Resumo• Espelho de Corrente com Transistor MOS
• Efeito deV0 emI0
• Espelho de Corrente com Transistor Bipolares
• Diferenças entre espelhos de corrente MOS e Bipolares
• Fontes de Corrente Melhoradas
• Resistência de Saída de um andar MOS com resistência de fonte
• Espelhos de Corrente "Cascode"
• Espelhos de Corrente com compensação de corrente de base
• Espelhos de Corrente Wilson com Transístores Bipolares
• Espelhos de Corrente Wilson com Transístores MOS
• A resistência de saída do transístor bipolar com base comum
• O espelho de corrente Widlar
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Polarização de Circuitos Integrados
Uma fonte de corrente constante é usada tanto para polarização como carga
activa (de sinal).
As resistências não são apropriadas para ser integradas em amplificadores de
circuito integrado pois ocupam uma área grande em silício.
A polarização dentro de um circuito integrado é frequentemente baseada no
uso de fontes de corrente constante.
Uma corrente de referência é gerada para ser replicada em outras fontes de
corrente para polarizar os vários estágios do amplificador.
A corrente de referência pode ser gerada com uma resistênciade precisão
externa ao integrado.
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Espelho de Corrente com Transistor MOS
Em Q1 o dreno está curto-circuitado
à porta forçando o transistor
a funcionar no modo saturação.
ID1 = 12k
′
n
(
WL
)
1 (VGS −Vtn)2
ID1 = IREF = VDD−VGSR
I0 = ID2 = 12k
′
n
(
WL
)
2 (VGS −Vtn)2 (1)
I0IREF
=(W/L)2(W/L)1
Esta relação diz queQ1 têm uma
corrente de saídaIO que está relacionada com a corrente de referênciaIREF
pelas razão das razões geométricas dos dois transístores. No caso de
transístores idênticos a corrente de referência é replicada na saída.
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Efeito deV0 em I0
É essencial que
Q2 esteja na saturação para funcionar
como fonte de corrente. Para isso é
preciso queVO > VGS −Vt ⇔VO > VOV
. A fonte de corrente operará
correctamente com uma tensão de
saída deVO de alguns décimos de volt.
Mas até agora desprezamos o efeito de
modulação de canal que pode ter um efeito significativo na operação da fonte
de corrente. No caso deQ1 e Q2 idênticos, a corrente de dreno deQ2 (IO) será
igual à corrente de dreno deQ1 (IREF ) para o valor deVO igual ao valor de
VDS1 = VGS (VDS1 = VGS = VO). QuandoVO é aumentado acima deste valorIO
aumentará de acordo com uma resistência incremental de saída ro2 deQ2 (ver
figura). Observe que desdeQ2 esteja operar com umVGS constante a curva da
figura é simplesmente a curva característicaiD − vDS deQ2 paravGS igual um
valor particular deVGS.– p. 4/18
Efeito deV0 em I0Então o espelho de corrente
tem uma resistência de saída finitaRo
R0 = ∆V0∆I0
= r02 = VA2I0
em queIO é dado por (1)
no acetato 3 eVA2 é a tensão de Early
deQ2. A tensão de Early é proporcional
ao comprimento do canal (por isso é
interessante utilizar transístores com um
canal comprido)
Podemos expressarIO como
I0 +∆I0 =(W/L)2(W/L)1
IREF + I0VA2
(V0−VGS) =(W/L)2(W/L)1
IREF
(
1+ V0−VGSVA2
)
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Réplica de Correntes
Uma vez uma corrente constante gerada podemos replicá-la para os vários
estágios de amplificação.
I2 = IREF(W/L)2(W/L)1
I3 = IREF(W/L)3(W/L)1
Para garantir o funcionamento na região de saturação é necessário garantir
que:
VD2,VD3 > −VSS +VGS1−Vtn – p. 6/18
Espelho de Corrente com Transistor Bipolares
Idêntico ao espelho MOS com as diferenças
que o transístor bipolar têm uma corrente de
base não nula (β finito) o que causa um erro
na intensidade da corrente espelhada e a razão
entre as correntes de referência e espelhada é
determinada pelas áreas relativas das junções
emissor-base deQ1 e Q2. Considerando oβalto podemos desprezar as correntes de base.
A corrente de referênciaIREF passa por um transístor ligado como díodoQ1 e
estabelece uma tensãoVBE que é aplicada entre base-emissor deQ2. Se área
da junção emissor-base deQ2 é igual à deQ1 (a corrente de saturaçãoIS dos
dois transístores são iguais) então a corrente de colector de Q2 é igual à deQ1
(IO = IREF ). Q2 tem que operar no modo activo (VO > 0.3V ). Para obter uma
razão de transferênciam, a área da junção emissor-base deQ2 terá que serm
vezes a deQ1 (IO = mIREF ). IOIREF
= IS2IS1
= Area da JBE deQ2Area da JBE deQ1
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Espelho de Corrente com Transistor Bipolares
Considerando
o efeito deβ na razão de transferência
de corrente eQ1 e Q2 iguais.
IREF = IC +2IC/β = IC(
1+ 2β
)
ComoIO = ICa razão de transferência de corrente é
IOIREF
= ICIC
(
1+ 2β
) = 11+ 2
β
Para valores típicos deβ o erro na razão
de transferência de corrente pode ser significativo (2% paraβ = 100)
No caso de a área da junção Emissor-Base deQ2 serm vezes superior à deQ1I0
IREF= m
1+ m+1β
Tal como o espelho de corrente MOS, o espelho bipolar tem uma resistência
finita Ro = ∆VO∆IO
= ro2 = VA2IO
em queVA2 é a tensão de Early deQ2 e ro2 a
resistência de saída. A formula paraIO considerandoβ e Ro finitos
I0 = IREF
(
m1+ m+1
β
)
(
1+ V0−VBEVA2
)
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Réplicas de Corrente
IREF = VCC1+VEE−VBE1−VBE2R
Note-se queIREF = I1 = I2 , I3 = 2IREF , I4 = 3IREF para transístores de
características idênticas. Para garantir o funcionamentocorrecto é necessário
queVCC3 < VCC −0.3V e queVCC4 < VEE +0.3V .– p. 9/18
Diferenças entre espelhos de corrente MOS e
Bipolares• Enquanto nos transístores MOS a razão de multiplicação do espelho de
corrente é dada pela razãoW/L dos dois transístores, nos transístores
Bipolares depende da razão das áreas da junção Base-Emissor.
• No caso dos transístores MOS a corrente replicada é igual à corrente de
referência desde queV0 = VGS enquanto nos transístores bipolares a
corrente depende deβ.
• Ambos os espelhos de Corrente têm uma resistência de saídar0 = VAI .
Mas no caso de transístores MOS esta resistência é menor.
• Os espelhos de corrente MOS precisam de tensões mais altas para
operar. PoisVGS −Vt > VCEsat
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Fontes de Corrente Melhoradas• No caso dos espelhos de corrente de transístores Bipolares épreciso
minimizar a dependência da corrente de saída doβ (imprecisão da
corrente de saída devido aβ finito).
• É preciso aumentar a resistência de saída das fontes de corrente para
conseguir mais ganho (resistências de carga maior) além de minimizar
o erro de corrente devido aV0 6= VGS ouV0 6= VBE .
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Resistência de Saída dum andar MOS com re-
sistência de fonteFazendo a
equação da malha porvx, ro eRs.
vx = [ix +(gm +gmb)v]ro + v
Sendo
v = ixRs
As duas
equações podem ser combinadas
para eliminarv e obter
Rout = vx/ix =
ro +[1+(gm +gmb)ro]Rs
O resultado seria o mesmo
se houvesse uma resistência na
porta à massa.
– p. 12/18
Espelhos de Corrente "Cascode" MOSObserve que ao mesmo tempo que o transístor
Q1 providencia a tensão de porta deQ2 formando
um espelho de corrente,Q4 providencia uma
tensão de polarização para a porta do transístor
Q3. Para determinar a resistência de saída do es-
pelho "Cascode" no dreno deQ3 faz-seIREF = 0.
ComoQ1 eQ4 têm pouca resistência incremental
(aproximadamente 1/gm cada) as tensões incre-
mentais serão pequenas. Por isso consideramos
que as portas deQ3 e Q2 estão ambas à massa
(análise para sinal).Por isso a resistência de saídaRo será a de um transístor em porta comum com
resistênciaro1 na fonte.
R0 = ro3 +[1+(gm3 +gmb3)ro3]ro2 ' gm3ro3ro2 (aumentou)
Q1 garante o valor de corrente pedido.Q4 garante queQ2 e Q3 se mantêm em
saturação. Uma desvantagem do espelho de correntecascode é que precisa
duma tensão relativamente alta para operarVt +2VOV . (em vez deVOV no
espelho comum) – p. 13/18
Espelhos de Corrente com compensação de
corrente de baseA dependência
reduzida deβ é conseguida incluindo o
transístorQ3 que fornece a corrente de
base deQ1 e Q2. A soma das correntes
de base é dividido por(β3 +1)
resultando uma erro de corrente
muito menor a ser fornecida porIREF .
A equação do nó emx
IREF = IC[
1+ 2β(β+1)
]
IO = ICI0
IREF= 1
1+2/(β2+β)O erro devido a umβ finito é bastante
reduzido. Infelizmente a resistência de saída mantêm-se igual. Se ligarmos o
nó x aVCC através uma resistênciaR a corrente de referência será
IREF = VCC−VBE1−VBE3R
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Espelhos de Corrente Wilson com Transístores
Bipolares
Diminui a dependência doβ na corrente de saída em relação à de entrada e
aumenta a resistência de saída.
I0IREF
=IC
(
1+ 2β
)
β/
(β+1)
IC
[
1+(
1+ 2β
)
/
(β+1)
] = 11+ 2
β(β+2)
' 11+ 2
β2R0 ' βro/2
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Espelhos de Corrente Wilson com Transístores
MOS
Aumenta a resistência de saída.
R0 ' gm3ro3ro2
Figura (c), Evitar o erro sistemático de corrente devido a diferenteVDS entre
Q1 e Q2 – p. 16/18
A resistência de saída do transístor bipolar
com base comumix = v
rπ+ v
Re
vx = vRe
+(ix +gmv)ro
Combinando as duas equações
anteriores de forma a eliminarv
Rout = ro +(1+gmro)(Re ‖ rπ)
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O espelho de corrente Widlar
Aumenta a resistência
de saída. A corrente espelhada é diferente
da corrente de referência (em geral menor).
RE é uma
resistência pequena propicia a ser integrada.
R0 ' [1+gm (RE ‖ rπ)]ro
VBE1 = VT ln(
IREFIS
)
VBE2 = VT ln(
IOIS
)
VBE1 = VBE2 + IORE ⇔ I0RE = VT ln(
IREFI0
)
– p. 18/18
