TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Transcripción

Electrónica
Contenidos del tema:
El transistor como amplificador. Característica de gran señal
Polarización. Parámetros de pequeña señal
Configuraciones de amplificadores con BJT y MOSFET
Polarización en Circuitos Integrados: Espejos de Coriente
Amplificadores Integrados MOS: configuraciones básicas
Respuesta en frecuencia de los amplificadores
Amplificadores diferenciales
© los autores
Tr. 6.1
Electrónica
Uso de Transistores: conceptos básicos
Amplificador:
k>1
vi
vo=kvi
Interruptor (llave):
Linealidad (peq. señal)
Suministro de energía
vi << 1
Necesidad Polarización
Zona “activa”
v
s
No-lineal (gran señal)
vi --> VDD
Suministro de energía
Necesidad Polarización
Zonas de operación diferenciadas
© los autores
vs
Tr. 6.2
Electrónica
El transistor como amplificador (I)
BJT
V CC – V o
------------------------- = i ( V )
C I
RC
Vo
Vo
VI
VCC
VCC-ICRC
Ecuación característica Vo-Vi de gran señal
Corte
Conducción
ZAD
Q
V I = v BE = V BE + v be componente AC de pequeña señal
componente en DC
Zona de amplificación
iC = Is e
v BE ⁄ U T
V BE ⁄ U T
= Is e
v be ⁄ U T
= IC e
Linealización
⋅e
Saturación
VBE
VCC
VI
v be ⁄ U T
v be⎞
⎛
i C ≈ I C ⎜ 1 + --------⎟
UT ⎠
⎝
para vbe < 10mV
© los autores
VCEsat
0
punto de operación
Zonas de conmutación (llave OFF o ON)
VI pequeña: BJT en corte, Vo = VCC , OFF
VI grande: iC grande, BJT en saturación, Vo = VCE(sat) , ON
Tr. 6.3
Electrónica
El transistor como amplificador (II)
MOSFET
V DD – V o
---------------------- = i ( V I ,V o ) Ecuación característica Vo-Vi de gran señal
D
RD
Vo
VI
Vo
Corte
Saturación
VDD
Zona de amplificación
Q
punto de operación
Lineal o Triodo
0
VT
VI ≈ Vo + VT
VDD
VI
---- ( V I – V T ) 2 ( 1 + λV o )
iD = K
2
---- [ 2 ( V I – V T )V o – V o 2 ]
iD = K
2
© los autores
Tr. 6.4
Electrónica
Polarización (I)
Técnica de polarización = técnica para fijar el punto de operación en la zona de amplificación
Ejemplo:
Varias maneras de polarizar dependiendo de: tipo de transistor
tipo de circuito
tipo de amplificador
fijar IC o fijar IB?
recta de carga
?
?
?
VCC
VBB
VCC
VCC
VCC
VCC
Tres objetivos generales:
- situar al ttor en zona de amplificación
- obtener valor deseado de ganancia
- disminuir distorsión
-VEE
© los autores
Tr. 6.5
Electrónica
Polarización (II)
Esquema práctico para polarización (BJT y MOS):
VCC
VCC
RC
R1
R2
------------------V B = V CC
R1 + R2
para VB>> VBE(on) y RE >> (R1//R2)/(β+1)
β F ( V B – V BE ( on ) )
VB
I C = ----------------------------------------------------------- ≈ ------( R 1 || R 2 ) + ( β F + 1 )R E R E
conseguimos independizar IC de la T
R2
Varios problemas de este esquema:
RE
VCC
VCC
- RE reduce el rango de tensión a la salida
- R1 y R2 derivan corriente de la señal de entrada
- se necesitan condensadores para desacoplo DC
- no apropiado para circuitos integrados
Av
rango de fecuencias medias
C’s de acoplo
debido a C’s acoplo
© los autores
f
debido a C’s del transistor
Tr. 6.6
Electrónica
Aproximación de Pequeña Señal
Variables en el circuito:
vXY= VXY + vxy
iXY= IXY + ixy
vXY = Valor total
VXY = Valor constante
vxy = Variable con t
© los autores
VXY
Fijada por el
punto de operación
y la red de polarización
vxy
Dada por el
circuito equivalente
de pequeña señal
equiv. peq. s. de VCC
aquí el equiv. de peq. señal del ttor
Tr. 6.7
Electrónica
Parámetros de pequeña señal de un Amplificador
Para todo Amplificador se debe conocer: ganancia
impedancia de entrada
impedancia de salida
ancho de banda
todos los parámetros se miden en Pequeña Señal en el Punto de Operación
se obtienen analizando el circuito equivalente de pequeña señal del Amplificador
Definición:
vo
vi
io
ii
equivalente de pequeña señal del ttor
© los autores
vo
A v = ----vi
vi
Z i = ---ii
vo
Z o = ----io
ganacia en tensión
imp. entrada
imp. salida
vi = 0
Tr. 6.8
Electrónica
Configuraciones básicas de Amplificadores
Existen tres configuraciones básicas
BJT
VCC
RC
X
Z
Y
RB
RE
-VEE
Emisor común: X entrada
Z salida
Y tierra
Base común: Y entrada
Z salida
X tierra
Colector común: X entrada
Y salida
Z tierra
© los autores
VDD
MOS
RD
X
RG
Z
Y
RS
-VSS
Fuente común: X entrada
Z salida
Y tierra
Puerta común: Y entrada
Z salida
X tierra
Drenador común: X entrada
Y salida
Z tierra
Tr. 6.9
Electrónica
Amplificador a Emisor Común
Análisis a frecuencias medias
V CC
vI = VI
RC
v0 = V0
RB
Q
Q
Circuito Equivalente en Pequeña Señal en ZAD:
+ vi ( t )
RB
+ v0 ( t )
vi ( t )
Zi
vI
Z
Impedancia de salida:
Z
© los autores
v be
i
=
v0 ( t )
1----gµ
+
v0
Impedancia de entrada:
ic
ib
rπ
g m v be
RC
r0
Zo
-
Ganancia en tensión:
⎛ v 0 ( t ) = – g m ( R C //r 0 )v be
v0 ( t )
rπ
⎜
----------------------------- ( R //r )
r
⇒
= –gm
⎜
π
C 0
v
(
t
)
R
+
r
-------------------- v ( t )
⎜ v
=
i
B
π
be
vi
RB + rπ i
⎝
---- = R B + rπ
R C //r 0
v0 ( t )
ib
A V0 = ------------ = – β 0 -------------------RB + rπ
vi ( t )
v
o
= ----o
io
= R //r
C
vi = 0
0
Propiedades:
Alta ganancia (máximo valor -VA/UT= 5x103)
Moderada impedancia de entrada
Alta resistencia de salida
Tr. 6.10
Electrónica
Polarización en Circuitos Integrados (I)
En los CIs se evita el uso de Resistencias y Condensadores para polarizar
Existen dos formas básicas de polarización: a) con resistencias activas
b) con fuentes de corriente
En cualquiera de ellas se utiliza también el nivel de DC de la entrada
para fijar el punto de operación
Resistencias Activas:
Son resistencias nolineales que se realizan con ttres. en configuración diodo
I
I
V
NMOS
I
I
V
PMOS
I
resistencia en pequeña señal,
caso VBS=0
i
I
MOS en Saturación
© los autores
k 'W
k 'W
= ----- ----- ( V – V T ) 2 ( 1 + λV )
= ----- ----- ( V – V T ) 2
λ≈0 2 L
2 L
V
VT
D
G
+
v
_
S
gmv
r ds
1
v-r = = ------------------------- ≈ ------i
1 + g m r ds g m
rds
Tr. 6.11
Electrónica
Polarización en Circuitos Integrados (II)
Fuentes de Corriente: Se realizan con ttres MOS en Saturación o BJT en ZAD
Tipo Fuente
Tipo Sumidero
IBIAS
VGG
VBB
V
V
VSS
MOS
VDD
IBIAS V
GG
VBB
V
VDD
IBIAS
IBIAS
VCC
VEE
VSS
IBIAS
IBIAS
para VBS = 0
VGS = VGG - VSS
VGS = VGG - VDD
V
VSS
VDD
Resistencia de salida en pequeña señal
© los autores
V
VSS
VDD
1 + λV DS
1
r o = r ds = ------------------------ ≈ ------------------λI BIAS
λI BIAS
Tr. 6.12
Electrónica
Polarización: Espejos de Corriente
Los Espejos de Corriente se utilizan para obtener corrientes a partir de una corriente de referencia
Espejo NMOS simple
k n' W
I D1 = ------ ⎛ -----⎞ ( V GS – V T ) 2 ( 1 + λV DS1 ) = I REF
2 ⎝ L⎠1
k n' W
I D2 = ------ ⎛ -----⎞ ( V GS – V T ) 2 ( 1 + λV DS2 ) = I o
2 ⎝ L⎠2
W
⎛W
-----⎞ ( 1 + λV
----DS2 )
⎝ L⎠2
L2
I o = ----------------------------------------------- I REF ≈ -------- I REF
W
⎛W
---------⎞ ( 1 + λV
)
DS1
L1
⎝ L⎠1
Existen además: a) versiones PMOS y BJT
b) espejos múltiples o copiadores de corriente
c) configuraciones mejoradas (mayor resistencia de salida)
© los autores
Tr. 6.13
Electrónica
Modelo en AC del Espejo de Corriente NMOS
© los autores
Tr. 6.14
Electrónica
Modelo en ac del Espejo de Corriente NMOS
ro
© los autores
Tr. 6.15
Electrónica
Modificaciones al Espejo de Corriente NMOS
Cascode
Wilson
© los autores
Wilson modificado
Tr. 6.16
Electrónica
Amplificadores Integrados MOS: Configuraciones Básicas
Polarizados con corriente:
Fuente Común
Drenador Común= seguidor por fuente
VDD
Ao ≅ 1
VDD
A o ≅ – g mI ⁄ g o
IBIAS
vi
vo
IBIAS
vo
se suelen obtener
con espejos de corriente
VSS
Con carga activa: configuraciones fuente común
VDD
VDD
NMOS
© los autores
VSS
vo
vo
vi
VSS
VDD
vi
vo
CMOS
VSS
VSS
A o ≅ –g mI ⁄ g mL
vi
vo
vo
vi
IBIAS
VSS
VDD
vo
vi
IBIAS
vi
vi
VDD
VDD
CMOS
PMOS
VSS
VSS
Tr. 6.17
Electrónica
Técnicas de Polarización: Fuente Común
Con corriente
V A2
1
r o2 = --------------- = r ds2 ≈ -----------------λI REF
I REF
© los autores
Tr. 6.18
Electrónica
Técnicas de Polarización: Fuente Común
equiv. pequeña señal
D1, D2
S1, S2
© los autores
Tr. 6.19
Electrónica
Amplificadores CMOS a Fuente Común
VDD
VGG
Equivalente en pequeña señal
G1
D1
v0
D2
M2
vi
vo
M1
vi
gm 1 vi
r ds 1
Resistencia de entrada: infinita
r ds 2
S1 S2
VSS
VDD
Equivalente en pequeña señal
G1
vo v
i
g m1 v i
vi
VSS
S1 S2
D1
r ds 1
r ds 2
Resistencia de salida:
1
r o = -----------------------------g ds1 + g ds2
v0
D2
– g m1
vo
A o = ----- = -----------------------------g ds1 + g ds2
vi
g m2 v o
vo
r ds1 r ds2
A o = ----- = – g m1 ------------------------------------------------------------------vi
r ds1 ( 1 + g m2 r ds2 ) + r ds2
A o ≅ – g m1 ⁄ g m2
Resistencia de entrada: infinita
Resistencia de salida:
1 r o ≅ -----------
g m2
© los autores
Tr. 6.20
Electrónica
Técnicas de Polarización: Puerta Común
© los autores
Tr. 6.21
Electrónica
Técnicas de Polarización: Drenador Común
© los autores
Tr. 6.22
Electrónica
Amplificador sólo con MOS de canal n
⎛W
-----⎞
⎝ L⎠1
A v = – -------------⎛W
-----⎞
⎝ L⎠2
© los autores
Tr. 6.23
Electrónica
Respuesta en frecuencia de amplificadores (I)
Dada por la función de transferencia del amplificador en pequeña señal,
obtenida usando el modelo dinámico de los transistores en su región de operación
Cgd
Cgs
Teorema de Miller
I1
+
V
_1
Y
I1
I2
+
_ V2
V2
K = -----V1
+
V1
_
I2
Y1 Y2
+
V = KV1
_ 2
Y1 = Y ( 1 – K )
1
Y 2 = Y ⎛ 1 – ----⎞
⎝
K⎠
K>1
© los autores
Y1 ≈ Y ( –K ) , Y2 ≈ Y
Tr. 6.24
Cdb
B
Csb
Electrónica
Respuesta en frecuencia de amplificadores (II)
Amplificador CMOS a fuente común
CgsP
CgdN
VDD
VGG
CgdP
CdbP
vo
CgdN
vi
v0
vi
-3dB
A0
20dB/dec
© los autores
r dsP
usando Tma de Miller
VSS
f
f1
r dsN
CT
CT = CL+ CdbN+CdbP+CgdP
lAvldB
0
g mN v i
CgsN
CL
CdbN
CgsN
vi
v0
GBW=A0f1
g mN v i
C
R
R = (gdsN+ gdsP)-1
C = CT + CgdN
ω1
vo
A v = ----- = ( – g mN )R ---------------s + ω1
vi
ω1= (RC)-1
Tr. 6.25
Electrónica
Amplificador CMOS a Fuente Común: Configuración Cascode
Con ella se pretende desacoplar la entrada con la salida en AC, evitando de ese modo
la alta capacidad de entrada que cargaría las etapas precedentes
VDD
VGG
vB
vi
M3
vo
M2
n1 v1
M1
vo
A o = ----- ≅ – g m1 r sd3
vi
v1 –g
m1
A 1 = ----- ≅ --------------------v i g m2
se puede hacer pequeña para disminuir la capacidad
Miller a la entrada Cin1= cgd1(1-A1)
Respuesta en frecuencia:
ω1
vo
A v = ----- = A o ---------------s + ω1
vi
,
ω1= (RC)-1
R = rsd3
CT = CL+ Cgd3+Cgd2+Cdb2+Cdb3
aparece un segundo polo asociado a la impedancia en el nudo n1, pero
es bastante mayor que ω1 y apenas afecta.
© los autores
Tr. 6.26
Electrónica
Respuesta Típica en Frecuencia
VCC
VCC
VDD
v0
vi
VGG
M2
C
g mN v i
R
vo
M1
vi
C’s acoplo
lAvldB
VSS
rango infinito de frecuencias
caso ideal
lAvldB
lAvldB
-3dB
rango de frecuencias medias
A0
20dB/dec
caso real
debido a C’s acoplo
© los autores
f
debido a C’s del transistor
0
f
f1
GBW=A0f1
Tr. 6.27

TEMA 6: Amplificadores con Transistores

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