Post on 29-Jan-2016
description
1
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Efeito da impedância de saída
≡∆∆
Erro na transferência de corrente do espelho:2
1
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Em um circuito de um espelho de corrente objetiva‐se também:‐ Diminuir o erro para a corrente desejada (Io).‐ Diminuir a dependência com Rout, ou seja, Rout tem que ser alta.
Características desejadas
2
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Compensação de corrente de base
• A relação de transferência de corrente é muito menos dependente de β que a do espelhode corrente simples.
• A reduzida dependência de β é conseguida incluindo um transistor QF cujo emissoralimenta as bases de Q1 e QREF
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Supondo Q1, Q2 e Q3 idênticos
A resistência de saída permanece aproximadamente igual àquela do espelho de corrente simples (igual a ro2).
Compensação de corrente de base
3
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Espelho de corrente de Wilson
Uma modificação simples, mas engenhosa no espelho bipolar básico, resulta tanto nadiminuição da dependência de β quanto no aumento na resistência de saída.
ó
ó ≅1
1 2/· ≅ /2
Determinação de Rout:Determinação de Icópia:
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Fonte de corrente de Widlar
O circuito denominado de fonte de corrente de Widlar difere do circuito do espelho decorrente básico de modo importante: um resistor RE é incluído no contato do emissor de Q2.
·
·
Considerando Q1 e Q2 dispositivos casados:
·
Mas,
Então: ·
4
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Fonte de corrente de Widlar
O uso do circuito de Widlar permite a geração de uma pequena corrente constante usando‐seresistores relativamente pequenos.
Exercício
Demonstre que a resistência de saída do circuito fonte de corrente de Widlar é igual aaproximadamente: ≅ 1 ∥
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Exemplo
O circuito abaixo mostra dois circuitos para gerar uma corrente constante igual a 10 µA que opera com uma alimentação de 10 V. Determine os valores dos resistores requeridos supondo que VBE é igual a 0,7 V para uma corrente de 1 mA e desprezando o efeito de β finito.
5
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Exemplo
Solução:
, , · ,
,0,7 ·
101
0,58
Então,10 0,5810. 10
942 Ω
Para o circuito da figura (a) – fonte de corrente básica:
Para o circuito da figura (b) – fonte de corrente de Widlar:
10 0,71.10
9,3 Ω
· 10 · 10 · 0,025 ·110
11,5 Ω
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Fonte de correntefunciona comocarga para queum alto ganhoseja alcançado.
Espelhos PNP
6
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Espelho de corrente MOS
ó//
·
A relação entre Icópia e IREF é determinada pela geometria dos transistores.
cópia
Que se reduz a ó se os transistores forem idênticos.
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Espelhos de corrente NMOS e PMOS
Estágio FC Seguidor
Estágio FCSeguidor
Para MOS não há o “efeito da corrente de base”.
ExercícioSe todos os transistores do circuito acima possuírem a mesma razão de aspecto, determine acorrente de dreno de cada transistor.
7
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Exemplo
Um circuito integrado emprega o seguidor de fonte e o estágio fonte comum mostrados nafigura abaixo. Projete um espelho de corrente que produza I1 e I2 a partir de uma referência de0,3 mA.
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Solução:
Uma possível solução seria selecionar razões de aspecto de 3 · para o dispositivo
conectado como diodo, 2 · para MI1 e 5 · para MI2.
Exemplo
1
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
• A configuração com amplificador diferencial permite polarizar simultaneamente osestágios amplificador e o par amplificador sem o uso de capacitores de passagem ouacoplamento, normalmente empregado no projeto de circuitos amplificadores discretos.
AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS
• O par diferencial ou amplificador diferencial é a configuração mais utilizada em circuitosintegrados analógicos.
• O estágio de entrada de um amplificador operacional é um amplificador diferencial.
• Circuitos diferenciais são muito menos sensíveis ao ruído e interferência em relação aosconvencionais.
2
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
127
Parapolarização
Sinal de voz
Exemplo
• O circuito da figura abaixo foi projetado para amplificar o sinal produzido por ummicrofone. Contudo, ao aplicar o circuito a um alto‐falante observou‐se que a saída doamplificador continha um forte “chiado”. Explique os prováveis motivos para isso.
Solução:
Alimentação Saída (d.c.+a.c.):
Necessidade de eliminar o ripple na saída
Componente d.c.:
microfone
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Para polarização Para polarização
Exemplo
• Como suprimir o “chiado” referente ao exemplo anterior?
‐ Aumentando o capacitor da fonte (ver limitação de volume do circuito).‐ Modificando a topologia do amplificador para que a saída se torne independente dafonte de alimentação (Vcc)
A saída é medida ente os nós X e Y, portanto:
3
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Sinal em modo comum
Se o mesmo sinal de entrada for aplicado na base de Q1 e Q2.
As componentes de sinal x e yestão em fase e cancelam‐semutuamente.
Para polarizaçãoPara polarização
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Sinais diferenciais
• Invertendo uma das fases da entrada:
Esta topologia provê o dobro da excursão de saída, pois explora a capacidade deamplificação do estágio duplicado.
Circuito para converter o sinal produzidopelo microfone em duas componentes(+vin e ‐ vin) :
Se dois sinais de entrada de polaridades opostas são aplicados, a operação é denominada“terminação dupla”.
4
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Sinais diferenciais
• O sinal diferencial é medido entre dois nós que têm excursões iguais e opostas.
Sinal diferencial de entrada
Sinal diferencial de saída
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
• Exemplo de sinais diferenciais
Sinais diferenciais
Logo, o valor pico a pico da excursão diferencial é 4
v1 e v2 são sinais diferenciais: variam de forma igual e oposta em torno de um nívelmédio fixo, VCM.
A tensão c.c. VCM é chamada de “nível de modo comum (CM)”
Dados os sinais: e
Circuitos diferenciais tem uma maior excursão de tensão máxima.
5
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Exemplo
• Amplificador de biopotencial
Fonte: David Prutchi e Michael Norris. Design and Development of Medical Electronic Instrumentation. John Wiley & Sons, Inc. 2005
Outro exemplo da necessidade de utilização de amplificador diferencial
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
O PAR DIFERENCIAL BIPOLAR (COM TBJ)
Configuração básica do par diferencial com TBJ.
O circuito é semelhante ao estudado anteriormente, exceto pelo fato de que os emissores deQ1 e Q2 são conectados a uma fonte de corrente constante.
IEE é chamada de fonte de corrente de cauda (“tail current source”).
6
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
O PAR DIFERENCIAL BIPOLAR (COM TBJ)
Operação com tensão em modo comum
Para evitar a saturação:
Para o circuito acima, tem‐se:
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Limite superior de VCM
para evitar a saturação.
Operação em modo comum
7
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Exemplo
• Um par diferencial bipolar utiliza uma resistência de carga de 1 kΩ e uma corrente de caudade 1 mA. Quão próximos podem ser os valores escolhidos para VCC e VCM?
Ou seja, VCM deve permanecer abaixo de VCC por, pelo menos 0,5 V.
Solução:
,
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Para grandes variações nas tensões de entrada de Q1 e Q2 somente um transistor irá conduzir.
• Os dois transistores do circuito da figura abaixo estão em condução?
Par bipolar
Exemplo
8
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Com um VBE1 = 1,7 V um transistor típico conduzuma corrente enorme e, como IC1 não pode sermaior que IEE, conclui‐se que as condiçõesVBE1=1,7 V e VP=0,3 V não podem ocorrer.
Então, na verdade com uma tensão típica VBE1 = 0,7 V,Q1 mantém o nó P com 1,3 V e assegura que Q2
permaneça desligado.
Solução:
Supondo que Q2 esteja em condução:
+0,7 V‐
Portanto, somente Q1 está em condução e Q2 estáem corte.
+0,7 V‐
+‐0,3 V‐
1 0,7 0,3
Exemplo
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Exercício
Para o circuito abaixo suponha IEE = 1 mA. Qual o valor máximo permitido para RC para que Q1
permaneça na região ativa?
Resposta: 500Ω
9
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Exercício
Para o circuito abaixo suponha IEE = 1 mA e RC = 800 Ω. Determine a região de operação de Q1?
Resposta: Q1 opera na região de saturação.
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Exercício
Calcule o valor de vE, vC1 e vC2 no circuito da figura abaixo. Suponha que de umtransistor em condução é aproximadamente 0,7 V e que ≅ 1.
Exercício 7.7 Sedra/Smith, 5ª edição
Resposta: +0,7 V; ‐5 V; ‐0,7 V.
10
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
OPERAÇÃO COM GRANDES SINAIS
‐ Necessidade de entender as limitações do circuito quando opera como amplificador linear.‐ Aplicação do par diferencial como um circuito (não linear) de direcionamento de corrente.
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Operação com grandes sinais
11
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
A diferença entre vin1 e vin2 não pode ser muito grande, pois um transistor levará o outroao corte.
À medida que a diferença entre as duas entradas se afasta de zero, o par diferencial“direciona” a corrente de cauda de um transistor para o outro.
Operação com grandes sinais
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Região linear
Tensão diferencial de entrada normalizada
Corrente de coletor norm
alizada EE EE
EE
Fonte: Sedra/Smith ‐Microeletrônica 5ª Edição Operação com grandes sinais
• Observe que uma diferença de tensão de cerca de 4VT é suficiente para chavear quaseinteiramente a corrente para um lado do par com TBJ.
• O par diferencial com TBJ pode ser usado como uma chave de corrente.
• Para operação linear, a diferença do sinal de entrada é limitada a VT /2.
12
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Exemplo
• Determine as correntes de coletor em função da corrente de cauda IEE quando:
Q1 conduz apenas 0,00454% da corrente de cauda e pode‐se considerar que IEE foitotalmente direcionada para Q2.
Solução:
Como:
Portanto,
.
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Exemplo
• Determine a tensão diferencial de entrada que direciona 98% da corrente de cauda paraum dos transistores do par diferencial.
Um sinal de 4.VT é suficiente para praticamente desligar um lado do par bipolar. Este valorpermanece independente de IEE e IS.
Portanto,
Solução:
13
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Para as tensões de saída, tem‐se:
Tensão de saída diferencial:
Lembrando que:
Operação com grandes sinais
tanh11
11
Comparando com a equação acima: 2
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Portanto, a tensão de saída diferencial pode ser expressa como:
Operação com grandes sinais
Tensão de saída diferencial:
Tensão em um terminal de saída:
14
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Exemplo
• O que acontece com as curvas da corrente no coletor e da tensão diferencial de saída se atemperatura passar de 27 oC para 100 oC?
Solução:
-0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Vin,diferencial [V]
Ic1/
IEE
e I
c2/I
EE
(em
T =
27
oC);
Ic1
/IE
E e
Ic2
/IE
E (
em T
= 1
00 o
C)
[m
A]
Ic1 (27 oC)
Ic2 (27 oC)Ic1 (100 oC)
Ic2 (100 oC)
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Exemplo
Continuação
-0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Vin,diferencial [V]
Vou
t,di
fere
ncia
l/Rc*
IEE
(27
oC
) ;
Vou
t,di
fere
ncia
l/Rc*
IEE
(10
0 oC
) [
V]
vout,dif (27 oC)
vout,dif (100 oC)
15
ELETRÔNICA ANALÓGICA II
FEE / ITEC / UFPA
Com resistor de degeneração (RE)
Técnica frequentemente adotada para aumentar a faixa de operação linear.
Corrente de coletor norm
alizada