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ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
O MOSFET como
Amplificador
1
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Básico
Amplificador Fonte Comum
Topologia Básica
Representação Gráfica da Reta de Carga
Determinação da Curva de Transferência
triodovvfi
saturadovfi
iRVvv
DSGSD
GSD
DDDDDSO
),(
)(
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Curva de Transferência
Determinação da Curva de Transferência
A curva de transferência
mostra a operação como
amplificador, com o
MOST polarizado no
Ponto Q.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Reta de Carga
Influência da Reta de Carga na Excursão de Sinal
Ponto Q1 não deixa espaço
suficiente para excursão
positiva do sinal, muito
próximo de VDD
Ponto Q2 não deixa
espaço suficiente para
excursão negativa do
sinal, muito próximo
da região de Triodo.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Pequenos Sinais
Circuito conceitual para estudo do modelo de pequenos sinais
Fonte de Polarização
Fonte de Sinal
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Pequenos Sinais
Aplicação de um sinal de entrada de 150 mVpp
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Pequenos Sinais
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
OVntGSnm
GS
Dm
VL
WkVV
L
Wkg
dV
dIg
''
VOV – Tensão de overdrive
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Pequenos Sinais
Resposta de saída do amplificador Fonte Comum
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Tensões instantâneas vGS e vD no
circuito abaixo.
Pequenos Sinais
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Modelo para Pequenos Sinais
Modelo Simplificado Modelo Extendido
Considerando o efeito de modulação do
comprimento do canal (EARLY) que é
modelado por ro = |VA| /ID
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Análise de um Amplificador MOS
• Considere o amplificador Fonte
Comum – FC ao lado cujo
transistor possui o seguintes
características:
– k’n(W/L) = 0,25 mA/V2
– Vt = 1,5 V
– VA = 50 V
– RD = 10kΩ
– VDD = 15V
• Suponha que os capacitores são
praticamente curto circuitos para
sinal.
• Calcule:
– O ganho de pequenos sinais
– A resistência de entrada
– O maior sinal de entrada para
operação em saturação.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Fonte Comum (1)
Com Carga Resistiva RD
RD
VDD
Vin
Vout
M1
Vout
VinVTHVin1
A
VTH+
-Saturação
Triodo
Corte
(Sub-Threshold)
0 < Vin < VDD
in
outv
THinoxnDDDout
DDDDout
out
THinoxnD
D
V
VA
VVL
WCRVV
IRVV
V
VVL
WCI
I
:Tensão de Ganho
:como expressa se pode saída de A tensão
:por dada é saturação em correnteA
2
21
2
21
Modelo de pequenos sinais em saturação
+Vin
RDgmV1
+
Vin
-
Vout
THinoxnm
inmDout
VVL
WCg
vgRv
O ganho do circuito
varia substancialmente
para grandes excursões
da entrada!
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Fonte Comum (2)
Com Carga Resistiva RD – Triodo
2
21
2
121
1
1
1
:expresso é )por controlado(resistor triodode região Na
overdrive de Tensão
:obtidaser pode transiçãode A tensão
DSDSTHGSoxnD
DGS
THinoxnDDDTHin
THinout
in
VVVVL
WCI
IV
VVL
WCRVVV
VVV
V
Vout
VinVTHVin1
A
VTH+
-Saturação
Triodo
Corte
(Sub-Threshold)Vout
VinVTHVin1
A
VTH+
-Saturação
Triodo
Corte
(Sub-Threshold)
DD
THinoxnD
out
THGSoxn
on
DD
onD
onout
DSDSTHGSoxnDDDout
inin
V
VVL
WCR
V
VVL
WC
R
VRR
RV
VVVVL
WCRVV
VV
1
11
:é (deep) triodode região na aresistênciA
:é para saída de A tensão
2
21
1
RD
VDD
Vin
Vout
M10 < Vin < VDD
RDRD
VDDVDD
VinVin
Vout
M10 < Vin < VDD
RD
VDD
Vin
Vout
Vin1 < Vin < VDD
Ron
M1
Modelo na região deep triode
O ganho cai na região de triodo!
Procura-se trabalhar a esquerda do ponto A.
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Fonte Comum (3)
Com Carga Resistiva RD
D
RDoxnv
DDRD
D
RDDoxnmDv
I
V
L
WCA
IRV
I
VI
L
WCgRA
2
Onde
2
Observações
• Av é não linear
– Av(gm(Vin))
• Para minimiza a não linearidade,
Av deve ter pouca dependência de
parâmetros que dependam da
entrada Vin
Como maximizar Av?
Comportamento de ID x Vin
D
DD
R
V
THVinV
DI
Comportamento de gm x Vin
THVinV
mg
1inV
• Aumentando W/L
– MOST maior – Área e Capacitâncias maiores
• Aumentando VRD
– Reduz a excursão de sinal
• Diminuindo ID
– Maior RD – Reduz resposta em freqüência
Existem relações de compromisso entre ganho, BW e excursão de sinal
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Fonte Comum (4)
Com Carga Resistiva RD
Aumentando RD, o efeito de
modulação do comprimento de canal
torna-se mais significativo.
in
outTHinoxnD
outTHinoxnD
in
out
in
outv
outTHinoxnDDDout
DDDDout
out
outTHinoxnD
D
V
VVV
L
WCR
VVVL
WCR
V
V
V
VA
VVVL
WCRVV
IRVV
V
VVVL
WCI
I
2
21
2
21
2
21
)1(
:Tensão de Ganho
)1(
:se-expressa saída de A tensão
)1(
:é CLM o doconsideran saturação em
oD
Domv
D
oDS
vDDmDv
v
THinoxnD
rR
RrgA
Irr
AIRgRA
A
VVL
WCI
1 Como
:como expressoser pode ganho O
2
21
Utilizando a aproximação de ID
+Vin
RDgmV1
+
Vin
-
Vout
ro
++Vin
RDRDgmV1
+
Vin
-
Vout
roro
Modelo de pequenos sinais
oD
Doeq
rR
Rrr
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Fonte Comum (5)
• O ganho intrínseco
é o maior ganho
que se consegue
obter com um único
dispositivo.
• gmro para MOST de
canal curto gira em
torno de 10 a 50.
Ganho intrínseco
Vout
M1Vin
0 < Vin < VDD
VDD
Intrínseco Ganho
lim
omv
oD
DomRv
rgA
rR
RrgA
D
I1
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Fonte Comum (6)
Tecnologia AMIS 0.5
• VTN = 0,63V
• VTP = -0,99V
• kN = 37,4 μA/V2
• kP = 13,9 μA/V2
• λN = 0,0091 1/V (L = 1,5μm)
• λP = 0,022 1/V (L = 1,5μm)
• L = 1,5μm e W = 15μm
RD
VDD
Vin
Vout
M10 < Vin < VDD
RDRD
VDDVDD
VinVin
Vout
M10 < Vin < VDD
Vin [V]
ID [mA] RD = 1k
RD = 2k
RD = 10k
Corrente ID x Vin
Vout [V]
Vin [V]
RD = 1k
RD = 2k
RD = 10k
Vout x Vin
Vin [V]
Av [V/V] RD = 1k
RD = 2k
RD = 10k
Ganho de Tensão Av x Vin
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Fonte Comum (8)
• É difícil construir resistores precisos e de tamanho razoável em CMOS
• Solução trocar o resistor RD por MOST
• O MOST em pequenos sinais pode operar como um resistor
• Configuração “diode connected” é uma analogia com os transistores bipolares
Com Carga ativa Tipo Diodo
NPN NMOS
PNP PMOS
↔ ↔
Topologia diode connected
+VxrogmVc
+
Vc
-
Ix
Modelo de pequenos sinaisReq
mmrx
xeq
ggI
VR
o
111
Considerando o efeito de corpo
VDD
+Vx
Ix+Vx
rogmVc
+
Vc
-
Req
Ix
gmbVbs
S
DG
mbmmbmrx
xeq
xmbm
o
xx
ggggI
VR
Vggr
VI
o
11
)(
1
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Fonte Comum (7)
• Estando M1 e M2 em saturação:
– O ganho dependo somente das
dimensões de M1 e M2 (desprezando o
efeito de corpo).
– O ganho não dependo da polarização.
Com Carga Ativa Tipo Diodo
Vout
M1Vin
0 < Vin < VDD
VDD
RD substituído
por um nMOST
conectado como
carga ativa.
M2
1
1
Fazendo
1
2
1
2
2
22
1
m
mv
m
mb
mbm
mv
g
gA
g
gη
gggA
1
1
Como
1
1
2
2
expressoser pode ganho O
2
Como
2
1
21
2
2
2
1
1
1
LW
LW
A
II
IL
WC
IL
WC
A
IL
WCg
v
DD
Doxn
Doxn
v
Doxnm
Substituindo na expressão do ganho de
tensão, RD pela impedância equivalente de
M2.
Expressando Av em termos da
dimensão de M1 e M2
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Fonte Comum (8)
Vout
M1VinVin
0 < Vin < VDD
VDDVDD
M2
Tecnologia AMIS 0.5
• VTN = 0,63V
• VTP = -0,99V
• kN = 37,4 μA/V2
• kP = 13,9 μA/V2
• λN = 0,0091 1/V (L = 1,5μm)
• λP = 0,022 1/V (L = 1,5μm)
• L1 = L2 = 1,5μm; W2 = 7,5μm
Vout x Vin
W2 = 7,5μm
W2 = 30μm
W2 = 90μm
Vout [V]
Vin [V]Corrente ID x Vin
W2 = 7,5μm
W2 = 30μm
W2 = 90μm
Vin [V]
ID [mA]W2 = 7,5μm
W2 = 30μm
W2 = 90μm
Av [V/V]Ganho de Tensão Av x Vin
Vin [V]
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Fonte Comum (9)Com Carga Ativa Tipo Diodo
Vout
M1Vin
0 < Vin < VDD
VDD
RD substituído
por um pMOST
conectado como
carga ativa.
M2
2
1
2
1
expressar podemos Logo
LW
LW
A
A
g
gA
p
n
v
v
m
mv
Pelos resultados anteriores
Nenhum dos transistores
sofre efeito de corpos!
Vout[V]
Id[mA]
Av[V/V]
Vin[V]
W2 = 7,5μm
W2 = 15μm
W2 = 30μm
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Inversor com Carga Ativa
m
mk
L
W
5,1
5,7
2
2
m
m
L
W
5,1
5,7
1
1
m
m
L
W
5,1
5,7
2
2
m
m
L
W
5,1
15
2
2
m
m
L
W
5,1
5,22
2
2
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificadores Lineares
• Amplificador Gate Comum
• Amplificador Seguidor de Fonte
• Amplificador Cascode
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Seguidor de Fonte
• O ganho do amplificador CS é diretamente proporcional
a impedância de saída
– Alto ganho ⇒ RL grande
– Se a impedância da carga for baixa, há a
necessidade de um buffer
• O SF é uma opção para acoplar o estágio de ganho com
a carga
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Seguidor de Fonte
• Vin > VTH ⇒ M1 liga
saturado
Vout é dado por:
O ganho do SF é obtido diferenciando Vout em relação a
Vin :
Como
⇒
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Seguidor de Fonte
• A impedância de saída pode ser calculada
GD
S
⇒
Modelo de
pequenos sinais Ro
⇒
Modelo de
pequenos sinais
mbm
ogg
R
1
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Seguidor de Fonte
• .include AMIS5t55w.txt
• vd1 VDD1 0 dc 5
• vin vgs 0 dc 0
• *ibb dreno vss dc 200e-6
• Rs1 f1 0 5k
• M1 vdd1 vgs f1 0 CMOSN l=15u w=1500u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p
• .control
• dc vin 0 5V 0.01V
• let vs1 = v(f1)[ 0, 500]
• let ids1 = (-i(vd1)[ 0, 500])*1000
• plot vs1
• plot deriv(vs1)
• plot ids1
• .endc
• .end
Vin
Vout IR Av
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Seguidor de Fonte
• Efeito de corpo (Vsb ≠ 0)
Vout AV IR
VinTitulo: Seguidor de fonte (nMOS)
.include AMIS5t55w.txt
vd1 vdd1 0 dc 5
vin vgs 0 dc 0
Rs1 f1 0 5k
*Com efeito de corpo
M1 vdd1 vgs f1 0 CMOSN l=15u w=1500u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p
vd2 vdd2 0 dc 5
Rs2 f2 0 5k
*Sem efeito de corpo.
M2 vdd2 vgs f2 f2 CMOSN l=15u w=1500u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p
.control
dc vin 0 5V 0.01V
let vs1 = v(f1)[ 0, 500]
let vs2 = v(f2)[ 0, 500]
let ids1 = (-i(vd1)[ 0, 500])*1000
let ids2 = (-i(vd2)[ 0, 500])*1000
plot vs1 vs2
plot deriv(vs1) deriv(vs2)
plot ids1 ids2
.endc
.end
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Seguidor de Fonte
• Comparação entre SF e CS
Seguidor de Fonte - SF Fonte Comum - CS
• A diferença esta no ganho atingível
• Se gm = RL o ganho do SF é 0,5 e o CS é 1!
• O SF não é necessariamente o melhor driver!
• Sua maior aplicação é no deslocamento de níveis
THinoxnm
inmLout
VVL
WCg
vgRv
mgL
L
SFin
out
R
R
v
v
1
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Gate Comum - CG
• No CS e SF, o sinal é aplicado no gate e a
saída é no dreno ou fonte
• É possível também aplicar o sinal na
fonte.
– Tomando a saída no dreno
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Gate Comum - CG
A corrente de dreno é expressa por
O decréscimo de Vin pode levar o M1 a entrar na região de
triodo.
⇒
O efeito de corpo incrementa
a transcondutância
equivalente!
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Gate Comum
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Cascode
• A entrada de um estágio CG pode ser uma
corrente.
• O amplificador CS converte tensão em corrente
• A cascata de um estágio CS e um CG é
chamada de “cascode”
• O objetivo é minimizar a capacitância Miller –
CGD1
M1 converte Vin em corrente que
é encaminhada a Rd por M2
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Cascode
Característica entra x saídaTensões no estágio cascode
Modelo de pequenos sinais
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Cascode
• Uma das vantagens do CA é sua alta
impedância de saída
– Derivada do estágio CS
THgsoxnm
dsdsdsmbmout
VVL
WCg
rrrggR
21222 )(1
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Cascode
Ganho de tensão
11222
1222
1
)(
temos
)(
e
Como
moobmmoutmv
oobmmout
mm
grrggRGA
rrggR
gG
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Cascode
• Normalmente (W/L)2 é o dobro de (W/L)1
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Cascode
• Modelo de pequenos sinais
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Fonte de corrente
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Fonte de Corrente
• Fonte de corrente Ideal
– Corrente é fixa em Io
– A tensão v pode variar de -∞ a +∞
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Fonte Corrente
• NMOS como fonte ou sorvedouro de
corrente
– A fonte de corrente é caracterizada por dois
parâmetros
• rout – mede a independência de v
• vMIN – tensão mínima a partir da qual a fonte a
corrente deixa de ser praticamente constante
O transistor NMOS é um sorvedouro de corrente que somente aceita tensões v
positivas
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Fonte de Corrente
• PMOS como fonte de corrente
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Fonte Corrente
• A tensão vgs do transistor tem duas
componentes
O tensão mínima de operação da fonte de corrente pode ser reduzida pelo
aumento do W/L
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Espelho de corrente
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Espelho de corrente
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Espelho de corrente
Comportamento em função das Impedâncias de entrada e saída
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Espelho de corrente
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Espelho de Corrente
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Espelho de corrente
Erro no espelhamento da corrente
Uso de transistores unitários
e bom leioute
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Espelho de Corrente
Efeitos de segunda ordem
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Espelho de corrente
Modelo de pequenos sinais
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Espelho de corrente
• Um das fontes de erro do espelho de
corrente é sua impedância de saída
• Como minimizar este efeito?
– Utilizando uma saída do tipo cascode!
Como gerar Vb?
A idéia é fazer Vx = Vy
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Espelho de corrente
Espelho de corrente de precisão ou cascode
A escolha apropriada de M0 possibilita que Vx=Vy!
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Espelhos de corrente
Espelho de corrente de precisão
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Espelho de corrente
Modelo de pequenos sinais
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Espelho de corrente
Impedância de saída
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Espelho de corrente
Comparação entre o espelho de corrente simples e o de
precisão