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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 1

CAPÍTULO 5

AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CMOS


+

vi

-

+

-

+Avi-

RS

+vo-

A→∞RS=0

+

vi

-

+

-

Gmvi GS +vo-

Gm=AGS

5.1 Introdução amp op ideal


+vi-

-

+

R2

R1 +vo-

2 2

1 12

1

11 111 1

o

i

v R Rv R RR

A R

= + ≅ + + +

Aplicações

amplificador inversor

2 2

1 12

1

111 1

o

i

v R Rv R RR

A R

= − ≅ −

+ +

-

+

R2

R1

+vi-

+vo-

amplificador não inversor


Transimpedance amplifier

2 2 211

1ov AR R Ri A A

= − ≅ − − ≅ − +

-

+

R2

i +vo-

- Continuous-time filters- SC filters- D/A & A/D converters- Sensor signal conditioning- Voltage & current references- Comparators- Nonlinear analog functions,- .......

Aplicações - 2


Etapas de projeto:•Escolha da arquitetura;• Correntes de polarização & dimensões dos transistores;•Compensação;•Simulação;•Layout; • Simulação pós-layout

Requisitos de projeto:

Tecnologia;

•Tensão de Alimentação;

•Ganho, GBW, excursão de tensão na saída, ruído, tensão de

offset, CMRR, PSRR, ICMR, SR ...


P. Allen and D. Holberg – CMOS Analog Circuit Design, 2nd. Ed., Oxford, New York, 2002.

Diagrama em blocos de um amp. op. genérico


5.2 Parametros de Desempenho


Vid(mV)

Vod(V)

VOS

Tensão de Offset

Offset sistemático – é resultado do projeto do circuito e está presente mesmo quando todos os dispositivos supostamente idênticos são casados ( geralmente pode-se obter baixos valores). Offset randômico – é resultado dos descasamentos nos pares de dispositivos supostamente idênticos (depende da área e da polarização).


P. R. Gray and R. G. Meyer, MOS Operational Amplifier Design – A Tutorial Overview, IEEE JSSC, vo. 17, n0. 6, pp. 969-982, Dec. 1982.

Ganho de Tensão Diferencial

d dBA

Extrapolated unity-gain frequency

1p−0 dB



Tempo de Acomodação (Settling time)


Outros Parâmetros de Desempenho

CMRR, PSRR, Slew rate, Noise, Common-Mode Input Range, Output Swing, Power, Silicon Real State, ....

Faixa Dinâmica (Dynamic Range) - DR

,max

,min

20log in

in

vDR

v

=

Ruído (distinção entre sinal e ruído)

Distorção (dentro de um nível aceitável: depende da aplicação).


5.3 OTA (amp op de um estágio) OTA – Amplificador Operacional de Transcondutância

VSS

IT

+vG1

-

M1 M2

I1 I2

+vG2

-

1:B CM 1:B CM

1:1 CM

CL

BI1 BI2

BI1

Io= B(I2-I1)


Faixa de modo comum na entrada = amp. dif.

( )T

L P

BISRC C

=+

1 2id g gv v v= −

CL+CP1m idBg v−oR

+vo

-

( ) ( )1

1m o

do L P

Bg RA ssR C C

=+ +

( )11( )

2m

L P

BgGBW HzC Cπ

=+

Io= B(I2-I1)

VSS

IT

+vG1

-

M1 M2

I1 I2

+vG2

-

1:B CM 1:B CM

1:1 CM

BI1 BI2

BI1CL

asymmetry


5.4 Amplificadores Cascode & Folded-Cascode

Amp. Dif. Telescópico amp. Com espelho cascode auto-polarizado

Amp. diff. Telescópico com espelho cascode de baixa tensão

- Reduzida excursão de tensão;

-Doublet !

- Não adequado para para aplicações de baixa tensão


Amplificador folded-cascode

D. Johns and K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley, 1997.


P.R. Gray, P.J. Hurst, S.H. Lewis, and R.G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 4th. Ed., Wiley, 2001.



IT

IT/2

IT

IT/2

IT/2IT/2

IT

∆i ∆i∆i∆i

∆i2∆i


Pode ser alterado para aumentar a excursão de tensão



0

01d

dL

AAsC R

≅+


T

L

ISRC

± = ±

0d m oA G R=

& doublet

1m mG g=

( )

44

4

212 2

2

1 ds Ao ds

o ms A

ds Ads ds

ms A

gG gR g

gg gg

= =

+ +High-swing current mirror



5.5 Amplificador Operacional de dois estágios

ICMR: ver amp. dif.VDD

Excursão de tensão na saída

4 5DD DSsat o SS DSsatV V V V V− > > +

Ganho de tensão:

1 6

2 2 6 7

o m mdo

i ds ds ds dsLF

v g gAv g g g g

= = −+ +

CL

VSS

M4M3

M1 M2

M8 M5

M7

M6

ITvi

+

-

CC

vo

1:1 1:B

1:1 1:2B

inv noninv

Para offset sistemático → 0.


( )1

2 12 1

o x o o To C C

C

o o o oo o L

L

d v v dv dv II C Cdt dt dt Cdv dv I II I Cdt dt C

−= ≅ → =

−= + → =

CC

CL

voGmI -AdII

Io1

Io2

vi

+

-

vx

T

C

ISRC

± = ±

6max ( 1) Bext

L

I B ISR SRC

+ +− +≅ >

( 1) Text

L

B ISRC

− −= −

Amplificador Operacional de dois estágios


( ) ( )( ) ( )1

=+

o

in

A sV sV A s F s

Allen & Holberg, 1st ed.



x x x x1

I IR C−1

II IIR C− 1p2p

jω

σ

s-plane

φ M


Amplificador Operacional de dois estágiosResposta em freqüência


Resposta de um sistema de segunda ordem para vários valores de margem de fase




Circuito Equivalente diferencial

1mI mg g=

( ) 12 4

2 4 6 6

I ds ds

I db db gb gs

R g gC C C C C

−= += + + +

6mII mg g=

( ) 16 7

6 7

II ds ds

II db db L

R g gC C C C

−= += + +

Se CC→0, então

( ) ( ) ( )1 1o mI mII I II

in I I II II

V g g R RsV sR C sR C

≅ −+ +

Pólos relativamente próximos, a margem de fase pode ser baixa ou até negativa!

Amplificador Operacional de dois estágios não compensado


( ) ( ) ( )( ) ( )

0

1 2

11 / 1 /

dod

in

A s zVA s sV s p s p

−= = −

− −

Amplificador operacional compensado

0d mI mII I IIA g g R R=

( ) ( )11 1

I I C II II C mII I II c mII I II c

pR C C R C C g R R C g R R C

≅ − ≅ −+ + + +

( )2mII c

I II

mII

I I IC II

g CpC C C C C

gC

−≅ − ≅+ +

mII

c

gzC

=

Nota: 0 12 /d mI CGBW A p g Cπ = =

/T CSR I C=( ) ( )/ 1 1

2 T mI t fSR I g n iGBW

φπ

= = + +

+

vin

-

RIgmIvinCI

+

vI

-

gmIIvIRII CII

+

vo

-

CC


Para evitar baixa margem de fase ,escolher

2 , 2π>p z GBW 12π ≅ m

C

gGBWC

1 1

2

2 2tan tan2π π πφ − − ≅ − − −

MGBW GBWp z

1 1

6 6

( / ) + +

m I II C I II m

m C m

g C C C C C gg C g



Amp op CMOS de dois estágios com compensação RC



11

mII I II c

pg R R C

≅ −

( )2mII c

I II

mII

I I IC II

g CpC C C C C

gC

−≅ − ≅+ + ( )6

11/c z m

zC R g

= −−

31

z I

pR C

= −

Colocando z sobre p2:6 6

11 c IIz

m c

c L

m c

CC

CRg C

Cg

C += ≅

+

Pólo de alta freqüência

Amp op CMOS de dois estágios com compensação RC


Amplificador de dois estágios: equações de projeto

0 1 2

11

2 4

62

6 7

d d d

md

ds ds

md

ds ds

A A AgA

g ggA

g g

=

=+

=+

( )2mII c

I II

mII

I I IC II

g CpC C C C C

gC

−≅ − ≅+ +

mII

c

gzC

=

0 12 /d mI CGBW A p g Cπ = =

/T CSR I C=

CL

VSS

M4M3

M1 M2

M8 M5

M7

M6

ITvi

+

-

CC

vo

1:1 1:B

1:1 1:2B

inv noninv

VDD


7 7SS DSsat o DD DSsatV V V V V− + < < −

max

min

ICM

ICM

VV

==

Ver amp. dif.

CL

VSS

M4M3

M1 M2

M8 M5

M7

M6

ITvi

+

-

CC

vo

1:1 1:B

1:1 1:2B

inv noninv

VDD

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