universidade do estado de santa catarina centro … · sempre saturado 2 1 2 1 ref n p ... 4-...

19/02/2018

1

______________________________________________________________________ Eletrônica Analógica - II Prof. Volney C. Vincence

______________________________________________________________________

Eletrônica Analógica - II

Prof. Dr. Volney Coelho Vincence

ELA2001 - 2018/1

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

[email protected]

http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/vincence


______________________________________________________________________

O conteúdo dos slides aqui apresentados não refletem

todo o conteúdo abordado durante as aula.

Os exercícios e detalhamento da teoria, expostos nas

aulas presenciais, não estão contidos nestes slides.

Este material é para ser considerado apenas como de

apoio e de referencia parcial necessitando

complementação com auxílio de livros, apostilas, guias

de laboratório e literaturas afins.

Material auxiliar pode ser encontrado disponibilizado na

Biblioteca, em sites de fabricantes ou no site da

disciplina através de textos e links.

Aviso Importante

mailto:[email protected]

http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/vincence/

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______________________________________________________________________


______________________________________________________________________

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______________________________________________________________________

Símbolo de transistores

Bipolar - BJT MOSFET


______________________________________________________________________

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______________________________________________________________________


______________________________________________________________________

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______________________________________________________________________


______________________________________________________________________

DIAGRAMA EM BLOCOS AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO

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______________________________________________________________________

ESPELHO DE CORRENTE

Objetivos

-Analisar a operação de um espelho de corrente simples BJT ou MOSFET;

- Analisar a operação dos espelhos Simples, Wilson com compensação de

corrente de base, Cascode e o Widlar;

- Determinar os parâmetros de pequenos sinais dos espelhos de corrente;

- Analisar a operação de amplificadores com carga ativa;

- Usar o SPICE para análise e projeto.


______________________________________________________________________

Q2 Q1

-VEE

IE1 IE2

IB1 IB2

IC1

IC2=IO

IREF

VO

ESPELHO DE CORRENTE COM TBJ

IC1 VCB=0

VBE1Q VBE1

IREF IC1

Q1 Q2

Q2 na região ativa

Efeito Early desprezível

IC1 = IC2=IC

IB1 = IB2=IB

21

1

REF

O

I

IPara >>1 1

REF

O

I

I

Impedâncias de entrada e saída

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______________________________________________________________________

ESPELHO DE CORRENTE COM MOSFET

- M1 = M2

- M1 na região de saturação

- Efeito Early desprezível

- O ganho depende da dimensão dos transistores

ID1 = ii

ID2= io

IG1 = IG2= 0


______________________________________________________________________

Considerando o efeito Early iC

vCE -VA

1/r0

VCEsat

A

CEV

v

SC

V

VeII T

BE

1

Q2 Q1

-VEE

IE1 IE2

IB1 IB2

IC1 IC2=IO

IREF VO

A

BE

A

EEO

REF

O

V

V1

V

VV1

21

1

I

I

A

BEEEO

REF

O

V

VVV1

21

1

I

I

Utilizando séries e desprezando parcela com VA quadrático:

Quanto maior a diferença dos Vces maior é o erro no ganho.

erro

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______________________________________________________________________

Uma fonte de corrente simples

11

1 2

C C B EL

L

A

V VVI

V R

R

VVI

BECC

REF

VCC

OAo IVr IO

Modelo equivalente CC,

válido para Q2 na região ativa

L

L O

O

VI I

r


______________________________________________________________________

Espelho de corrente com compensação da corrente de base

EREF

II

2

1

2

1

EoII

1

221

1

REF

O

I

I

221

1

REF

O

I

I

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______________________________________________________________________

Espelho de corrente de Wilson

Q2 Q1

IREF

Q3

IO

221

1

2

REF

O

I

I

221

1

REF

O

I

I

A vantagem deste espelho

de corrente é sua maior

resistência de saída RO

2

o

O

rR

Problema: erro devido ao

efeito Early

BECE

BECE

VV

VV

22

1


______________________________________________________________________

Espelho de corrente Wilson melhorado

Q1 Q2

Q3 Q4

IO IREF

VBE

VBE VBE + +

+

- -

-

BECECEVVV

21

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______________________________________________________________________

Fonte de corrente de Widlar

OEBE2BE1IRVV

S

O

2

S

REF

T1

I

Iln

I

Iln

TBE

BE

VV

VV

lnR E F

E O T

O

IR I V

I

A vantagem deste espelho de corrente é trabalhar

com correntes baixas de saída sem aumentar

significativamente a resistência para gerar Iref.

Desta forma Iref >> Io.

Esta equação transcedental deve ser resolvida numericamente


______________________________________________________________________

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11


______________________________________________________________________

r v

gmv

ro

RE

+

- - vx

1

//

11

1

x

x m

o

x

x m

o o

x E

E E

x

x

o m E

o

x

O E m E o

x

v vi g v

r

vi g v

r r

v i R

R R r

vi

r g Rr

vR R g R r

i

(1 )O o m E

R r g R

Resistência de saída da fonte de corrente Widlar


______________________________________________________________________

CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO

ESPELHO DE CORRENTE MOS

M1 sempre saturado

2

12

1

SBPnREFVV

L

WkI

M2 saturado tGSO VVV

2

22

1

SBPnOVV

L

WkI

1

2

LW

LW

I

I

REF

O

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12


______________________________________________________________________

Efeito de VO sobre IO

2

21

2

1 2

2 A

DS

SBPnO

V

VVV

L

WkI

2

1

1

2

A

GSO

REF

O

V

VV

LW

LW

I

I

O

A

o

O

O

O

I

Vr

I

VR

2

2


______________________________________________________________________

Circuito guia de corrente CMOS

Espelho cascode MOS Padrão

Circuitos Melhorados de

Espelhos de Corrente

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______________________________________________________________________

Circuitos guias de corrente

R

VVVVI

BEEBEECC

REF

21

Considerando todos os

transistores idênticos e

muito alto:

REF

REF

REF

II

II

III

3

2

4

3

21


______________________________________________________________________

AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS

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______________________________________________________________________

- O Amplificador Diferencial é um circuito eletrônico capaz de receber dois sinais

Ao mesmo tempo e fornecer uma saída com o resultado que será a diferença

amplificada destes sinais.

- O par diferencial (idealmente) responde a sinais diferenciais (diferença das tensões

de entrada) e rejeita o modo comum (não reage a sinais idênticos).

- Entrada simples ou diferencial

-Terminação simples ou dupla.

Entrada simples

Saída simples


______________________________________________________________________

Suposições:

1- Fontes de corrente ideais

2- Resistências de base desprezíveis

3- BJT na região ativa

4- Componentes casados Q1 = Q2

5- Resistência de saída do BJT infinita

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______________________________________________________________________


______________________________________________________________________

Entrada de modo comum – Rejeição na saída Entrada simples com valor alto - Q2 corta

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______________________________________________________________________

Entrada simples com valor alto

Q1 corta Entrada simples com valor baixo

Q1 e Q2 conduz Entrada simples com valor alto

Q1 corta


______________________________________________________________________

OPERAÇÃO COM GRANDES SINAIS

B 2 B 1 TE 1 v v V

Ii

1 e

B 1 B 2 TE 2 v v V

Ii

1 e

B 1 B E 1 B E 2 B 2v v v v 0

E 1 E 2i i I

B E Tv V

E 1 Si I .e

D T

E 1

v V

i 1

I 1 e

D T

E 2

v V

i 1

I 1 e

E 1,2 Di f v

D B 1 B 2v v v

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______________________________________________________________________

tIDCOD

CCOD

VVIRV

VVV

2/tanh

21

x x

x x

e eta n h ( x )

e e

O D iDV f ( V )

-Só responde ao modo diferencial

-Uma diferença pequena no sinal de entrada fará com que a corrente circule

toda por um dos transistores.

-O amplificador diferencial pode ser usado como chave de corrente (família ECL)

velocidade muito alta (nenhum dos transistores satura)

D Tv 4 .V 1 0 0 m V


______________________________________________________________________

DEGENERAÇÃO DE EMISSOR

-Resistência colocada no emissor para aumentar a faixa linear do ampdif.

-Reduz o ganho da estrutura com o aumento da linearidade.

C

D

E

RA

r 1 R

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______________________________________________________________________

TENSÃO DE MODO COMUM E DIFERENCIAL

iD i1 i 2

i1 i 2

iC M

V V V

V VV

2

i1 iC M iD

i 2 iC M iD

V V V 2

V V V 2


______________________________________________________________________

A simetria do Ampdif permite simplificar sua análise convertendo as tensões de entrada em tensões

diferenciais e de modo comum.

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______________________________________________________________________

ANÁLISE DE PEQUENOS SINAIS


______________________________________________________________________

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______________________________________________________________________

Simplificação usada para determinação do ganho diferencial AD

ganho de modo comum ACM


______________________________________________________________________

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______________________________________________________________________

)1(2 EiCM

RR

0

DVCM

CM

iCM

i

VR

Er R ( 1) Onde


______________________________________________________________________

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______________________________________________________________________


______________________________________________________________________

O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA

2

v IDI

-VEE

Q1

Q4

Q2

Q3

VCC

+

- VO iC2 iC1

iO iC3

iC4

2

v ID

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______________________________________________________________________

O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA

Q1 Q2 e Q3 Q4

Vo é tal que Q2 e Q4 operam na região ativa

IB desprezível

2

v ID

2

v IDI

-VEE

Q1

Q4

Q2

Q3

VCC

+

- VO iC2 iC1

iO iC3

iC4

22

22

2

1

id

mC

id

mC

vg

Ii

vg

Ii

idmCCO

CCC

vgiii

iii

24

431

m

id

o

mg

v

iG

Transcondutância em curto-circuito


______________________________________________________________________

Ganho de tensão em circuito aberto

Modelo para pequenos sinais

+

-

Vid

Gm vid

RO vO

+

-

Ri

om

id

oRG

v

v

42 ooorrR

T

m

pAn

o

V

Ig

I

Vr

2

2

)(

)4(2

ApAn

T

vo

VVV

A

11

1

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______________________________________________________________________

2

)2(1

21

22

tGS

idid

tGS

D

VV

vv

VV

IIi

M1 = M2

M1 e M2 saturados

Fonte de corrente ideal

VA

Realizando-se análise de grandes sinais

Vamos determinar :

1 , 2( )

D Di f v

1 2 1 2G G G S G S idv v v v v

2

1( 2 ) 1 ( 2 )

1

2D n G S t

Wi k v V

L

1 2D Di i I

n n o xk C

2

id

G S t

vV V linear

Função não linear

Quadrática


______________________________________________________________________

Para grandes sinais

DC AC

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______________________________________________________________________

Característica de transferência normalizada do par diferencial MOS

Para grandes sinais


______________________________________________________________________

+VDD

vo1 vo2

+ - vod

RD

Q 1 Q

2

-VSS

I

v2 v1

RD

OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS DO AMP. DIF. MOS

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______________________________________________________________________

Operação em pequenos sinais do amp. dif. MOS

2

)2(1

21

22

tGS

idid

tGS

D

VV

vv

VV

IIi

tGS

idVV

v

2

22)2(1

id

tGS

D

v

VV

IIi

2

id

md

vgi Corrente diferencial


______________________________________________________________________

Ganho de modo diferencial

Dm

id

od

dRg

v

vA

v id

2

R D

Vod/2

Q1

Considerando saída simples: Dm

id

od

dRg

v

vA

2

1

Vod/2

+

-

gmvid/2 RD

Vid/2 +

-

Ganho de modo comum (considerando saída simples)

viCM

R D

2 R R

RA

D

cm

2

Vocm

+

-

gmvg

s

RD Vicm

2R

+

-

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______________________________________________________________________

CMRR (considerando saída simples)

RgCMRRm

Resistência de entrada de modo diferencial

id

R

Resistência de entrada de modo comum

icm

R


______________________________________________________________________

Amplificador diferencial CMOS com carga ativa

VSS

VG1

I

M4

M1 M2 VG2

iD1 iD2

+ +

- -

M3

iO

VDD +

- Gmvd

vO

RO

vid

m

id

o

mg

v

iG

om

id

o

vRG

v

vA

42 ooorrR

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______________________________________________________________________

CARACTERÍSTICAS NÃO IDEAIS DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

Desequilíbrios DC do amplificador Diferencial BJT

- Tensão de Offset Vos RC IS

- Correntes de Offset Ios β

- Correntes de Polarização Ip

d

OD

OS

A

VV

2

21

21

BB

PP

IIII

21 BBOS

III

Desequilíbrios DC do amplificador Diferencial MOSFET

- Tensão de Offset Vos RD VT e W/L

- Correntes de Offset Ios Não existe

- Correntes de Polarização Ip


______________________________________________________________________

CARACTERÍSTICAS NÃO IDEAIS DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

A- Tensão de offset (VOS)

-VEE

VOS

+

-

RC2 RC1

Q2 Q1

VCC

0V

-VEE

RC1 RC2 VOD + -

Q1 Q2

VCC

I I

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

seja igual a zero

d

OD

OS

A

VV

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______________________________________________________________________

VOS é devida ao descasamento nos resistores e nos transistores

2

2

2

1

C

CC

C

CC

RRR

RRR

ANÁLISE

1) Descasamento nos resistores

(transistores casados)

22

22

2

1

C

CCCC

C

CCCC

RR

IVV

RR

IVV

CCCODR

IVVV

212

Cm

C

d

OD

OS

Rg

RI

A

VV

2

C

C

TOS

R

RVV

Resistor de 1k com 1% de tolerância (variação de ±1%) significa que

Varia de 1010 para 990 (ΔR = 20ohm)


______________________________________________________________________

2) Descasamento nos transistores

(resistores casados)

2

2

2

1

S

SS

S

SS

III

III

S S

E 1 E 2

S S

I II II 1 I 1

2 2 I 2 2 I

C

S

S

ODR

I

IIV

2

S

S

TOS

I

IVV

2 2

C S

O S T T

C S

R IV V V

R I

S

S1 S

S

II I 1

2 I

Significa que a variação na corrente

de emissor será a mesma variação

na corrente Is, isto é:

2 2

C S

O S T

C S

R IV V

R I

S

S1 S

S

II I 1

2 I

B E Tv V

E 1 Si I .e

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______________________________________________________________________

B - Correntes offset de entrada

1

2

21

III

BB Perfeitamente simétrico

21 BBOSIII

2221

Corrente de offset

Descasamento em

21

1

1

2

21

1

2

21

1

1

2

21

1

2

2

1

III

III

B

B

22

O S

II

1

11

xx

Quando x << 1


______________________________________________________________________

C - Correntes de polarização IP

1 2

2 2 1

B B

B

I I II

Exercício: Para um amplificador diferencial com TBJ utilizando

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

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

com descasamento de 2% ou melhor, encontre os valores de VOS,

IB e IOS. A corrente de polarização CC é de 100 uA.

O descasamento em β, para as correntes de

Polarização, não aparece.

Podemos representas o descasamento na corrente de offset

Em função da corrente de polarização IB.

22

O S

II

O S BI I

Da equação de

BI 0 , 5 u A

O SI 5 0 n A

O SV 2 , 5 5 m V

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______________________________________________________________________

Tensão de offset - Descasamento em RD, W/L e Vt

+VDD

vo1 vo2

+ - vod

RD2

Q 1 Q 2

-VSS

I

RD1 2

2

2

1

D

DD

D

DD

RRR

RRR

1. Descasamento em RD

DODR

IV

2

Dividindo pelo ganho gmRD

D

DtGS

OS

R

RVVV

2

2D

G S t

Ig m

V V

2D

II

G S t

Ig m

V V

Desequilíbrios DC do amplificador Diferencial MOSFET


______________________________________________________________________

2. Descasamento em W/L

2

2

2

1

LW

L

W

L

W

LW

L

W

L

W

LW

LWII

LW

LWII

D

D

21

2

21

2

1

1

LW

LWVVV

tGS

OS

2

3. Descasamento em Vt

2

2

2

1

t

tt

t

tt

VVV

VVV

tGS

t

tGSnD

tGS

t

tGSnD

VV

VVV

L

WkI

VV

VVV

L

WkI

12

1

12

1

2

2

2

1

tGS

t

VV

VII

2tOS

VV

Considerando

Pode ser desprezado o termo quadrático, assim:

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______________________________________________________________________

CONFIGURAÇÃO DARLINGTON


______________________________________________________________________

Mostre que D = 1 2

CONFIGURAÇÃO DARLINGTON

Outras configurações Darlington

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______________________________________________________________________


______________________________________________________________________

Seguidor de tensão usando a Configuração Darlington

Fonte I para garantir 1 elevado

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______________________________________________________________________

CASCode + anODE = CASCODE

Vantagens: - Aumenta a resistência de saída ( bom para fontes e espelhos de corrente)

- Reduz capacitâncias de realimentação permitindo operações em alta

freqüências.

- Deslocamento de nível DC sem deslocar nível AC.

Amplificador Cascode

Foi primeiramente usado para circuitos à válvula.

Tipos de configurações cascode: EC-BC

EC-BC complementar

CC-BC complementar

EC-GC – emissor comum-porta comum

SC-BC – fonte comum – base comum

SC-GC – fonte comum – porta comum


______________________________________________________________________

Ex.: Determinar a resistência de saída

Amplificador Cascode com BJT

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______________________________________________________________________

AMPLIFICADOR CASCODE

AMPLIFICADOR CASCODE MOS

Modelo de pequenos sinais


______________________________________________________________________

Modelo de pequenos sinais para determinação de Ro

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______________________________________________________________________

AMPLIFICADOR “FOLDED” CASCODE


______________________________________________________________________

Amplificador diferencial cascode

r3 v3 gm3v3 ro3

ro1

+

- vx

ix

33 oorR

3333

11 omoo

rrgrR

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______________________________________________________________________

Amplificador diferencial cascode com carga ativa espelho de Wilson

Exercício:

Para o amplificador da figura

determine Ri, Gm, Ro e o ganho

de tensão em circuito aberto.

Dados: I = 0,2 mA

= 200

VA= 100 V


______________________________________________________________________

Exemplo de um Amplificador Operacional Completo

Estágio Saída

1º Estágio

2º Estágio

Polarização

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______________________________________________________________________

AMPLIFICADOR OPERACIONAL BIPOLAR


______________________________________________________________________

Exemplo 6.3 – Sedra Smith (p. 484)

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______________________________________________________________________

1.9 AMPLIFICADOR OPERACIONAL CMOS

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