CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE .~ 5,6 v te 054 circuitos eletrÔnicos lineares 12 b) bandgap

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  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES1

    CAP. 1AMPLIFICADORES

    DIFERENCIAIS E DE MLTIPLOS ESTGIOS

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES2

    OBJETIVOS Analisar a operao do amplificador diferencial

    Entender o significado de tenso de modo diferencial e de modo comum

    Determinar as caractersticas de pequenos sinais do amplificador diferencial

    Analisar e projetar amplificadores diferenciais com cargas ativas

    Analisar e projetar amplificadores com mltiplos estgios

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES3

    INTRODUO

    DIAGRAMA EM BLOCOS

    CIRCUITO DE POLARIZAO

    1O ESTGIO

    (DIFERENCIAL)2O ESTGIO

    ESTGIO DE SADA

    VI VO

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES4

    ESPELHO DE CORRENTE MOS

    M1 sempre saturado

    IREF

    =1

    2k

    n

    ' WL 1 VGSV t 2

    M2 saturado V OV GSV t

    IO=

    1

    2k

    n

    ' WL 2 V GSV t 2

    IO

    IREF

    =W /L 2W /L 1

    1.1.1 Circuitos de Polarizao: Correntes de referncia

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES5

    Efeito de VO sobre I

    O

    IO=1

    2k n

    ' WL 2 V GSV t 21V DS2V A

    2

    IO

    IREF

    =W /L 2W /L 1 1

    V OV GSV

    A2

    RO=

    VO

    I O=r

    o2=

    VA2

    IO

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES6

    Circuito guia de corrente CMOS

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES7

    Q2Q1

    -VEE

    IE1 IE2IB1 IB2

    IC1 IC2 =IO

    IREFVO

    ESPELHO DE CORRENTE COM TBJ

    IC1 VCB =0

    VBE1QVBE1

    IREF IC1

    Q1 Q2

    Q1 e Q2 na regio ativa

    Desprezando o Efeito Early:

    IC1 = IC2 =IC

    IB1 = IB2 =IB

    IO

    IREF=

    1

    12/ Para >>1

    IO

    IREF1

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES8

    Considerando o efeito Early:

    iC

    vCE-VA

    1/r0

    VCEsat

    IC= I B 1V CEV A

    Q2Q1

    VEE

    IE1 IE2IB1 IB2

    IC1 IC2 =IO

    IREFVO

    IO

    IREF

    1

    12

    1VOV EEVA

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES9

    Exemplo de fonte de corrente a partir de uma fonte de tenso:

    R

    VBE

    +

    -

    IREF

    Q1 Q2

    IOVO

    I O=1

    12/ 1VOV A

    V CCV BER

    IREF

    =V

    CCV

    BE

    R

    VCC

    roV

    A/ I

    OIO

    Modelo equivalente CC, vlido para Q2 na regio ativa

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES10

    Circuitos guias de corrente

    IREF

    =V

    CCV

    EEV

    EB1V

    BE 2

    R

    Considerando todos os transistores idnticos e muito alto:

    I1=I

    2=I

    REF

    I3=2I

    REF

    I4=3I

    REF

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES11

    1.1.2 Circuitos de Polarizao: Tenses de referncia

    a) Diodo Zener

    V REF=V Z0I ZRZ

    IZ=V CCV REF

    RZ

    Parmetros importantes:Estabilidade com a fonte de alimentaoImpedncia de sadaEstabilidade com temperatura

    Caractersticas:Estabilidade com VCC depende de IZ e RZImpedncia de sada Estavel em temperatura para VZ0 ~ 5,6 V

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES12

    b) Bandgap

    V REF=V BE1 IC1R3V E2=VTln [ IC1/A1/ IC2 /A2]

    R1=R3=9R2 A2=10A1

    V E2=VTln [10 ]=2,3VT

    V REF=V BE12,3VTR1/R2

    para V BE0,7V REF1,24V

    Caractersticas:Tenso de referncia igual ao bandgap de energia do semicondutor (~1,22 V para o Silicio)

    Soma de duas tenses com coeficiente de temperatura opostosAlta estabilidade com temperaturaAdequada para baixas tenses de alimentao

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES13

    1.2 Amplificador Diferencial com TBJ

    Consideraes iniciais:

    Fonte de corrente ideal

    Transistores e resistores casados

    Transistores na regio ativa

    Resistncia de sada do TBJ infinita

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES14

    OPERAO COM GRANDES SINAIS

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES15

    vE

    Anlise de grandes sinaisiE1=

    IS

    e

    vB1vE /V T

    iE2=

    IS

    e

    vB2vE /V T

    I=iE1i

    E2=

    I S

    e

    v

    E

    VT e

    vB1

    VT e

    vB2

    VT

    iE1

    I=

    I

    1e [vB2 vB1/V T ]

    iE2

    I=

    I

    1e[v

    B1v

    B2/V

    T]

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES16

    OPERAO COM PEQUENOS SINAIS

    vi=(v

    B1-v

    B2) < 2V

    T

    Temperatura ambiente

    (~27C): VT = 25 mV

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES17

    Curva de Transferncia Caracterstica:

    1

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES18

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES19

    Operao em MODO COMUM

    Entradas conectadas em

    uma mesma tenso vCM

    Sadas independentes nos

    coletores

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES20

    Operao em MODO DIFERENCIAL

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES21

    v

    id

    2

    RC

    iR=0

    RC

    rv 1+

    - gmv

    1

    r+

    v2

    -

    R

    vO1+

    - vO2+

    -

    2mvg

    vid

    2

    CIRCUITO EQUIVALENTE DE PEQUENOS SINAIS

    vo1=

    vod

    2v

    o2=

    vod

    2

    vod=v

    o1v

    o2

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES22

    RCv

    od

    2

    +

    -gmv

    1

    v1

    +

    -

    rv

    id

    2

    gm=

    IC

    V T=

    I

    2VT

    Anlises de pequenos sinais

    Ganho de modo diferencial

    Sada diferencial (vo1

    - vo2

    ): Sada simples ou modo comum (v

    o1 ou v

    o2):

    Ad1=vo1

    vid=

    1

    2gm RC

    Ad2=vo2

    v id=

    1

    2gmRC

    Add=vod

    v id=gmRC

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES23

    Ganho de modo comum

    vc1=vc2 =vocm

    vicmvicm

    RCRC

    Q1

    Q2

    R

    -VEE

    VCC

    I

    VCC

    RC RC

    -VEE -VEE

    2R 2R

    vc1 vc2

    I/2 I/2

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES24

    Meio circuito equivalente AC para anlise de modo-comum

    Acm=

    vocm

    v icm

    Acm=

    gm RC

    12gm R11

    R C

    2R

    rv

    gmvRC

    2R

    +

    --

    +

    -

    vocmvicm

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES25

    CMRR: razo de rejeio de modo comum(considerando saida simples)

    CMRR=A

    d

    Acm=

    1

    2 [12gmR 11 o ]gmR

    CMRRdB=20 log

    Ad

    Acm

    Obs: Os sinais de entrada contm usualmente uma componente de modo diferencial (v

    id) e uma de modo comum (v

    icm)

    vid=v

    1v

    2

    vicm=

    v1v

    2

    2v

    o=A

    dv

    idA

    cmv

    icm

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES26

    Resistncia de entrada de modo diferencial

    Rid=

    vid

    ibvicm=0

    =2r

    Resistncia de entrada de modo comum:

    Ricm=

    vicm

    2ibv

    id=0=

    1

    2[r 2R 1 ]

    Correntes de entrada (modos diferencial e comum):

    ib1=

    vid

    R id

    vicm

    R icm

    ib2=

    v id

    Rid

    v icm

    Ricm

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES27

    Ricm

    Rid

    Ricm

    1 21 2

    Ricm /2 R(O+1)

    ~ Rid/2 ~ Rid/2= r

    Circuito equivalente de pequenos sinais para entrada de um amplificador diferencial

    Modelo Modelo T

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES28

    1.7 O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA

    A sada geralmente acoplada a um estgio de baixa impedncia que define a tenso v

    o

    vID

    2

    vID

    2I

    -VEE

    Q1

    Q4

    Q2

    Q3

    VCC

    +

    - VOiC2iC1

    iOiC3iC4

    Utiliza-se apenas uma sadaEspelho de corrente com transistores PNP substituem R

    C

    menor rea em CI maior R

    o maior A

    d

  • TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES29

    1.7 O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA

    Q1 Q2 e Q3 Q4 Vo tal que Q2 e Q4 operam na regio ativa

    IB desprezvel

    vID

    2

    vID

    2I

    -VEE

    Q1

    Q4

    Q2

    Q3

    VCC

    +

    - VOiC2iC1

    iOiC3iC4 i

    C1=

    I

    2g

    m

    vid

    2

    iC2=

    I

    2g

    m

    vid

    2

    iC1=i

    C3=i

    C4

    iO=i

    C4i

    C2=g

    mv

    id

    Gm

    io

    v id=g

    m

    Transcondutncia em curto-circuito:

    Anlise DC:

    R

    TE 054 CIRCUITOS ELETRNICOS LINEARES30

    Ganho de tenso em circuito aberto

    Modelo para pequenos sinais

    +

    -

    Vid

    Gm vid

    RO vO

    +

    -

    Ri

    Ad=v

    o

    vid=G

    mR

    o

    Ro=r

    o2r

    o4

    ro2 4 =

    VAn p

    I /2g

    m=

    I /2

    VT

    Ad=1

    V T 1V An1

    V Ap Acm=r o4

    2R 1gm r3 /2