−−=

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61Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Análise exata

1/26/2010

21

2

2121

)11(1)1)(1()(pppppp ww

sww

sw

swssD +++=++=

21

2

1

1)(ppp ww

swssD ++≅

''1 )()]1([1

LgdLsigLmgdgsp RCCRRgCC

w++++

=

12 se pp ww >>

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63Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.25 (a) High-frequency equivalent circuit of the common-emitter amplifier. (b) Equivalent circuit obtained after the Thévenin theorem is employed to simplify the resistive circuit at the input.

Análise para o emissor comum

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64Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.26 (a) High-frequency equivalent circuit of a CS amplifier fed with a signal source having a very low (effectively zero) resistance. (b) The circuit with Vsig reduced to zero. (c) Bode plot for the gain of the circuit in (a).

'

'

)(1)]/(1[

LgdL

mgdLm

sig

o

RCCsgCsRg

VV

++

−−=

Caso com Rsig = 0

')(21

LgdLH RCC

f+

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65Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Caso com Rsig = 0

Figure 6.26 (a) High-frequency equivalent circuit of a CS amplifier fed with a signal source having a very low (effectively zero) resistance. (b) The circuit with Vsig reduced to zero. (c) Bode plot for the gain of the circuit in (a).

''

)(21||

LgdLLmHMt RCC

RgfAf+

==π

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66Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Sumário

1. Comparação do MOSFET e BJT

2. Espelhos de Corrente

3. Resposta em Altas Frequências

4. Amplificadores FC e EC com Carga Ativa

5. Amplificadores GC e BC com Carga Ativa

6. Amplificador Cascode

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67Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.27 (a) Active-loaded common-gate amplifier. (b) MOSFET equivalent circuit for the CG case in which the body and gate terminals are connected to ground. (c) Small-signal analysis performed directly on the circuit diagram with the T model of (b) used implicitly. (d) Operation with the output open-circuited.

Gate comum com Carga Ativa

mmb gg χ=

2,0 a 1,0=χ

Efeito body (substrato)

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68Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Gate comum com Carga Ativa – Resistência de entrada

roimbmi ivggi ++= )(

o

Lii

o

oiro r

Rivr

vvi −=

−=

ombm

Lo

i

iin rgg

RrivR

)(1 +++

==

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69Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Gate comum com Carga Ativa - RL=∞

∞=→∞= iL RR Se

iiombmioo vvrggvirv ++=+= )(

ombmi

ov rgg

vvA )(10 ++==

0

1AR

ggARrR L

mbmvo

Loin +

+≅

+=

ombmvosig

ov rggA

vvG )(10 ++===

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70Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Gate comum com Carga Ativa – Ganho de Tensão

oL

Lvo

in

L

i

ov rR

RARR

vvA

+===

LiLoo RiRiv ==inii Riv =

SvooL

Lvo

inS

L

sig

ov RArR

RARR

RvvG

++=

+==

)( inSisig RRiv +=

LiLoo RiRiv ==

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71Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.28 (a) The output resistance Ro is found by setting vi 5 0. (b) The output resistance Rout is obtained by setting vsig 5 0.

Gate comum com Carga Ativa – Resistência de saída

SxRiv =

vrvggiv ombmxx +++= ])([

SvooSombmoout RArRrggrR +=+++= ])(1[

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72Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.29 The impedance transformation property of the CG configuration.

Buffer de corrente

oSmbmSSombmoout rRggRRrggrR ])(1[])(1[ +++=+++=

oSmoSmbmout rRgrRggR )1(])(1[ +≈++≅

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74Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Resposta em frequencia do GC

1/26/2010

Figure 6.31 (a) The common-gate amplifier with the transistor internal capacitances shown. A load capacitance CL is also included. (b)Equivalent circuit for the case in which ro is neglected.

)1||( 2

11

mbmSgs

p

ggRC

f

+

LL2 )RC( 2

1+

=gd

p Cf

π

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75Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Resposta em frequencia do GC

1/26/2010

Figure 6.32 Circuits for determining Rgs and Rgd.

])RC([C 21

gdLgs ++=

gdgsH CR

inSgs RRR ||=

outLgd RRR ||=

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76Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificador Base Comum

1/26/2010

Figure 6.33 (a) Active-loaded common-base amplifier. (b) Small-signal analysis performed directly on the circuit diagram with the BJT T model used implicitly. (c) Small-signal analysis with the output open-circuited.

e

L

e

o

Loin

rR

rr

RrR

)1(1

+++

+=

β

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77Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificador Base Comum

1/26/2010

Figure 6.33 (a) Active-loaded common-base amplifier. (b) Small-signal analysis performed directly on the circuit diagram with the BJT T model used implicitly. (c) Small-signal analysis with the output open-circuited.

011 ArgvvA om

Ri

ovo

L

+=+==∞→

πrRi =

voei

i

Rsig

ovo A

RRR

vvG

L+

==∞→

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78Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificador Base Comum

1/26/2010

Figure 6.34 Analysis of the CB circuit to determine Rout. Observe that the current ix that enters the transistor must equal the sum of the two currents v/rπ and v/Re that leave the transistor, that is; ix 5 v/rπ 1 v/Re.

oo rR =

oeme

eomoout

rRgRRrgrR)1(

)1(''

'

++=++=

πrRR ee || :onde ' =

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79Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Buffer de Corrente

1/26/2010

Figure 6.35 Input and output resistances of the CB amplifier.

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80Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Sumário

1. Comparação do MOSFET e BJT

2. Espelhos de Corrente

3. Resposta em Altas Frequências

4. Amplificadores FC e EC com Carga Ativa

5. Amplificadores GC e BC com Carga Ativa

6. Amplificador Cascode

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81Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificador Cascode

1/26/2010

Figure 6.36 (a) The MOS cascode amplifier. (b) The circuit prepared for small-signal analysis with various input and output resistances indicated. (c) The cascode with the output open-circuited.

2222

1

vo

L

mbmin A

Rgg

R ++

=

2222 )(1 ombmvo rggA ++=

10122 oovooout rArArR ≈+=

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82Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificador Cascode

1/26/2010

Figure 6.36 (a) The MOS cascode amplifier. (b) The circuit prepared for small-signal analysis with various input and output resistances indicated. (c) The cascode with the output open-circuited.

2222 )(1 ombmvo rggA ++=

iomvoovoo vrgAvAv )( 11212 −==

2)( omRi

ovo rg

vvA

L

−≈=∞→

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83Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificador Cascode

1/26/2010

Figure 6.37 (a and b) Two equivalent circuits for the output of the cascode amplifier. Either circuit can be used to determine the gain Av 5vo/vi, which is equal to Gv because Rin 5 ∞ and thus vi 5 vsig. (c) Equivalent circuit for determining the voltage gain of the CS stage, Q1.

oL

Lv rAR

RAA0

20 +

−=

)]1(||[0

1

AR

grg

vv L

mom

i

o +−=

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84Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificador Cascode

1/26/2010

oL

Lv rAR

RAA0

20 +

−=

)]1(||[0

1

AR

grg

vv L

mom

i

o +−=

oL rAR 0 com =

212

0AAv −=

01

21

2Arg

vv om

i

o −=−=

oL rR = com

0AAv −=

21 −=i

o

vv

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85Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Resposta em Frequencia do Cascode MOS

1/26/2010

Figure 6.38 The cascode circuit with the various transistor capacitances indicated.

)||)(()(])1[(

2121

11111

outLgdLdgsdb

dsigdmgdsiggsH

RRCCRCCRRRgCRC

++++=+++=τ

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86Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Rsig = 0 e RL=A0ro

Comparação FC x Cascode

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87Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificador Cascode a BJT

1/26/2010

Figure 6.40 (a) The BJT cascode amplifier. (b) The circuit prepared for small-signal analysis with various input and output resistances indicated. Note that rx is neglected. (c) The cascode with the output open-circuited.

oemout rRgR )1( '+=

πrRR ee ||' =

22222 )1( oomout rrrgR βπ ≈+=

(6.118)

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88Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificador Cascode a BJT

1/26/2010

Figure 6.40 (a) The BJT cascode amplifier. (b) The circuit prepared for small-signal analysis with various input and output resistances indicated. Note that rx is neglected. (c) The cascode with the output open-circuited.

02AAvo β−=

ioimo vrrvgv βπ −≈−= )||( 2111

02222 1 ArgA omvo ≈+=

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89Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificador Cascode a BJT – Modelos Equivalentes

1/26/2010

Figure 6.41 (a) Equivalent circuit for the cascode amplifier in terms of the open-circuit voltage gain Avo 5 –βA0. (b) Equivalent circuit in terms of the overall short-circuit transconductance Gm . gm. (c) Equivalent circuit for determining the gain of the CE stage, Q1.

11 −=i

o

vv

oL rR <<

21 β

−=i

o

vv

oL rR β=

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90Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Amplificador Cascode a BJT – Resposta em frequência

1/26/2010

Figure 6.42 Determining the frequency response of the BJT cascode amplifier. Note that in addition to the BJT capacitances Cπ and Cμ, the capacitance between the collector and the substrate Ccs for each transistor are also included.

Page 84: Cap 6 - Amplificadores  de estágio único em CI

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91Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Fonte de Corrente Cascode

1/26/2010

Figure 6.43 A cascode current-source.

Transistor do espelho de corrente

Transistor em gate comum

122 )( oomL rrgR =

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92Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Duplo cascode

1/26/2010

Figure 6.44 Double cascoding.

ooomomout rArrgrgR 20133223 ))(( ==

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93Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Cascode dobrado

1/26/2010

Figure 6.45 The folded cascode.

21 II −

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94Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Cascode BiCMOS

Rin infinita

Maior resistência de saída (βBJT>A0_FET e ro_BJT > ro_FET)

Efeito Miller reduzido (Rin2_BJT<Rin2_FET)

1/26/2010

Figure 6.46 BiCMOS cascodes.

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95Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Cascode BiCMOS

Maior resistência de saída com MOSFET Q3 pois com BJT ficaria limitada a βro

1/26/2010

Figure 6.46 BiCMOS cascodes.

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96Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Sumário

7. Amplificadores FC (EC) com resistor fonte (emissor)

8. Seguidor de Fonte e Seguidor de Emissor

9. Associações de Transistores

10. Espelhos de Corrente Aprimorados

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97Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Fonte comum com resistor de fonte

1/26/2010

Figure 6.47 (a) A CS amplifier with a source-degeneration resistance Rs. (b) Circuit for small-signal analysis. (c) Circuit with the output open to determine Avo. (d) Output equivalent circuit. (e) Another output equivalent circuit in terms of Gm.

xsmo

xsxx iRg

riRvi −

−=

])(1[

)(

Smbmo

SombmSoout

Rggr

RrggRrR

++≈

+++=

Rout aumenta com o aumento de RS

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98Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Fonte comum com resistor de fonte

1/26/2010

Figure 6.47 (a) A CS amplifier with a source-degeneration resistance Rs. (b) Circuit for small-signal analysis. (c) Circuit with the output open to determine Avo. (d) Output equivalent circuit. (e) Another output equivalent circuit in terms of Gm.

oimo rvgv −=

0ArgA omvo −=−=

RS não afeta o ganho Avo

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99Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Fonte comum com resistor de fonte

1/26/2010

Figure 6.47 (a) A CS amplifier with a source-degeneration resistance Rs. (b) Circuit for small-signal analysis. (c) Circuit with the output open to determine Avo. (d) Output equivalent circuit. (e) Another output equivalent circuit in terms of Gm.

Smbm

m

out

vom Rgg

gRAG

)(1||

++==

outL

Lvov RR

RAA+

−=

O ganho Av cai com o aumento de RS

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100Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

FC com resistor de fonte – Resposta em frequência

1/26/2010

Figure 6.48 (a) The CS amplifier circuit, with a source resistance Rs, prepared for frequency-response analysis. (b) Determining the resistance Rgd seen by the capacitance Cgd.

Page 94: Cap 6 - Amplificadores  de estágio único em CI

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101Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

FC com resistor de fonte – Resposta em frequência

1/26/2010

Figure 6.48 (a) The CS amplifier circuit, with a source resistance Rs, prepared for frequency-response analysis. (b) Determining the resistance Rgd seen by the capacitance Cgd.

Page 95: Cap 6 - Amplificadores  de estágio único em CI

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102Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

FC com resistor de fonte – Resposta em frequência

Melhora a linearidade do amplificador – realimentação negativa - vgs é apenas uma parcela de vi

Aumenta a faixa de passagem do amplificador

1/26/2010

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103Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Emissor Comum com resistor de emissor

1/26/2010

Figure 6.49 A CE amplifier with emitter degeneration: (a) circuit; (b) analysis to determine Rin; and (c) analysis to determine Avo.

Page 97: Cap 6 - Amplificadores  de estágio único em CI

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104Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Emissor Comum com resistor de emissor

1/26/2010

Figure 6.49 A CE amplifier with emitter degeneration: (a) circuit; (b) analysis to determine Rin; and (c) analysis to determine Avo.

Page 98: Cap 6 - Amplificadores  de estágio único em CI

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105Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Sumário

7. Amplificadores FC (EC) com resistor fonte (emissor)

8. Seguidor de Fonte e Seguidor de Emissor

9. Associações de Transistores

10. Espelhos de Corrente Aprimorados

7. Amplificadores FC (EC) com resistor fonte (emissor)

9. Associações de Transistores

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106Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Seguidor de Fonte

1/26/2010

Figure 6.50 (a) An IC source follower. (b) Small-signal equivalent-circuit model of the source follower. (c) A simplified version of the equivalent circuit. (d) Determining the output resistance of the source follower.

'L

Rvgv gsmo =

oigs vvv −=

'

'

1 Lm

Lm

i

ov Rg

RgvvA

+==

χ+=

+≅

++=

11

)(1 mbm

m

ombm

omvo gg

grgg

rgA

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107Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Seguidor de Fonte

1/26/2010

Figure 6.50 (a) An IC source follower. (b) Small-signal equivalent-circuit model of the source follower. (c) A simplified version of the equivalent circuit. (d) Determining the output resistance of the source follower.

ombm

o rgg

R ||1+

=

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108Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Seguidor de Fonte – Resposta em frequência

1/26/2010

Figure 6.51 Analysis of the high-frequency response of the source follower: (a) Equivalent circuit; (b) simplified equivalent circuit; and (c)determining the resistance Rgs seen by Cgs.

siggd RR =

oLgd RRR ||=

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109Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Seguidor de Fonte – Resposta em frequência

1/26/2010

Figure 6.51 Analysis of the high-frequency response of the source follower: (a) Equivalent circuit; (b) simplified equivalent circuit; and (c)determining the resistance Rgs seen by Cgs.

'

'

1 Lm

Lsiggs Rg

RRR

+

+=

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110Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Seguidor de emissor - Resposta em frequência

1/26/2010

Figure 6.52 (a) Emitter follower. (b) High-frequency equivalent circuit. (c) Simplified equivalent circuit.

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111Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Seguidor de emissor - Resposta em frequência

1/26/2010

Figure 6.52 (a) Emitter follower. (b) High-frequency equivalent circuit. (c) Simplified equivalent circuit.

])1([|| ''Lsig RrRR ++= βπμ

e

Lsig

Lsig

rR

rR

RRR

''

''

1 ++

+=

π

π

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112Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Sumário

7. Amplificadores FC (EC) com resistor fonte (emissor)

8. Seguidor de Fonte e Seguidor de Emissor

9. Associações de Transistores

10. Espelhos de Corrente Aprimorados

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113Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

DC-FC, CC-EC e DC-EC

1/26/2010

Figure 6.53 (a) CD–CS amplifier. (b) CC–CE amplifier. (c) CD–CE amplifier.

• Larga faixa de passagem

• Alta resistência de entrada

Page 107: Cap 6 - Amplificadores  de estágio único em CI

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114Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure 6.54 Circuits for Example 6.13: (a) The CC–CE circuit prepared for low-frequency small-signal analysis; (b) the circuit at high frequencies, with Vsig set to zero to enable determination of the open-circuit time constants; and (c) a CE amplifier for comparison.

Page 108: Cap 6 - Amplificadores  de estágio único em CI

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115Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

Configuração Darlington

1/26/2010

Figure 6.55 (a) The Darlington configuration; (b) voltage follower using the Darlington configuration; and (c) the Darlington follower with a bias current I applied to Q1 to ensure that its β remains high.

Page 109: Cap 6 - Amplificadores  de estágio único em CI

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116Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.

CC-BC e DC-GC

1/26/2010

Figure 6.56 (a) A CC–CB amplifier. (b) Another version of the CC–CB circuit with Q2 implemented using a pnp transistor. (c) The MOSFET version of the circuit in (a).

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CC-BC e DC-GC - Resposta em frequência

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Figure 6.57 (a) Equivalent circuit for the amplifier in Fig. 6.56(a). (b) Simplified equivalent circuit. Note that the equivalent circuits in (a) and (b) also apply to the circuit shown in Fig. 6.56(b). In addition, they can be easily adapted for the MOSFET circuit in Fig. 6.56(c), with 2rπeliminated, Cπ replaced with Cgs, Cμ replaced with Cgd, and Vπ replaced with Vgs.

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Sumário

7. Amplificadores FC (EC) com resistor fonte (emissor)

8. Seguidor de Fonte e Seguidor de Emissor

9. Associações de Transistores

10. Espelhos de Corrente Aprimorados

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Figure 6.58 A cascode MOS current mirror.

Espelho Cascode MOS

23333 ])(1[ oombmoo rrggrR +++=

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Figure 6.59 A current mirror with base-current compensation.

Espelho com compensação da corrente de base

22 /211

)/(211

βββ +≈

++=

REF

o

II

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Figure 6.60 The Wilson bipolar current mirror: (a) circuit showing analysis to determine the current transfer ratio; and (b) determining the output resistance. Note that the current ix that enters Q3 must equal the sum of the currents that leave it, 2i.

Fonte de Wilson

2/211β+

≈REF

o

II

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Figure 6.60 The Wilson bipolar current mirror: (a) circuit showing analysis to determine the current transfer ratio; and (b) determining the output resistance. Note that the current ix that enters Q3 must equal the sum of the currents that leave it, 2i.

Fonte de Wilson

2o

orR β

=

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Figure 6.61 The Wilson MOS mirror: (a) circuit; (b) analysis to determine output resistance; and (c) modified circuit.

Fonte de Wilson MOS

233233 )2( oomomoo rrgrgrR ≈+≅

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Figure 6.61 The Wilson MOS mirror: (a) circuit; (b) analysis to determine output resistance; and (c) modified circuit.

Fonte de Wilson MOS

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Figure 6.62 The Widlar current source.

Fonte de Corrente Widlar

T

BEv

v

SREF eII1

=

T

BEv

v

SO eII2

=

T

BEBEv

vv

So

REF eII

I 21−

=

EoBEBE RIVV += 21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

o

REFTEo I

IVRI ln

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Figure 6.63 Circuits for Example 6.14.

Exemplo 6.14

Projetar as fontes de corrente para Io = 10 μA. Fazer Iref = 1mA na Fonte Widlar.

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Figure 6.64 Capture schematic of the CS amplifier in Example 6.15.

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Figure 6.65 Transistor equivalency.

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Figure 6.66 (a) Voltage transfer characteristic of the CS amplifier in Example 6.15.

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Figure 6.66 (Continued) (b) Expanded view of the transfer characteristic in the high-gain region. Also shown are the transfer characteristics where process variations cause the width of transistor M1 to change by +15% and –15% from its nominal value of W1 = 12.5 μm.

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Figure 6.67 Capture schematic of the CS amplifier in Example 6.16.

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Figure 6.68 Frequency response of (a) the CS amplifier and (b) the folded-cascode amplifier in Example 6.16, with Rsig = 100 Ω and Rsig = 1 μΩ.

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Figure 6.69 Capture schematic of the folded-cascode amplifier in Example 6.16.

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Figure P6.9

6.9 Determine a resistência incremental de cada diodo da figura abaixo.Assuma I = 0,1 mA. Para o Mosfet μnCox = 200 μA/V2 e W/L = 10.

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Figure P6.25

6.25 Determine Io em função de IREF e (W/L) dos dispositivos.

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136Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.26

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Figure P6.28

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138Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.33

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139Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.34

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Figure P6.35

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141Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.37

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142Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.46

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143Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.54

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144Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.57

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Figure P6.61

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146Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.63

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147Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.65

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148Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.72

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149Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.73

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150Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.75

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151Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.76

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152Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.83

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Figure P6.84

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Figure P6.85

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155Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.93

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Figure P6.96

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Figure P6.98

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158Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith Copyright 2004 by Oxford University Press, Inc.1/26/2010

Figure P6.99

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Figure P6.107

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Figure P6.121

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Figure P6.122

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Figure P6.123

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Figure P6.124

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Figure P6.127

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Figure P6.130

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Figure P6.134

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Figure P6.143

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Figure P6.144

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Figure P6.145