Amplificadores Diferenciais - ece.ufrgs.brfabris/E04055/E04055_AmpDif.pdf · ENG04055 –Concepção de CI Analógicos –Eric Fabris Introdução • O amplificador diferencial é

ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris

Amplificadores Diferenciais


Introdução

• O amplificador diferencial é um subcircuito composto de um conjunto de transistores (1 ou +) que amplifica a diferença de tensão entre suas duas entradas.

• É normalmente utilizado como estágio de entrada.

• É facilmente cascateado sem necessidade de desacoplamento

Inserção do Amplificador Diferencial na Hierarquia de Projeto de um

Módulo Analógico


Amplificador Diferencial – Conceito

• Ganho diferencial de tensão – AVD (1000)

• Ganho de modo comum de tensão - AVC (1)

Definições:



• Vantagens intrínsecas e características

– Ganho diferencial elevado

– Ganho de modo comum baixo

– Facilmente cascateável sem capacitores de

acoplamento

• O objetivo do uso de um amplificador diferencial

é eliminar (minimizar) a tensão de modo comum

no sinal de entrada



• Métrica de desempenho– Ganho diferencial de tensão – AVD

– Ganho de modo comum de tensão – AVC

– Taxa de rejeição de modo comum – CMRR

– Resistência de entrada – Rin

– Resistência de saída - Rout

– Faixa de tensão de modo comum de entrada - VICMR

– Excursão máxima de saída

– Tensão de offset de entrada

– Rejeição de variações na fonte de alimentação – PSRR

– Ruído

VC

VD

A

ACMRR

VD

os

edosA

outvinv

)()(

0



Valores típicos

AVD 100

AVC 0.1

CMRR 1000

VOS(in) 2-10 mV



Solução possível

Utilizar dois amplificadores simples (fonte comum – FC, por

exemplo) um para cada fase do sinal de entrada.

•A alteração da tensão Vin,CM

• muda a corrente de polarização de

cada ramo, alterando a

transcondutância de cada xtor e a

tensão de modo comum da saída.

• O AVC é alto.

Como amplificar sinais diferenciais?

Esta solução é adequada? Qual o efeito da tensão de modo comum?

Conclusão: a corrente de polarização deve depender minimamente de Vin,CM!


Amplificador Diferencial

Uma solução possível para minimizar o efeito de

Vin,CM é polarizar os transistores utilizando uma

fonte de corrente.

Par diferencial com

transistores com fonte

acoplada.


Amplificador Diferencial – Análise

• Assumindo que M1 e M2 estão em saturação

• (W/L)1 = (W/L)2

Assumindo que: e

Tensão de Modo Comum

O que varia na saída é a corrente:

Como a corrente de polarização ISS

é dada por:

Resultando em: Quanto maior forem as impedâncias

conectadas nos drenos de M1 e M2,

maior o ganho de tensão



Modelo para pequenos sinais

Como:

gm

Assim:

A presença de um sinal de modo comum na entrada implica em:

ri

i

CM

im

CMmCM

r

v

rg

vgi

221

Assim o CMRR pode ser obtido por:

Resistência da

fonte de corrente.



Comportamento da corrente em função da tensão diferencial

Modelo de grandes sinais

Resolvendo para iD1 e iD2

e

A tensão diferencial pode ser expressa em

função das correntes em cada xtor.

Onde:



Comportamento da corrente em função da tensão diferencial

Modelo de grandes sinais


Amplificador Diferencial

Par diferencial com entrada nMOS Par diferencial com entrada pMOS



Curva de transferência de tensão – Entrada nMOS

Tensão positiva de entrada – [V]

Te

nsã

o d

e s

aíd

a –

[V]



Curva de transferência de tensão

Tensão positiva de entrada – [V]

Te

nsã

o d

e s

aíd

a –

[V]



Avaliação da máxima excursão de modo comum de entrada

Menor tensão em VG1 (VG2)

Em saturação, o menor VDS1 é:

Assim:

Ou

Maior tensão em VG1 (VG2)



Modelo de pequenos sinais

Modelo exato



Modelo de pequenos sinais simplificado

usando as simetrias existentes no circuito

e



Ganho de transcondutância para o amplificador não carregado (RL = 0)

Se e então

ou

Ganho de tensão para o amplificador não carregado (RL = ∞)



Ganho de Modo Comum

O amplificador empregando um espelho de corrente como carga,

teoricamente deveria ter ganho de modo comum igual a zero.

VOUT

devido a

VICM

CM devido ao

caminho

M1-M3-M4

CM devido

ao caminho

M1-M2

= -

Devido ao descasamento entre os dois

caminhos o ganho de modo comum não é

nulo, mas aproxima-se de zero.


Projeto de um Amplificador Diferencial


Amplificador Diferencial - Projeto

Observações iniciais

• Projetar analiticamente as correntes de polarização e os valores de W/L de todos os transistores de um amplificador diferencial com carga ativa

• Simular o projeto para verificar o atendimento das especificações (DC, AC e TRAN).

• Ajustar o projeto até atender o desempenho pedido

• A topologia de entrada do par diferencial é com transistores PMOS!

• A tecnologia alvo é a AMIS 0,5 μm


Amplificador Diferencial - Projeto

Especificações

• VDD = - VSS = 1.65V

• CL = 2 pF

• Slew-Rate (SR) ≥ 30 V/μs (CL)

• Avd ≥ 100 V/V

• 0V ≥ ICMR ≥ -1,0V

• f-3dB ≥ 250 kHz (CL)

• PDis ≤ 1,5 mW

• Vin1 = VG1, Vin2 = VG2 e Vd = Vin1-Vin2

Parâmetros da tecnologia AMIS 0,5μm

• 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)

M5 VBB

CL

ID5

Figura I

M5 VBB

CL

ID5

M5 VBB

CLCL

ID5

Figura I


Escolha do modelo do dispositivo

• Até aqui, foi feita uma série de análises de

circuitos com MOST chegando a expressões

para

– Ganho

– Impedância de saída

– Limites de excursão de sinal

• Como se escolhe um modelo suficientemente

preciso para o MOST?


Escolha do modelo do dispositivo

• A escolha do modelo não uma tarefa muito simples

• Alguns princípios gerais podem ser seguidos– Quebrar o circuito em topologias semelhantes

• Utilizar o modelo mais simples possível para cada topologia (FCCC)

– Observar os blocos que o efeito de corpo precisa ser considerado

– Para o cálculo da polarização pode-se desconsiderar CLM e efeito de corpo

• Isto pode ser considerado depois – depois que comportamento básico foi entendido

– A simulação é uma ferramenta essencial • Os efeitos de canal curto não são facilmente modelados para uso em

cálculos manuais

– A utilização de modelos simples • permite uma melhor compreensão das relações causa x efeito

• auxilia na interpretação dos resultados de simulação


Determinação da Corrente de Polarização

Limite inferior• Definido pela maior taxa de variação da tensão

na saída• Depende da carga capacitiva - CL

– SR = (ID5 / CL) ≥ 30 (V / μs)– ID5 ≥ 30 x CL

– ID5 ≥ 60 μA

Limite superior• Limitada pela potência máxima dissipada

– PDISS ≤ 1,5 mW– PDISS = ID5 x (VDD – VSS)– ID5 ≤ 450 μA


M5 VBB

CL

ID5

Figura I

M5 VBB

CL

ID5

M5 VBB

CLCL

ID5

Figura I

Determinação da Corrente de Polarização

• A freqüência de corte depende da carga capacitiva (CL) e da resistência de saída (ro)

– ω-3dB = 1 / (rO x CL)

– f-3dB ≥ 250 kHz

– f-3dB = 1 / (2 x pi x rO x CL) ≥ 250 kHz

– rO ≤ 318 kΩ

• ro depende da corrente de polarização

– gds = λ x ID ⇒ rds = 1 / gds

– ro = = 2 / [ (λP + λN) x ID5] ≤ 318 kΩ

Novo Limite Inferior de ID5

– ID5 = 2 / [ (λP + λN) x rOUT ]

– ID5 ≥ 202 μA

• 450 μA ≥ID5 ≥ 202 μA

ID5 = 250 μA (Escolha)


M5 VBB

CL

ID5

Figura I

M5 VBB

CL

ID5

M5 VBB

CLCL

ID5

Figura I

Dimensionamento de M3 e M4

• A menor tensão de modo comum de entrada define os tamanhos de M3 e M4

• (W/L)3 = (W/L)4 ⇒ Menor ganho de modo comum

• Em M1 ⇒ VG1 = VICMR(min) = -1,0 V

• Para M1 estar saturadoVSD1min = VSG1 - |VTP1|

• Menor tensão em VG1VG1(min) = VSS + VGS3 + VSD1 – VSG1

• LogoVG1(min) = VSS + VGS3 + VSG1 - |VTP1| - VSG1

VGS3 = VG1(min) - VSS + |VTP1| = - 1 + 1.65 + 0.99

VGS3 = 1,64 V

• Assim,ID3 = ID5 / 2 = (KN / 2) x (W/L)3 x (VGS3 – VTN3)

2

(W/L)3 = ID5 / [KN x (VGS3 – VTN3)2]

(W/L)3 = 6,55 ⇒ (W/L)3 = (W/L)4 = 7


Dimensionamento de M1 e M2

• O ganho diferencial define o tamanho de M1 e M2

• O requisito de ganho é

– Avd = 100

• Como

– ID1 = ID5 / 2 e

• (W/L)1 = [Avdx(λP+λN)x(ID5/2)]^2/(2 x ID1 x KP)

(W/L)1 = 43,25 ⇒ (W/L)1 = (W/L)2 = 44


Dimensionamento de M5

• A tensão de modo comum máxima define o tamanho de M5

• O tamanho de M1 e sua corrente de polarização definem VGS1

VGS1 = - sqrt[(ID5 / (KP x (W/L)1)] - |VTP|

VGS1(max) = - 1.63 V

• Por especificação VICMR(max) = 0 VVG1(max) = VDD + VDS5(min) + VGS1

VDS5(min) = VG1(max) - VDD - VGS1

VSD5(min) = 0.02 V!!!!

A tensão de overdrive mínima em M5 é

muito pequena.

O circuito deve ser redimensionado!


Dimensionamento de M5

• A tensão de overdrive de M1/M2 é relativamente grande

|VOV1| = |VGS1| - |VTP| = 0,64 V

• Etratégia:– Reduzir esta tensão para aumentar a margem de

tensão em M5

– Para reduzi-la pela metade, é necessário quadruplicar (W/L)1,2

(W/L)1 = 44 ⇒ (W/L)’1 = (W/L)’2 = 176

– Novo V’GS1(max) = - 1,31 V


Redimensionamento de M5

• Por especificação VICMR(max) = 0 V

VG1(max) = VDD + VDS5(min) + VGS1

VDS5(min) = VG1(max) - VDD - VGS1

VSD5(min) = 0,34 V

• (W/L)5 = (2 x ID5) / [KP x (VDS5)2]

(W/L)5 = 311


Circuito final

• Próximo passo é

conferir o projeto

através da simulação

elétrica

• Redimensionar...

M5 VBB

CL

ID5

Figura I

M5 VBB

CL

ID5

M5 VBB

CLCL

ID5

Figura I

(474/1,5)

(264/1,5)

(10,5/1,5)


Arquivo Spice

Titulo: Amplificador Diferncial - DC

.include amis_c5n.txt

***Fontes de entrada

vin vin 0 dc 0

vip vip vin dc 0 AC 1 PULSE -100m 100m .01us .001us 0.001us .5us

***Fontes de alimentação

vdd vdd 0 dc 1.65

vss vss 0 dc -1.65

***Polarização

ibb ibb vss dc 250e-6

***Par diferencial

M1 ds1 vip 1 vdd CMOSP l=1.5u w=264u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p

M2 ds2 vin 1 vdd CMOSP l=1.5u w=264u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p

***Carga ativa

M3 ds1 ds1 vss vss CMOSN l=1.5u w=10.5u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p

M4 ds2 ds1 vss vss CMOSN l=1.5u w=10.5u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p

***Fonte de corrente de polarização

M5 1 ibb vdd vdd CMOSP l=1.5u w=474u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p

M6 ibb ibb vdd vdd CMOSP l=1.5u w=474u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p

vaux ds2 out 0

CL out 0 2pF

.control

dc vip -50mV 50mV 0.001V vin -1V 0V .2

let vo0 = v(ds2)[0, 99]

let vo1 = v(ds2)[100, 199]

let vo2 = v(ds2)[200, 299]

let vo3 = v(ds2)[300, 399]

let vo4 = v(ds2)[400, 499]

let vo5 = v(ds2)[500, 599]

**Tensão de saída para diferentes tensões de modo comum

plot vo0 vo1 vo2 vo3 vo4 vo5

**Ganho diferencial

plot deriv(vo0) deriv(vo1) deriv(vo2) deriv(vo3) deriv(vo4) deriv(vo5)

**Modo Comum

dc vin -1.65V 1.65V .05

plot v(ds2) v(1) deriv(v(ds2))

**Resposta em frequencia

set units=degree

ac dec 50 100 10meg

plot db(v(ds2)) ph(v(ds2))

**Transiente

tran 0.001us 1us

plot v(vip) v(ds2)

plot i(vaux)

.endc

.end


Simulação Inicial

Vid [V]

Vid [V]

Vcm [V]

f [Hz]

t [s]

t [s]

Vout [V]Vs1 [V]

Vds2

Acm

Vout [V]

Vid

Avd Icl [A]


Segunda Versão - Simulação

• Alternativa– Dobrar o L de M1 e M2 mantendo W/L constante

• Aumento da resistência de saída de M1 e M2 ⇒Aumento de ganho

Vid [V]Vid [V]

Vout [V]Avd


Exercício

• Projete as correntes de polarização e os valores de W/L de um par diferencial com espelho de corrente como carga, conforme o esquemático ao lado.

• Especificações:

– VDD = - VSS = 2,5V

– CL = 5 pF

– Slew-Rate (SR)≥ 10 V/μs (CL)

– Avd = 100 V/V

– 1,5V ≥ ICMR ≥ -0.7V

– f-3dB ≥ 100 kHz (CL)

– PDis = 2 mW

Tecnologia AMIS 0,5μm

• VTN = 0,63V

• VTP = -0,99V

• kN = 37,4 μA/V2

• kP = 13,9 μA/V2

• λN = 0,0091 1/V

• λP = 0,022 1/V

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