CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS

CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

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OBJETIVOS Analisar a operação do amplificador diferencial Entender o significado de tensão de modo diferencial e de modo comum Determinar as características de pequenos sinais do amplificador diferencial Analisar e projetar amplificadores diferenciais com cargas ativas Analisar e projetar amplificadores com múltiplos estágios TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

INTRODUÇÃO DIAGRAMA EM BLOCOS CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO 1O ESTÁGIO (DIFERENCIAL) ESTÁGIO DE SAÍDA VI 2O ESTÁGIO VO TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.1 CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO ESPELHO DE CORRENTE MOS M1 sempre saturado M2 saturado TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Efeito de VO sobre IO TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Circuito guia de corrente CMOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

ESPELHO DE CORRENTE COM TBJ Q2 Q1 -VEE IE1 IE2 IB1 IB2 IC1 IC2=IO IREF VO IC1 VCB=0 VBE1Q VBE1 IREF  IC1 Q1 Q2 Q2 na região ativa Efeito Early desprezível IC1 = IC2=IC IB1 = IB2=IB Para >>1 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Considerando o efeito Early iC vCE -VA 1/r0 VCEsat Q2 Q1 -VEE IE1 IE2 IB1 IB2 IC1 IC2=IO IREF VO TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Uma fonte de corrente simples R VBE + - IREF Q1 Q2 IO VO VCC IO Modelo equivalente CC, válido para Q2 na região ativa TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Circuitos guias de corrente Considerando todos os transistores idênticos e  muito alto: TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.2 AMPLIFICADOR CASCODE AMPLIFICADOR CASCODE MOS Modelo de pequenos sinais TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Modelo de pequenos sinais para determinação de Ro TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

AMPLIFICADOR CASCODE TBJ Ex.: Determinar a resistência de saída TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

AMPLIFICADOR “FOLDED” CASCODE TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.3 CONFIGURAÇÃO DARLINGTON Mostre que D = 1 2 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Seguidor de tensão usando a Configuração Darlington Fonte I para garantir 1 elevado TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.4 CONFIGURAÇÃO CC-BC e DC-GC Coletor comum – base comum Análise TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Dreno comum – porta comum Análise TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.5 Circuitos Melhorados de Espelhos de Corrente Espelho cascode MOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Espelho de corrente com compensação da corrente de base TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Espelho de corrente de Wilson Q2 Q1 IREF Q3 IO A vantagem deste espelho de corrente é sua maior resistência de saída RO Problema: erro devido ao efeito Early TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Espelho de corrente de Wilson melhorado Q1 Q2 Q3 Q4 IO IREF VBE + - TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Fonte de corrente de Widlar TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Exemplo:VCC=10V;IO=10A a) Fonte de corrente simples Assumindo VBE=0.6V b)Fonte de corrente de Widlar Escolhendo IREF=1mA R VBE + - IREF Q1 Q2 IO VO Q1 Q2 VBE2 + - VBE1 R2 R1 I1 IO VCC Q1  Q2 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Resistência de saída da fonte de corrente de Widlar r v gmv ro RE + - vx TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.6 PAR DIFERENCIAL CONSIDERAÇÕES Fonte de corrente ideal Transistores e resistores casados Transistores na região ativa Resistência de saída do TBJ infinita TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

TENSÃO DE MODO COMUM TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

OPERAÇÃO COM GRANDES SINAIS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Análise de grandes sinais vE TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA   1 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.6.2 PAR DIFERENCIAL COM TRANSISTOR MOS Q1  Q2 Q1 e Q2 saturados Fonte de corrente ideal VA   TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Combinando as equações 1, 2 e 3 e considerando que no ponto quiescente
tem-se TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Característica de transferência normalizada do par diferencial MOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.6.3 OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

SEPARAÇÃO DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL EM DUAS METADES TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

CIRCUITO EQUIVALENTE DE PEQUENOS SINAIS RC iR=0 r p + - R vO1 vO2 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Análise de pequenos sinais Ganho de modo diferencial RC + - r p Obs.: Se a saída tomada for simples o ganho diferencial será: TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Ganho de modo comum VCC RC -VEE 2R vc1 vc2 I/2 vicm RC Q1 Q2 R -VEE VCC I vc1=vc2=vocm TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Meio circuito equivalente AC para análise de modo-comum r v gmv RC 2R + - vocm vicm TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

CMRR: razão de rejeição de modo comum Os sinais de entrada contêm usualmente uma componente de modo diferencial e uma de modo comum TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Resistência de entrada de modo diferencial Resistência de entrada de modo comum As correntes de pequenos sinais que fluem quando tensões diferenciais e de modo comum são aplicadas são TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Circuito equivalente de pequenos sinais para entrada de um amplificador diferencial diferencial Ricm Rid 1 2 1 2 Ricm/2  R(O+1) ~ Rid/2 ~ Rid/2= r Modelo  Modelo T TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Exemplo R C Q 1 2 +V CC + vo - vs RS RE I VCC = 15 V RC = 10 k RE = 150  R = 200k I = 1 mA TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.6.4 OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS DO AMP. DIF. MOS +VDD vo1 vo2 + - vod RD Q 1 2 -VSS I v2 v1 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Operação em pequenos sinais do amp. dif. MOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Ganho de modo diferencial v id 2 R D Vod/2 Q1 Vod/2 + - gmvid/2 RD Vid/2 Considerando saída simples: TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Ganho de modo comum (considerando saída simples) vic R D 2 R Vocm + - gmvgs RD Vicm 2R TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

CMRR (considerando saída simples) Resistência de entrada de modo diferencial Resistência de entrada de modo comum TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.6.5 CARACTERÍSTICAS NÃO IDEAIS DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL Tensão de offset (VOS) -VEE RC1 RC2 VOD + - Q1 Q2 VCC I VCC RC1 RC2 0V Q1 Q2 VOS + - I -VEE VOS é a tensão que deve ser aplicada à entrada de modo que a tensão na saída seja igual a zero TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

VOS é devida ao descasamento nos resistores e nos transistores ANÁLISE 1) Descasamento nos resistores e transistores casados TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

2) Descasamento nos transistores e resistores casados TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Correntes de polarização de offset de entrada Perfeitamente simétrico Descasamento em  Corrente de offset TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Correntes de polarização IB Exercício: Para um amplificador diferencial com TBJ utilizando transistores com =100, com casamento máximo de 10%, e casamento de áreas de 10% ou melhor, e resistores de coletor com casamento de 2% ou melhor, encontre os valores de VOS, IB e IOS. A corrente de polarização CC é de 100 mA. TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Tensão de offset Descasamento em RD, W/L e Vt 1. Descasamento em RD +VDD vo1 vo2 + - vod RD2 Q 1 2 -VSS I RD1 Dividindo pelo ganho gmRD TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

2. Descasamento em W/L 3. Descasamento em Vt TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Exemplo 6.3 – Sedra Smith (p. 484) TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.7 O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA Q1 Q2 e Q3 Q4 Vo é tal que Q2 e Q4 operam na região ativa IB desprezível VCC Q3 Q4 iC4 iO iC3 + - VO iC1 iC2 Q1 Q2 I -VEE Transcondutância em curto-circuito TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Ganho de tensão em circuito aberto Modelo para pequenos sinais + - Vid Gm vid RO vO Ri TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Amplificador diferencial CMOS com carga ativa + - Gmvd vO RO vid VG1 I M4 M1 M2 VG2 iD1 iD2 + - M3 iO VDD VSS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Amplificador diferencial cascode r3 v3 gm3v3 ro3 ro1 + - vx ix TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

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 TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.8 AMPLIFICADOR OPERACIONAL BIPOLAR TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

Exemplo 6.3 – Sedra Smith (p. 484) TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

1.9 AMPLIFICADOR OPERACIONAL CMOS TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES

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