01 amplificadores elementares transistorizados

EEL 7303 – Circuitos Eletrônicos AnalógicosJader A. De Lima UFSC, 2015

Amplificadores Elementares Transistorizados

Prof. Jader A. De Lima


• Atenuação, Distorção, Ruído em Sinais

• Amplificadores Básicos (Estágio Simples)

• Transistores Bipolares (BJTs)• Transistores MOS (MOSFETs)


Amplificador linear: A = d(Vout)/d(Vin) = constante


AttenuationMeans loss of energy weaker signalWhen a signal travels through a medium it loses energy

overcoming the resistance of the mediumAmplifiers are used to compensate for this loss of energy

by amplifying the signal.


Measurement of Gain/Attenuation

To show the loss or gain of energy the unit “decibel” is used.

dB = 10log10P2/P1

P1 - input signal

P2 - output signal


Suppose a signal travels through a transmission medium and its power is reduced to one-half. This means that P2 is (1/2)P1. In this case, the attenuation (loss of power) can be calculated as

A loss of 3 dB (–3 dB) is equivalent to losing one-half the power.

1

2log20

V

VAVdB

1

2log20

I

IAIdB

A loss of 3 dB (–3 dB) is equivalent to losing 0.707 of voltage (current).


Decibel is also used to measure signal power in milliwatts. In this case, it is referred to as dBm and is calculated as dBm = 10 log10 Pm , where Pm is the power in milliwatts.

A power level of 0 dBm corresponds to a power of 1 milliwatt.

Ex: Power of a signal with dBm = −30.


Distorção em Amplificadores (introdução)

Distorção pode ocorrer devido a:

i)Polarização incorreta do ponto quiescente, de modo que a amplificação não ocorra para a onda completa do sinalii)Amplitude do sinal de entrada muito grandeiii)Amplificação não linear ao longo da faixa de frequencia do sinal


Distorção de Amplitude (Distorção Harmônica)•Introdução


Espectro de frequência da onda quadrada periódica


• distorção de amplitude (polarização incorreta)


• distorção de amplitude (clipping)


• distorção de amplitude (amplitude de sinal muito alto à entrada)


Q

xo

yo

x

y

Taylor expansion: ...)x(xα...)x(xα)x(xαyy(t) kok

2o2o1o

oxx

kdx

y(k)

d

k!kα

1

Small-signal analysis: )x(xαyy(t) o1o

where


...)x(xα...)x(xα)x(xαyy(t) kok

2o2o1o

Vin: pure sine wave whose frequency is fo.

Vout: periodic signal whose fundamental frequency is fo.

...)tsin(3ωA)tsin(2ωA)tsin(ωAV 3o32o21o1out

)tsin(kωA ko1k

k

Vin = A sin ot


2k 100%A

AHD

21

2k

k

100%A

ATHD

21

2k

2k

1

k21

2k

dBk A

A20log

A

A10logHD

21

2k

2k

dB A

A10logTHD

or

or


Distorção devido ao atraso de fase


Noise


NoiseThere are different types of noise

Intrinsic - random noise of electrons generated by components, creates an extra signal

Induced - from motors and appliances, devices act are transmitter antenna and medium as receiving antenna.

Crosstalk - same as above but between two wires.Impulse - Spikes that result from power lines,

lightning, etc.


Intrinsic noise in basic components

• resistor

where k = 1.38x10-23 J/K and T is the absolute temperature;Sv(f) is expressed in V2/Hz.

Ex: 50-Ohm resistor @ 300oK 8.28 x 10-19 V2/Hz of noise power per unit bandwidth

If BW = 10MHZ, V_noise = 2.87uV

Resistor thermal-noise (white noise)


• MOSFET

• Noise power is frequency-dependent (flicker-noise + thermal-noise)


• BJT

BJT shot noise (white noise)


Signal to Noise Ratio (SNR)

To measure the quality of a system. SNR indicates the strength of the signal wrt the noise power in the system.

It is the ratio between two powers (or two rms voltages)

It is usually given in dB and referred to as SNRdB.


Ex: The power of a signal is 10 mW and the power of the noise is 1 μW; what are the values of SNR and SNRdB ?

SolutionThe values of SNR and SNRdB can be calculated as follows:


dBu

mxSNRdB 3.80

17

250707.0log20

Ex: The rms voltage of input-referred noise is 17uV. For a signal of 250mV peak, what´s is the SRN?


Two cases of SNR: a high SNR and a low SNR


(a) Thévenin (b) Norton

Representação de uma fonte de sinal


Amplificador de tensão como quadripolo

• rin: resistência de pequenos-sinais de entrada• rout: resistência de pequenos-sinais de saída• Av : ganho de tensão em aberto Av = (Vout/Vin)


• Caso prático: • carga do amplificador (RL)• Resistência da fonte de sinal (RS)

• Há algum efeito no ganho total Vout/Vs?


Lout

Linvout

Rr

RVAV

Sin

inin

Rr

rVsV

Lout

L

Sin

inv

out

Rr

R

Rr

rA

Vs

V

atenuação do sinal


Exercício: determinar o ganho total na cadeia de 3 estágios. Verificar que o ganho total difere de 10 x 100 x 1


• modelo pequenos-sinais BJT

• modelo pequenos-sinais MOSFET


• Tipos de Amplificadores

Amplificador de tensão Amplificador de corrente

Amplificador de transresistenciaAmplificador de transcondutância


Typical magnitude response of an amplifier. |T(v)| is the magnitude of the amplifier transfer function - that is, the ratio of the output Vo(v) to the input Vi(v).


1. Montagem Emissor-Comum (CE: common emitter)

• terminal de emissor é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à base• sinal de saída – em inversão de fase - é retirado do coletor

Amplificadores Básicos a BJT


• Ganho de tensão (condição de contorno: coletor em aberto):

inmmC

outvgvg

R

v

Cm

0Ioutin

outV Rg

v

vA

Observa-se que:

i)em relação à entrada, a saída apresenta inversão de fase. ii)ganho AV é diretamente proporcional à transcondutância gm = IC/VT, sendo IC a corrente de DC do coletor e VT é a tensão térmica (@ 25mV@300oK).


Ex: no caso de Av = -38.5, tem-se as correspondentes formas de onda, para um sinal senoidal à entrada de amplitude de 2mV (admite-se que a alimentação VCC seja suficientemente alta para permitir a excursão de saída)


• Resistência de Entrada:

• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (condição de contorno: coletor em aberto, ou iout = 0):

xx

ir

v

E

TE

x

x

0ioutinI

Vrr

i

vr


• Resistência de Saída:

• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de saída (condição de contorno: curto-circuito à entrada (vin = 0):

vgR

vi m

C

xx

Cx

x

0vinout Ri

vr


• A polarização de Q1 em sua região ativa é fundamental para que o amplificador opere em sua região linear.

• O ponto quiescente Q é caracterizado por IBQ, ICQ e VCEQ


• formas de onda referentes a uma entrada triangular.


• Polarização do transistor

Equivalente Thévenin para cálculo do ponto quiescente


→

RTh = RB1 // RB2

VTh = VCC RB2 / ( RB1 + RB2 )

IB = (VTh - VBE ) / RTh + ( +1) RE AV - (RC / RE )

→ Presença de RE estabiliza o ganho

• DC:


2. Montagem Base-Comum (CB: common base)

• terminal de base é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado ao emissor• sinal de saída – em fase - é retirado do coletor


• Ganho de tensão (coletor em aberto):

vgRv mCout

vvin

Cm

0Ioutin

outV Rg

v

vA

• Embora o ganho de tensão seja idêntico – em módulo – ao apresentado pela montagem CE, a saída está agora em fase com a entrada.



• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (coletor em aberto, ou iout = 0):

E

TE0ioutin

I

Vrr



• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0):

E

EAo

I

Vrcer

oC0vinout r//Rr


3. Montagem Coletor-Comum (CC: common collector)

• terminal de coletor é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à base• sinal de saída – em fase - é retirado do emissor • montagem CC também é chamada de seguidor de emissor


• Ganho de tensão (emissor em aberto, Iout = 0):

outin vvv

E

E

EEEmEout

r

Rv

r

1

r

1Rv

r

vvgRv

1R

rvv

E

Eoutin

1R

r1

v

vA

E

E0ioutin

outV

• para rE << RE, tem-se um ganho de tensão aproximadamente unitário, estando os sinais de entrada e saída em fase.



• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (emissor em aberto, ou iout = 0):

v

r

R1

r

vRgRvv

E

EEmEx

EE

x

EE

E

xx

Rr

v

rr

R1

v

r

vi

EEx

xin Rr

i

vr



• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0). Por simples inspeção visual:

1

R

g

1//R

1

Rr//Rr

S

mE

SeE0vinout


+VCC

-VCC

Vi ~

RL

QN

QP

Vo

3a. Estágio de Saída Push-Pull Classe B

Estágio Push-Pull em Classe B

Vi

Vo

- Vcc + Vcesatp

Vcc - Vcesatn

Vben

Vbep

crossover


3b. Estágio de Saída Push-Pull classe AB(eliminar distorção de cruzamento)

+VCC

-VCC

Vin ~

R3

R4

RL

QN

QP

R2

R1

Q1Vbb

CB

Vo

push-pull com multiplicador de VBE

Vbb = VBE1 (1 + ( R2 / R1 ))


1. Montagem Fonte-Comum (CS: common source)

• terminal de fonte é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à porta• sinal de saída – em inversão de fase - é retirado do dreno

Amplificadores Básicos a MOSFET


• Ganho de tensão (dreno em aberto):

inm1mD

outvgvg

R

v

Dm

0Ioutin

outV Rg

v

vA

Observa-se que:

i)em relação á entrada, a saída apresenta inversão de fase. ii)ganho AV é diretamente proporcional à transcondutância. Para o MOSFET na saturação, tem-se

DGS

Dm I

V

Ig 2

ID: a corrente DC do dreno = (W/L)nCox : fator de ganho do transistor

2

2THGSD VVI


• MOSFET


VDSat = VGS – Vt : saturation voltage


Ex: Av = -3.85, tem-se as correspondentes formas de onda, para um sinal senoidal à entrada de amplitude de 2mV.



• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (dreno em aberto, ou iout = 0):

x

x

0ioutini

vr



• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de saída na condição de contorno de curto-circuito à entrada (vin = 0):

gsmD

xx vg

R

vi

Dx

x

0vinout Ri

vr Sendo vgs = 0,


• amplificador CS com resistor de degeneração de fonte RS, e respectivo circuito equivalente para pequenos-sinais.• A degeneração de fonte possibilita uma estabilização do ganho (Av = -RD/RS)

S1m1in Rvgvv

Sm

in1

Rg1

vv

D1mout Rvgv

Sm

D

Sm

Dm

in

out

Rg

1R

Rg1

Rg

v

v

Impondo-se, por projeto, 1/gm << RS:

S

D

in

out

R

R

v

v


2. Montagem Porta-Comum (CG: common gate)

• terminal de gate é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à fonte• sinal de saída – em fase - é retirado do dreno

gsmDout vgRv

gsin vv

Dm

0Ioutin

outV Rg

v

vA

• Ganho de tensão (dreno em aberto):



• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (dreno em aberto, ou iout = 0):

xm1mx vgvgi

mx

x

0iouting

1

i

vr



• circuito equivalente AC abaixo para o cálculo da impedância (resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0):

oDx

o

x

D

xx

r

1

R

1v

r

v

R

vi oD0vinout r//Rr

D

EAdso

I

Vrr


3. Montagem Dreno-Comum (CD: common drain)

• terminal de dreno é comum a ambos os sinais de entrada e saída. • sinal de entrada é aplicado à porta• sinal de saída – em fase - é retirado da fonte • montegem CD também é chamada de seguidor de fonte


• Ganho de tensão (fonte em aberto):

o

outL1mL

o

out1mLout

r

vRvgR

r

vvgRv

1mLo

Lout vgR

r

R1v

1outin vvv

)vv(gRr

R1v outinmL

o

Lout

inomL

L

mLout v1

rgR

R

gR

1v

oLm

0ioutin

outV

r//Rg

11

1

v

vA

• para ro >> RL e gmro >>1, tem-se um ganho de tensão aproximadamente unitário, estando os sinais de entrada e saída em fase.



• circuito equivalente AC para o cálculo da impedância (resistência) de entrada (fonte em aberto, ou iout = 0):

x

xin

i

vr



• circuito equivalente AC abaixo para o cálculo da impedância (resistência) de saída para curto-circuito à entrada (vin = 0). Por simples inspeção visual e = 0:

mL

moL0vinout

g

1//R

g

1//r//Rr


DSDSTHGSD VVVVI

2

1

2

2THGSD VVI

1expT

BEoEE

V

VJAI

(triode)

(sat)

oxCL

W

THGSm VVg 5.02 DI

t

EmV

Ig

BJT MOSFET


Ex: Determinar:•Ponto de operação•Ganho de tensão para pequenos sinais•Qual mínimo VDD que garante M1 na região de saturação?

Dados:•VTH = 0.6V (tensão de limiar)• = 420 cm2/(V.s)•Cox = 600nF/cm2

• = 0 (efeito modulação canal)


22 6.012

1

2 oxTHGSD C

L

WVVI

mAVVI THGSD 12.16.01.n600.42018.0

10

2

1

222

VmxRIVV DDDDS 14.112.15008.1

VmAxVVg THGSm /6.54.0014.0

VVmxgmRAv D /8.25006.5

VmRIVV

VVVV

DDDSATDD

THGSDSAT

96.050012.14.0

4.0

min


Collector current waveforms for transistors operating in (a) class A, (b) class B,

Estágios de Sáida (Estágios de Potência)


(Continued) (c) class AB, and (d) class C amplifier stages.


Estágios de Sáida (Estágios de Potência)

Classe A - Seguidor de Fonte

oLm

0ioutin

outV

r//Rg

11

1

v

vA

x

xin

i

vr

mL

moL0vinout

g

1//R

g

1//r//Rr


Vin

VL

Vbe

- RL Is

Vcc - Vcesat

Vcc - Vcesat + Vbe

- RL Is + Vbe

Vin

VL

Vcc

-Vcc

IsRL

Q1

~

Va

Vs

Rs

• Classe A (seguidor de emissor) com fonte de corrente


Source: Razavi

• Bipolar Cascode Amplifier

Cascode Amplifiers


• MOSFET Cascode Amplifier

Source: Razavi


REFERÊNCIAS:

• Fundamentals of Microelectronics, B. Razavi, John Wiley and Sons, 2006

• Microelectronic Circuits, A. Sedra and K. Smith, Oxford university Press, 5th Edition, 2003

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