TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES1

CAP. 1AMPLIFICADORES

DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES2

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 LINEARES3

INTRODUÇÃO

DIAGRAMA EM BLOCOS

CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO

1O ESTÁGIO

(DIFERENCIAL)2O ESTÁGIO

ESTÁGIO DE SAÍDA

VI VO

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES4

ESPELHO DE CORRENTE MOS

M1 sempre saturado

IREF

=1

2k

n

' �WL �1�VGS

�Vt �

2

M2 saturado �V O�V

GS�V

t �

IO=

1

2k

n

' �WL �2�V GS

�Vt �

2

IO

IREF

=�W /L �2�W /L �1

1.1.1 Circuitos de Polarização: Correntes de referência

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES5

Efeito de VO sobre I

O

IO=1

2k n

' �WL �2�V GS�V t �

2�1�VDS

2

V A2�

IO

IREF

=�W /L �2�W /L �1 �1�

V O�V GS

VA

2�

RO=

V�O

I� O

=ro2=

VA2

IO

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES6

Circuito guia de corrente CMOS

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES7

Q2Q1

-VEE

IE1 IE2

IB1 IB2

IC1 IC2 =IO

IREFVO

ESPELHO DE CORRENTE COM TBJ

IC1 VCB =0

VBE1QVBE1

IREF ≈ IC1

Q1 ≡Q2

Q1 e Q2 na região ativa

Desprezando o Efeito Early:

IC1 = IC2 =IC

IB1 = IB2 =IB

IO

IREF

=1

1�2/ �Para β>>1

IO

IREF

�1

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES8

Considerando o efeito Early:

iC

vCE-VA

1/r0

VCEsat

IC=� I B �1�V CE

V A�

Q2Q1

VEE

IE1 IE2

IB1 IB2

IC1 IC2

=IO

IREFVO

IO

IREF

�1

1�2

�

�1�VO�V

EE

VA

�

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES9

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

R

VBE

+

-

IREF

Q1 Q2

IO

VO

I O=1

1�2/�� 1�

VO

V A�� V CC�V BE

R �

IREF

=V

CC�V

BE

R

VCC

ro�V

A/ I

OIO

Modelo equivalente CC, válido para Q2 na região ativa

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES10

Circuitos guias de corrente

IREF

=V

CC�V

EE�V

EB1�V

BE 2

R

Considerando todos os transistores idênticos e β muito alto:

I1=I

2=I

REF

I3=2I

REF

I4=3I

REF

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES11

1.1.2 Circuitos de Polarização: Tensões de referência

a) Diodo Zener

V REF=V Z0�I ZRZ

IZ=V CC�V REF

RZ

Parâmetros importantes:�Estabilidade com a fonte de alimentação�Impedância de saída�Estabilidade com temperatura

Características:�Estabilidade com VCC depende de IZ e RZ

�Impedância de saída �Estavel em temperatura para V

Z0~ 5,6 V

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES12

b) Bandgap

V REF=V BE1� IC1R3

V E2=VTln [� IC1/A1�/� IC2 /A2�]

R1=R3=9R2 A2=10A1

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

V REF=V BE1�2,3VTR1/R2

para V BE�0,7�V REF�1,24V

Características:�Tensão de referência igual ao �bandgap� de energia do semicondutor (~1,22 V para o Silicio)

�Soma de duas tensões com coeficiente de temperatura opostos�Alta estabilidade com temperatura�Adequada para baixas tensões de alimentação

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES13

1.2 Amplificador Diferencial com TBJ

Considerações iniciais:

�Fonte de corrente ideal

�Transistores e resistores casados

�Transistores na região ativa

�Resistência de saída do TBJ infinita

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES14

OPERAÇÃO COM GRANDES SINAIS

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES15

vE

Análise de grandes sinaisiE1=

IS

�e

�vB1�v

E �/V T

iE2=

IS

�e

� vB2�v

E � /V T

I=iE1�i

E2=

I S

�e

�v

E

VT �e

vB1

VT �e

vB2

VT �

iE1

I=

I

1�e [�vB2� vB1�/V T ]

iE2

I=

I

1�e[�v

B1�v

B2�/V

T]

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES16

OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS

�vi=(v

B1-v

B2) < 2V

T

�Temperatura ambiente

(~27ºC): VT = 25 mV

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES17

Curva de Transferência Característica:

α ≅ 1

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES18

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES19

Operação em MODO COMUM

�Entradas conectadas em

uma mesma tensão vCM

�Saídas independentes nos

coletores

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES20

Operação em MODO DIFERENCIAL

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES21

�v

id

2

RC

iR=0

RC

rπv1�

+

- gmv

1�

rπ+

v2�

-

R

vO1

+

- vO2

+

-

2mvg π

vid

2

CIRCUITO EQUIVALENTE DE PEQUENOS SINAIS

vo1=

vod

2v

o2=�

vod

2

vod=v

o1�v

o2

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES22

RC

vod

2

+

-gmv

1�

v1�

+

-

rπv

id

2

gm=

IC

V T

=I�

2VT

Análises de pequenos sinais

Ganho de modo diferencial

Saída diferencial (vo1

- vo2

): Saída 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 ELETRÔNICOS LINEARES23

Ganho de modo comum

vc1=vc2 =vocm

vicmvicm

RCRC

Q1

Q2

R

-VEE

VCC

I

VCC

RC RC

-VEE -VEE

2R 2R

vc1vc2

I/2 I/2

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES24

Meio circuito equivalente AC para análise de modo-comum

Acm=

vocm

v icm

Acm=�

gm RC

1�2gm R�1�1

� ���

R� C

2R

rπvπ

gmvπ

RC

2R

+

--

+

-

vocmvicm

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES25

CMRR: razão de rejeição de modo comum(considerando saida simples)

CMRR=�A

d

Acm

�=1

2 [1�2gmR �1�1

� o�]�gmR

CMRR�dB=20 log�

Ad

Acm

�

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

id) e uma de modo comum (v

icm)

vid=v

1�v

2

vicm=

v1�v

2

2v

o=A

dv

id�A

cmv

icm

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES26

Resistência de entrada de modo diferencial

Rid=

vid

ib�vicm=0

=2r�

Resistência de entrada de modo comum:

Ricm=

vicm

2ib�v

id=0

=1

2[r ��2R � ��1 � ]

Correntes de entrada (modos diferencial e comum):

ib1=

vid

R id

�v

icm

R icm

ib2=�

v id

Rid

�v icm

Ricm

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES27

Ricm

Rid

Ricm

1 21 2

Ricm /2 ≈ R(βO+1)

~ Rid/2 ~ Rid/2= rπ

Circuito equivalente de pequenos sinais para entrada de um amplificador diferencial

Modelo π Modelo T

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES28

1.7 O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA

A saída geralmente é acoplada a um estágio de baixa impedância que define a tensão v

o

vID

2�

vID

2I

-VEE

Q1

Q4

Q2

Q3

VCC

+

- VOiC2iC1

iOiC3

iC4

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

C

� menor área em CI� maior R

o maior A�

d

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES29

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

vID

2�

vID

2I

-VEE

Q1

Q4

Q2

Q3

VCC

+

- VOiC2iC1

iOiC3

iC4 iC1=

I

2�g

m

vid

2

iC2=

I

2�g

m

vid

2

iC1=i

C3=i

C4

iO=i

C4�i

C2=g

mv

id

Gm�

io

v id

=gm

Transcondutância em curto-circuito:

Análise DC:

R

TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES30

Ganho de tensão em circuito aberto

Modelo para pequenos sinais

+

-

Vid

Gm vid

RO vO

+

-

Ri

Ad=v

o

vid

=GmR

o

Ro=r

o2r

o4

ro2 �4 �=

VAn � p�

I /2g

m=

I /2

VT

Ad=1

V T � 1

V An

�1

V Ap�Acm=

�r o42R �1�gm r�3 /2�