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1 PGMicro MIC46 Projeto de Circuitos Integrados Analógicos MOS = Amplificador Operacional = Prof. Dr. Hamilton Klimach [email protected] UFRGS Escola de Engenharia Departamento de Eng. Elétrica H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 2 Sumário Introdução Aplicações básicas Características e Limitações Estrutura interna do AmpOp Efeitos da realimentação Projeto básico AmpOp folded-cascode Common-mode feedback

Apresentação do PowerPoint - chasqueweb.ufrgs.brhklimach/MIC46/MIC46_AmpOp.pdf · amplificador operacional Miller CMOS. O histograma apresenta a distribuição desta tensão sobre

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1

PGMicro – MIC46 Projeto de Circuitos Integrados Analógicos MOS

= Amplificador Operacional =

Prof. Dr. Hamilton Klimach [email protected] UFRGS – Escola de Engenharia

Departamento de Eng. Elétrica

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 2

Sumário

Introdução

Aplicações básicas

Características e Limitações

Estrutura interna do AmpOp

Efeitos da realimentação

Projeto básico

AmpOp folded-cascode

Common-mode feedback

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2

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 3

O que é?

Circuito analógico versátil

Vasta gama de aplicações Referências de corrente e tensão

Amplificadores de alta velocidade

Filtros e equalizadores

Osciladores

Amostradores e retentores

Conversores AD e DA

Reforçadores de sinal

Compressores e conformadores

Condicionadores de sinais

etc

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 4

O que é?

Implementação varia muito em complexidade

Desafios na implementação têm aumentado com redução de Vdd e consumo

Características básicas Ganho elevado

Entrada na forma diferencial

Alta impedância de entrada

Saída diferencial ou modo-comum

Pode oferecer baixa impedância de saída

Emprega realimentação para determinar o comportamento entrada X saída

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 5

O que é?

Originalmente, o AmpOp foi desenvolvido nos anos 50, ainda valvulado, visando a implementação de “operações matemáticas”, permitindo o processamento analógico de sinais (computadores analógicos) Multiplicação por constante (amplificação)

Soma (ou subtração)

Integração (ou diferenciação)

Produto (ou divisão)

Potência (ou raiz)

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 6

O que é?

George Philbrick

(1913-1974) K2-W: first opamp

(1952)

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 7

Aspectos Externos

Simbologia e conexões

Dois terminais de entrada (diferencial)

Um ou dois terminais de saída

Dois terminais de alimentação (simétrica ou unipolar)

Entradas Saída

Fontes de

Alimentação

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 8

Características Básicas

AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

-Ganho diferencial infinito (Ad)

-Impedância de entrada infinita (Ri)

-Impedância de saída zero (Ro)

AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

-Ganho diferencial alto

(Ad: 10.000 a 1.000.000)

-Impedância de entrada alta

(Bip: kΩ a MΩ; Mos: TΩ)

-Impedância de saída “baixa”

(c/ buffer: 10 Ω a 200 Ω; s/ buffer: kΩ)

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 9

Diagrama em Blocos

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 10

Diagrama em Blocos

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6

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 11

Diagrama em Blocos

Cada bloco de um AmpOp é dividido em subcircuitos simples, cada um realizando apenas uma função.

A união das funções dos subcircuitos estabelece a complexidade funcional do AmpOp.

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 12

Modelo Linear Ideal

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 13

Representação de Sinais

Representação de dois sinais V1 e V2 através da superposição de

dois sinais, um diferencial (Vd) e outro de modo comum (Vcm)

2

2

2

2

1

12

12

dcm

dcm

cm

d

vvv

vvv

vvv

vvv

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 14

Sumário

Introdução

Aplicações básicas

Características e Limitações

Estrutura interna do AmpOp

Efeitos da realimentação

Projeto básico

AmpOp folded-cascode

Common-mode feedback

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 15

Amplificador Inversor

Resistência de Entrada Infinita

Corrente de entrada “0”

OpAmp ideal

com ganho infinito

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 16

Amplificador Inversor

Com rede `T`: usa-se uma rede resistiva no lugar do resistor de realimentação.

Vantagem: operar com alto ganho empregando resistores de

realimentação não elevados!

OpAmp ideal

com ganho infinito

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9

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 17

Amplificador de Corrente

Baseado no circuito anterior.

• Impedância de entrada “0”

• Impedância de saída “infinita”

• Apresenta ganho de corrente

• MAS a carga R4 tem ser flutuante.

Carga

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 18

Amplificador Somador

Permite a soma ponderada de sinais com

diferentes pesos

OpAmp Ideal

com ganho infinito

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 19

Somador/Subtrator

Permite a soma de sinais com

pesos positivos (não inversor)

e negativos (inversor)

Qual a expressão de vo?

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 20

Amplificador Não-Inversor

Configuração Não Inversora Configuração Inversora

Quais são as diferenças entre as duas topologias?

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 21

Amplificador Não-Inversor

Seqüência de Análise

Considerando o como OpAmp ideal:

1. O Ganho infinito do OpAmp implica em tensão diferencial “0”

2. A tensão na entrada “+” é replicada para a entrada “-” (tensão diferencial “0”)

3. Calcula-se a corrente em R1

4. Corrente de entrada igual a “0”

5. A corrente em R2 é igual a R1

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 22

Seguidor de Tensão

Caso particular do amplificador não inversor

Tem ganho unitário

Tem por finalidade isolar a fonte de sinal da carga

Tem resistência de entrada infinita (Ideal)

Tem resistência de saída “0” (Ideal)

Circuito Modelo Elétrico

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 23

Amplificador Subtrator

Análise por Superposição

Efeito de vI1

Efeito de vI2

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 24

Amplificador Subtrator

Análise por Superposição

Efeito de vI1

Efeito de vI2

1

1

21

2 0

Io

I

vR

Rv

v

2

1

2

43

42

1

1

0

Io

I

vR

R

RR

Rv

v

1

1

22

1

2

43

4

21

1 IIo

ooo

vR

Rv

R

R

RR

Rv

vvv

12

1

2

1

1

22

3

43

43

4

1

1

22

1

2

43

4

1

2

3

4

1

R Fazendo

IIo

IIo

IIo

vvR

Rv

vR

Rv

R

RR

RR

Rv

vR

Rv

R

R

RR

Rv

R

R

R

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 25

Amplificador Subtrator

Impedância vista pela fonte diferencial

Rid = 2R1

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 26

Amplificador Subtrator

Análise do efeito da tensão de Modo Comum - vCM

0

Se

1

1

2

1

2

3

4

1

2

3

4

43

3

1

2

1

2

43

4

CM

d

CM

oCMCM

CMoCM

A

R

RA

R

R

R

R

R

R

R

R

RR

R

v

vA

vR

R

R

R

RR

Rv

CMR = Ad/ACM

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 27

Amplif. de Instrumentação

Configuração Inicial Configuração Melhorada

Versão Inicial:

1. A tensão de modo comum tem o

mesmo ganho que a tensão

diferencial no primeiro estágio

2. O Segundo Estágio é responsável

pelo CMR

Versão Melhorada:

1. A tensão de modo comum não é

amplificada (Gcm = 1) no primeiro

estágio, diminui a relação Vcm/Vd

2. O Segundo Estágio é responsável pelo

CMR

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 28

Amplif. de Instrumentação

Para promover a variação

de ganho o resistor 2R1

pode ser substituído pelo

conjunto ao lado.

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 29

Sumário

Introdução

Aplicações básicas

Características e Limitações

Estrutura interna do AmpOp

Efeitos da realimentação

Projeto básico

AmpOp folded-cascode

Common-mode feedback

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 30

Amplificador Ideal

Característica ideais de um amplificador de tensão: ganho linear e independente da frequência saída sem limites de excursão impedância de entrada infinita impedância de saída ‘zero’

iVo vAv

sinal vO RL vi

AMPL

VCC

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 31

Amplificador Real

Há uma parcela na saída que independe da entrada O ganho Av depende do sinal (amplitude e frequência),

da alimentação, da temperatura, da carga, etc A dependência de Av. com a frequência do sinal possui

partes linear e não-linear

,...,,

,...,,,,

CCL

CCLiVV

iVo

VTRVV

VTfRvAA

VvAv

sinal vO RL vi

AMPL

VCC

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 32

Amplificador Real

Amplificador Linear

A dependência da saída é linear com entrada

21 )( txyo u t

x

yout

Amplificador Não-Linear

A dependência da saída é NÃO linear com a entrada –

Realidade

O ganho varia com sinal de entrada

01

01

2

2

)( :linear oAproximaçã

)()()(

txy

txtxtxy

out

n

nout x

yout

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 33

Limitações x desempenho

Características “ideais”:

• Ganho Diferencial Infinito

• Impedância de Entrada Infinita

• Impedância de Saída Zero

• Ganho de Modo Comum Zero

OPAMP ideal não existe!

•Limitações do AmpOp não devem prejudicar

desempenho da aplicação

•Relação de compromisso: potência – velocidade – área –

excursão de sinal – tensão de alimentação – linearidade...

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 34

Modelo linear

Modelo Linear de um AmpOp

Obs.: as não-linearidades (nos ganhos Ad e Ac, SR, atrasos, etc) podem ser

incluídas no ‘bloco’ do ampop, se necessário.

2)( 21

21

vvAvvAv

vAvAv

cdout

ccddout

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 35

Características

Especificações

de um AmpOp ???

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 36

Características Estáticas

Limitações estáticas de um AmpOp:

Ganho diferencial finito (Ad)

Ganho modo-comum (Ac - CMRR)

Resistências de entrada e saída (Ri e Ro)

Tensão de off-set (Vos)

Correntes de polarização de entrada (IB)

Limites modo-comum de entrada (Vicm)

Distorção (não-linearidade)

Sensibilidade à fonte de alimentação (PSRR)

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 37

Características Dinâmicas

Características dinâmicas de um AmpOp:

Limitações não-lineares

Excursão máxima de saída (ΔVout_max)

Slew-rate (SR)

Limitações lineares

Pólos e zeros (resposta em frequência)

Capacitâncias de entrada e de saída

Ruído intrínseco

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 38

Ganho diferencial finito

Efeito do ganho diferencial finito no ganho do amplificador não-inversor

11

11

1

2

212

1

21

2

AR

RRR

R

v

v

ARR

R

A

v

v

in

out

in

out

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20

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 39

Ganho diferencial finito

Efeito do ganho diferencial finito no ganho do amplificador inversor)

AR

RR

R

v

v

A

vRiv

iR

A

vv

i

I

o

oo

oI

111

1

1

21

2

21

2

1

1

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 40

Tensão de Offset de Entrada

Idealmente, para entrada diferencial igual a zero a saída estaria em zero

Realmente, uma tensão surge quando as entradas são iguais, devido a desequilíbrios internos nos blocos que compõem o A. O.

Aplicando-se uma tensão diferencial às, entradas volta-se a zerar a saída!

Esta tensão é chamada de tensão de offset de entrada – Vos

Modelo para Vos

OpAmp com Vos de 5 mV

-

vId

+

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21

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 41

Tensão de Offset de Entrada

Simulação Monte Carlo da tensão de off-set de um

amplificador operacional Miller CMOS. O histograma

apresenta a distribuição desta tensão sobre 1000 amostras, em

intervalos de 0,5 mV. O desvio-padrão calculado é 2,1 mV. A

curva tracejada é a sua aproximação Gaussiana.

O valor informado como Vos

máximo de um AmpOp

representa o limite da faixa 3σ

(99,7% - neste exemplo é 6,3

mV).

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 42

Tensão de Offset de Entrada

Amplificador não inversor: efeito de Vos na saída

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 43

Tensão de Offset de Entrada

osIo VR

Rv

AR

RR

Rv

1

2

1

21

2 11

11

1

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 44

Correntes de Polarização

Idealmente seriam “0”

Resultam da necessidade de polarização dos transistores de entrada

Correntes de polarização de cada entrada: IB+ e IB-

Modelo para IB

No data sheet:

Corrente de polarização das entradas ( IB): representa a média das correntes nas duas entradas

Corrente de off-set ( IOS): representa a diferença entre as correntes nas duas entradas

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 45

Correntes de Polarização

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 46

Correntes de Polarização

BosIo IRVR

Rv

AR

RR

Rv 2

1

2

1

21

2 11

11

1

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 47

Reduzindo os efeitos de Ib pelo uso de R3.

Correntes de Polarização

2

21

221

2221

1

2

21

21221

21

213

1

23221

1

se-Fazendo

1

RIv

III

RIIv

RIRIv

R

R

RR

RRIRIv

RR

RRR

R

RRIRIv

OSo

BBOS

BBo

BBo

BBo

BBo

Corrente de Offset

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 48

Correntes de Polarização

BBosIo IRR

RIRV

R

Rv

AR

RR

Rv 3

1

22

1

2

1

21

2 111

11

1

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 49

Correntes de Polarização

Amplificador com Acoplamento Capacitivo

Reduz efeitos de Vos osIo

BB

BBosIo

ACCDCC

VvR

Rv

IIRR

IRIRVvR

Rv

XX

1

2

32

32

1

2

e :Se

0 e

:doConsideran

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 50

Correntes de Polarização

Por que o circuito não

funciona sem R3 !?!

Amplificador com Acoplamento Capacitivo

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26

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 51

Excursão Máxima de Saída

Amplificador não inversor com ganho Av = 10

A. O. utilizado satura a saída em ±13V (limitado pela alimentação de ± 15V)

Máxima amplitude de sinal de entrada para operação linear?

Re: vi(máx) = 1,3Vp ! Efeito não-linear:

DISTORÇÃO!!!

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 52

Slew Rate da Saída – SR

Seguidor de Tensão – G= 1 Excitação de entrada – Salto

Limitado pelo SR do OpAmp – Não Linear

Limitado pelo BW - Linear

Amplitude V

suficientemente

pequena!

“Reta” Exponencial

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 53

Slew Rate da Saída – SR

Efeito do SR na limitação da resposta para sinais senoidais

Efeito não-linear:

DISTORÇÃO!!!

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 54

Definição de Largura de Banda

Queda no ganho de -3dB (~30%)

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28

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 55

Resposta em Freqüência – Pólo

Rede Passa Baixas

1 pólo

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 56

Resposta em Freqüência – Zero

Rede Passa Altas

1 pólo + 1 zero

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 57

Resposta em Freqüência – Amplificadores

Amplificador com Acoplamento DC Amplificador com Acoplamento Capacitivo

Amplificador Sintonizado ou Passa Banda

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 58

Resposta em Freqüência

Modelo de polo dominate

Ganho DC

ou

de Laço Aberto

Aproximação boa para

maioria dos OpAmp!

Por que a maioria dos

OpAmp é projetado para

ter este tipo de Resposta

em Freqüência?

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30

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 59

Resposta em Freqüência

Amplificador NÃO Inversor – G = 10 Amplificador Inversor – G = 10

Freqüência de Corte – fc

Por que esta diferença?

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 60

Resposta em Freqüência

A largura de banda é

medida quando o ganho cai

-3dB

O ganho em laço aberto

tem uma banda plana

muito estreita

A operação em malha

fechada amplia a largura de

banda plana do

amplificador

MAS o ganho é reduzido!!!

Limitação de largura de Banda

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 61

Resposta em Freqüência

Largura de Banda (BW)

00

0

0

0

0

)1(1

1

1)(

)(1

)()(

1

)(

A

sA

AsA

sA

sAsA

s

AsA

F

F

L>1 L<1

Pólo único: produto ganho-faixa

(GBW) constante

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 62

Produto Ganho-Faixa GBW

Ganho X BW = Freqüência de Ganho Unitário do AmpOp

BW Largura de Banda

Este produto é conhecido como GBW (gain-bandwidth)

GBW é uma especificação do AmpOp (manual)

Ganho é fixado pelo usuário (rede de realimentação)

BW ≈ GBW / Ganho

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32

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 63

Realimentação x Ganho

AmpOps quase sempre operam sob realimentação negativa!

Razão: Fixar a relação entrada–saída através de componentes

externos (tornando-a independente do AmpOp)

Considerando-se um AmpOp ideal (Av = ∞) o ganho de um

amplificador como o abaixo pode ser ajustado apenas pela

razão de R2 e R1

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 64

Realimentação x Ganho

Um sistema realimentado pode ser representado por:

Caso Aβ >> 1, tem-se:

1

IN

OUT

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33

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 65

Realimentação x Ganho

Considerando-se que Av≠∞ (ganho diferencial finito), e

R2/R1=9, e que necessitamos de menos que 0,1% de erro de

ganho, qual o mínimo ganho diferencial necessário ao AmpOp?

Resposta: Av > 10.000

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 66

Realimentação x Frequência

Como o ganho do AmpOp

diminui com a frequência, o

erro de um amplificador

realimentado aumenta com

ela!!!

Como o ganho do AmpOp

diminui com a frequência, o

erro de um amplificador

realimentado aumenta com

ela!!!

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 67

Sumário

Introdução

Aplicações básicas

Características e Limitações

Estrutura interna do AmpOp

Efeitos da realimentação

Projeto básico

AmpOp folded-cascode

Common-mode feedback

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 68

Estrutura Interna

Cada bloco contribui com seu ganho e sua resposta em frequência

Especificações do projetista: Ganho, largura de banda, SR, área, consumo, potência,

excursões de sinal, ruído...

Deve ser estável para a realimentação utilizada (geralmente busca-se para a unitária)

Blocos que compõem um AmpOp

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35

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 69

Estrutura Interna

Blocos que compõem um AmpOp

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 70

Estrutura Interna

AmpOp CMOS

típico de 3

estágios

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36

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 71

Estrutura Interna

AmpOp CMOS 2

estágios (Miller)

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 72

Estrutura Interna

AmpOp CMOS 2 estágios (Miller)

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37

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 73

+

VTP+VON3

_

+

VTN+VON1

_

+

VON1

_

Estrutura Interna

Máx tensão entrada em

modo comum (Vin_max_cm)

TNONTPDDinMAXcm

ONTNON

ONTPDDinMAXcm

VVVVV

VVV

VVVV

3

11

3)(

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 74

+

VTN+VON1

_

+

VON5

_

Estrutura Interna

Min tensão entrada em

modo comum (Vin_min_cm)

51)( ONONTNinMINcm VVVV

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38

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 75

Estrutura Interna

Máx e min tensão saída

7

6

ONoutMIN

ONDDoutMAX

VV

VVV

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 76

Estrutura Interna

cindin

dsdsout

c

c

dsdsmdsdsmd

outIImIIoutImId

d

RR

rrR

MMMM

A

A

rrgrrgA

RgRgA

AAA

__

76

4321

766422,1

21

;

//

;

0todescasamen

0

////

Parâmetros lineares DC

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39

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 77

Estrutura Interna

64762

76

422

64421

42

4211

//

1

//

1

gddbdb

dsdsoutII

LoutIIp

gddbdb

dsdsoutI

outIp

CCCCC

rrR

CCCR

CCCCC

rrR

CACR

Parâmetros lineares AC

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 78

Estrutura Interna

46

43313

1313

33

////

1

Cg

CCCCC

rrgR

CR

mz

gsgsdbdb

dsdsmoutII

outIIIp

Parâmetros lineares AC

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40

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 79

Estrutura Interna

ωp1 ωp2

-90º

-180º

ω

Mag(L)

Fas(L)

ω(0dB)

Efeito dos pólos principais na MF

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 80

Estrutura Interna

Slew-Rate

Quando não há compensação

Miller, o SR é determinado no

nó de saída.

É assimétrico, porque:

• SR de subida é determinado

por M6, cujo bias depende da

entrada.

• SR de descida é determinado

por M7, que é uma fonte de

corrente fixa.

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41

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 81

Estrutura Interna

Slew-Rate Simétrico

• Fazendo-se M6=M7, ambos

terão o mesmo gm.

• Considerando que M8 e M9

formam um espelho, a

atuação do par diferencial

sobre o nó de saída fica

simétrica.

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 82

Estrutura Interna

Saída Diferencial

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42

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 83

Estrutura Interna

Saída Diferencial – Primeiro Estágio Cascode

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 84

Estrutura Interna

Gain Boosting

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43

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 85

Estrutura Interna

Gain Boosting

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 86

Estrutura Interna

Gain Boosting

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44

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 87

Sumário

Introdução

Aplicações básicas

Características e Limitações

Estrutura interna do AmpOp

Efeitos da realimentação

Projeto básico

AmpOp folded-cascode

Common-mode feedback

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 88

Estrutura Interna

Efeito dos pólos principais na MF

MF≈ 90º

ωp1 ωp2

-90º

-180º

ω

Mag(L)

Fas(L)

ω(0dB)

21

2

RR

R

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45

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 89

Estrutura Interna

Efeito dos pólos principais na MF

MF≈ 45º

ωp1 ωp2

-90º

-180º

ω

Mag(L)

Fas(L)

ω(0dB) 21

2

RR

R

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 90

Estrutura Interna

Efeito dos pólos principais na MF

ωp1 ωp2

-90º

-180º

ω

Mag(L)

Fas(L)

ω(0dB) 1

MF≈ 0º

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46

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 91

Realimentação

Comportamento

Dinâmico de um

AmpOp típico

compensado

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 92

Realimentação

MF≈ 0º

ωp1 ωp2

-90º

-180º

ω

Mag(L)

Fas(L)

ω(0dB)

Efeito de p2 na MF

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47

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 93

Realimentação

MF≈45º

ωp1 ωp2= ω(0dB)

-90º

-180º

ω

Mag(L)

Fas(L)

Efeito de p2 na MF

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 94

Realimentação

Efeito da “posição” de p2 em um AmpOp com 2 pólos

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48

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 95

Realimentação

Critérios de Estabilidade

• Aβ apresenta módulo e fase !!!

• Na frequência em que mag(Aβ)=1:

•Se φ(Aβ)=180° → MF = 0° → instável!

•Se φ(Aβ)=135° → MF = 45° → boa estabilidade relativa

•Se φ(Aβ)=120° → MF = 60° → ótima estabilidade relativa

•Se φ(Aβ)=90° → MF = 90° → sobreamortecido – lento!!!

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 96

Realimentação

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49

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 97

MF X tempo acomodação

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 98

Compensação

Compensação significa a inclusão de elementos ao circuito amplificador, visando melhorar seu comportamento dinâmico:

Aumento da estabilidade relativa (MF)

Redução de over-shoot

Redução de tempo de acomodação (settling-time)

Pode ser:

Interna (geralmente Miller)

Externa, no AmpOp

Externa, na rede de realimentação

Associação destas formas

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50

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 99

Compensação

O laço pode ser modificado (compensado), para que

aumente sua MF Compensação em Fase Compensação em Ganho

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 100

Compensação

Compensação Miller: split de pólos

MF

ω1 ω2

-90º

-180º

ω

Mag(L)

Fas(L)

ω(0dB)

ω1’ ω2’

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51

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 101

Compensação

Compensação Miller: realimentação capacitiva

ao redor de um amplificador inversor de alto

ganho:

Capacitor Miller (“zero” no SPD)

Capacitor Miller + Resistor – reduz o caminho

direto através do Cc (atenua o “zero” no SPD)

Capacitor Miller + Buffer (G ~ 1) – elimina o

caminho direto através do Cc (cancela o “zero” no

SPD)

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 102

Compensação

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52

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 103

Efeito Miller

CAC

CsACsvA

v

i

vZ

CsvAvi

Veq

ViV

i

i

ii

iVii

1

1

1

1

:Laplacepor Análise

Ocorre quando um amplificador inversor é

realimentado através de uma capacitância

-Av

C

vi

ii

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 104

Efeito Miller

Co

m

o

Cm

Cps

AsC

ps

AA

CAC

2

2

2

22

2

11)(

1

1

Observe que, como A2 depende de ω, o valor de Cm

também depende de ω.

-A2(ω)

Cc

vi

ii

Com CAC 21

Cm CC

2p 22 pA o

Co

m Cs

pAC 22

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53

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 105

Efeito Miller

oCI

o

oCI

oo

Co

m

mI

o

ACsR

psAsA

ps

ACsR

A

ps

AsA

Cps

AsC

CRp

ps

AsA

2

211

2

2

1

1

11

2

2

1

1

11

1

1)(

11

1)(

1)(

][1

1)(

Observe que, como A2 depende de ω, o valor de Ceq

também depende de f.

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 106

Efeito Miller

A associação entre Ro1 e Ceq define a resposta em

frequência do primeiro estágio

Se o ganho do segundo estágio fosse plano (sem

pólo), o primeiro estágio seria caracterizado por um

pólo em p1=1/(Ro1Ceq), devido ao efeito Miller

O pólo do segundo estágio faz com que, a partir de

p2, Ceq comece a reduzir (introduz um pólo em

Ceq(s))

Um pólo em Ceq corresponde a um zero em p1 e um

zero em Ceq corresponde a um pólo em p1

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54

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 107

Efeito Miller

O efeito Miller faz com que

o pólo original do primeiro estágio fique reduzido para

uma frequência menor (p’1≈p1/A2o)

um zero (z’1) seja criado na resposta do primeiro estágio,

exatamente na frequência do pólo do segundo estágio,

cancelando-o

um pólo (p’’1) seja criado na resposta do primeiro

estágio, na frequência onde o efeito Miller desaparece,

ou seja, quando A2 passa a ter ganho unitário

um novo zero (z1) surge no SPD devido a Cc em gm6/Cc

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 108

Efeito Miller

Sem efeito Miller

Com efeito

Miller

Sem efeito Miller

Com efeito

Miller

Realimentação Unitária

0 dB

Cm

Co

Cgz

pAp

pz

ACRp

61

2021

21

021

1

1

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55

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 109

Cancelamento do ‘zero’ do SPD com buffer

Cancelamento do ‘zero’ do SPD por ‘p2’

Efeito Miller

Rz é calculado para mover o ‘zero’ do

SPD para o SPE, sendo colocado sobre

p2

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 110

Sumário

Introdução

Aplicações básicas

Características e Limitações

Estrutura interna do AmpOp

Efeitos da realimentação

Projeto básico

AmpOp folded-cascode

Common-mode feedback

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56

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 111

Capacitâncias Envolvidas

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 112

Modelo para Sinais

Modelo de Pequenos sinais simplificado

Modelo de Pequenos sinais

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57

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 113

Modelo para Sinais

Através do equacionamento dos nós do modelo de pequenos sinais simplificado, encontra-se sua função de transferência do ganho

p1 deve ser projetado para ser o pólo dominante

p2 deve ser projetado para atender a MF desejada

z1 deve-se evitar que seja significativo, pois é um zero no SPD (impacto na estabilidade)

Onde:

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 114

Split de Pólos

Antes da Compensação

Depois da

Compensação

Antes da

Compensação

Depois da

Compensação

Realimentação Unitária

0 dB

Objetivos

Forçar uma

característica de 1a

ordem na resposta em

frequência do OpAmp

até GB (ganho unitário)

-20dB/dec

Giro de fase 90o

Característica de pólo

dominante

Atender à MF requerida

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58

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 115

Estratérgia de Projeto

A freqüência de ganho unitário (0 dB) GB é dada por:

Para uma MF = 45o temos:

Considerando ω0dB = GB e assumindo que z ≥ 10 GB temos

Recalculando, para uma MF = 60o temos:

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 116

Estratérgia de Projeto

Estimando Cc para uma MF = 60o:

c

mI

c

mII

C

gGB

C

gz e

LC

C

mI

L

mII

L

mII

CC

C

g

C

gGB

C

gp

22,0

2,22,22

Observação:

para o zero “não atrapalhar”

para a MF=60º

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59

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 117

Eqs. de Projeto

Relações importantes

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 118

Eqs. de Projeto

Estas relações

presumem todos

os transistores

operando em

saturação!

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60

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 119

Especificações

Para o projeto de um OpAmp com compensação Miller considera-se a seguinte especificação:

Ganho em DC, Av(0)

Largura de Banda, GB

Faixa de tensão de entrada modo comum, ICMR (input common-mode range)

Capacitância de carga, CL

Slew-rate, SR

Excursão de tensão de saída (Voutmax e Voutmin)

Potência dissipada, Pdiss

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 120

OpAmp Miller – Projeto

Visão geral do procedimento de projeto

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61

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 121

OpAmp Miller – Projeto

Escolha o L inicial a ser utilizado a fim de obter o parâmetro λ

Determine o valor do Cc

Polo p2 2,2 x GB fornece uma MF ≥ 60o

Zero z1 (SPD) colocado a pelo menos 10 x GB

Cc ≥ 0,22 CL

Determine I5 utilizando o SR requerido

I5 = SR x Cc

Se o SR não for fornecido, empregue informações relacionadas ao settling time. 10 vezes mais rápido que o ts requerido para 50% da excursão.

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 122

OpAmp Miller – Projeto

Determinação da dimensão de M3

Excursão máxima de CM de entrada

O dimensionamento de M1 e M2 obedece os

requisitos dados por pelo ganho e GB

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62

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 123

OpAmp Miller – Projeto

Dimensionamento de M5

Requisitos de ICMR mínimo

Se o VDS5 for muito baixo (<100mV), o transistor fica

muito grande e fora de SI.

Se VDS5 <0, ICMR mínimo não pode ser atingido.

Solução: Aumentar o tamanho de M1 e M2.

Isto reduz VGS de M1 e M2. Sobra mais “espaço” de tensão

para excursão de M5.

Isto impacta nos passos anteriores

Passos anteriores devem ser revistos

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 124

OpAmp Miller – Projeto

Dimensionamento de M6

Define a posição do polo p2

MF 60o implica em p2 ≥ 2,2GB

O tamanho de M3 é conhecido

Para uma condição balanceada (VSG6= VSG3)

I6 é definida pelo espelhamento da corrente do primeiro estágio para a carga e pela excursão de saída.

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63

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 125

OpAmp Miller – Projeto

A corrente I6 e o tamanho de M6 devem

também satisfazer o quesito ‘excursão de

saída’

A potência dissipada deve ser verificada, pois

normalmente o segundo estágio é que mais

consome

Dimensionamento de M7

Balanceamento de corrente

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 126

OpAmp Miller – Projeto

Aqui fecha a primeira rodada de projeto, ou

seja, de definição dos W/L dos transistores

Agora vem a parte de verificação do projeto

Atende ou não as especificações

Checagem do ganho

O ganho pode ser ajustado através do ‘L’ dos

transistores que servem de carga ativa

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64

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 127

OpAmp Miller – Projeto

Se o ganho estiver muito baixo

Vários pontos podem ser alterados para melhorá-lo

Correlação entre as características dos dispositivos e o desempenho global

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 128

Sumário

Introdução

Aplicações básicas

Características e Limitações

Estrutura interna do AmpOp

Efeitos da realimentação

Projeto básico

AmpOp folded-cascode

Common-mode feedback

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65

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 129

OpAmp Folded-Cascode

(a) saída modo-comum com espelho

(b) saída diferencial com carga-ativa

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 130

OpAmp Folded-Cascode

Av e Rout do amplificador diferencial cascode

outm

in

outd

out

m

in

outdX

outoutYoutX

dsmdsdsmdsoutX

Rgv

vA

Rg

v

vA

RRR

rgrrgrR

2,1

2,11

557331

2

//

Page 66: Apresentação do PowerPoint - chasqueweb.ufrgs.brhklimach/MIC46/MIC46_AmpOp.pdf · amplificador operacional Miller CMOS. O histograma apresenta a distribuição desta tensão sobre

66

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 131

OpAmp Folded-Cascode

VoutMIN é limitada por Vin_cm

VinMAXcm é limitada por VoutMIN

TNONONONDDinMAXcm

outoutMAXoutMIN

TNONoutMINinMAXcm

ONONTNinMINcm

cminTNONoutMIN

ONONDDoutMAX

VVVVVV

VVVV

VVVV

VVVV

VVVV

VVVV

357

3

91

_3

57

0 :para

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 132

OpAmp Folded-Cascode

Av e Rout do amplificador diferencial folded-cascode

outm

in

outd

dsmdsdsdsmdsout

Rgv

vA

rgrrrgrR

2,1

9771533 ////

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67

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 133

OpAmp Folded-Cascode

VinMAXcm é apenas limitada pelo VON de M5,6 e

independe de Vout

TNONDDinMAXcm

ONONTNinMINcm

VVVV

VVVV

5

111

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 134

OpAmp Folded-Cascode

Vout é apenas limitada pelo VON de M3~10 e independe

de Vin

97

35

ONONoutMIN

ONONDDoutMAX

VVV

VVVV

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68

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 135

OpAmp Folded-Cascode

Polarização:

2

1110,96,5

III

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 136

OpAmp Folded-Cascode

Com saída modo-comum e espelho como carga

outm

in

outd

dsmdsdsdsmdsout

Rgv

vA

rgrrrgrR

2,1

86621044 ////

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69

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 137

OpAmp Folded-Cascode

Slew-rate

Para M3 não cortar, SSP II

L

SS

C

ISR

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 138

Slew-rate

Para M4 não cortar,

OpAmp Folded-Cascode

SSP II

L

SS

C

ISR

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70

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 139

Sumário

Introdução

Aplicações básicas

Características e Limitações

Estrutura interna do AmpOp

Efeitos da realimentação

Projeto básico

AmpOp folded-cascode

Common-mode feedback

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 140

Devido ao elevado

ganho diferencial, os

pequenos descasamentos

entre transistores tornam

a fixação dos níveis DC

em X e Y impossível

Common-mode feedback

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 141

Quando há caminhos de realimentação DC, estes

podem ajudar a definir os níveis DC de saída

Common-mode feedback

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 142

Em outros casos, o uso de um laço de realimentação

CM DC ajuda a estabilizar os valores Vout1 e Vout2

Common-mode feedback

CUIDADO: este laço

de realimentação pode

prejudicar a

estabilidade do AmpOp

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 143

Para isso, é necessário medir o valor CM DC de

Vout1 e Vout2: diretamente dos nós de saída

Common-mode feedback

CUIDADO: carregamento

reduz Rout, prejudicando

ganho Av

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 144

Para isso, é necessário medir o valor CM DC de

Vout1 e Vout2: através de seguidores de tensão

Common-mode feedback

CUIDADO: Vout1,2 é

medido deslocado por

VGS7,8

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 145

Para isso, é necessário medir o valor CM DC de

Vout1 e Vout2: através de MOSFETs em triodo

Common-mode feedback

•Usa-se M7,8 em deep-triode, de

forma que representem resistências

controladas por VGS7,8

•A resistência paralela em ‘P’ varia

pouco com a saída diferencial,

sendo muito sensível ao seu valor

modo-comum

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 146

Realimentação do valor CM DC de Vout1 e Vout2

para ajustar a polarização dos ramos de saída

Common-mode feedback

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 147

Realimentação do valor

CM DC de Vout1 e

Vout2 para ajustar a

polarização dos ramos

de saída com

MOSFETs em triodo

Common-mode feedback

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 148

Realimentação do valor CM DC de Vout1 e Vout2

para ajustar a polarização do par diferencial de

entrada

Common-mode feedback

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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 149

Realimentação do valor CM DC de Vout1 e Vout2

para ajustar a polarização do par diferencial de

entrada, com MOSFETs em triodo

Common-mode feedback