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
1.1 CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO
ESPELHO DE CORRENTE MOS
M1 sempre saturado
2
12
1SBPnREF VV
L
WkI
M2 saturado tGSO VVV
2
22
1SBPnO VV
L
WkI
1
2
LW
LW
I
I
REF
O
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES5
Efeito de VO sobre IO
2
212
1 2
2 A
DSSBPnO V
VVV
L
WkI
2
11
2
A
GSO
REF
O
V
VV
LW
LW
I
I
O
Ao
O
OO I
Vr
I
VR 2
2
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
Q2 na região ativa
Efeito Early desprezível
IC1 = IC2=IC
IB1 = IB2=IB
21
1
REF
O
I
IPara >>11
REF
O
I
I
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES8
Considerando o efeito Early
iC
vCE-VA
1/r0
VCEsat
A
CEVv
SC V
VeII T
BE
1
Q2Q1
-VEE
IE1 IE2
IB1 IB2
IC1 IC2=IO
IREFVO
A
BE
A
EEO
REF
O
VV
1
VVV
1
211
II
A
BEEEO
REF
O
V
VVV1
21
1
I
I
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES9
Uma fonte de corrente simples
R
VBE
+
-
IREF
Q1 Q2
IO
VO
R
VV
V
VVI BECC
A
BEOO
1
21
1
R
VVI BECCREF
VCC
OAo IVr IO
Modelo equivalente CC, válido para Q2 na região ativa
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES10
Circuitos guias de corrente
R
VVVVI BEEBEECCREF
21
Considerando todos os transistores idênticos e muito alto:
REF
REF
REF
II
II
III
3
2
4
3
21
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES11
1.2 AMPLIFICADOR CASCODE
AMPLIFICADOR CASCODE MOS
Modelo de pequenos sinais
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES12
Modelo de pequenos sinais para determinação de Ro
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES13
AMPLIFICADOR CASCODE TBJ
Ex.: Determinar a resistência de saída
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES14
AMPLIFICADOR “FOLDED” CASCODE
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES15
1.3 CONFIGURAÇÃO DARLINGTON
Mostre que D = 1 2
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES16
Seguidor de tensão usando a Configuração Darlington
Fonte I para garantir 1 elevado
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES17
1.4 CONFIGURAÇÃO CC-BC e DC-GC
Análise
Coletor comum – base comum
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES18
Dreno comum – porta comum
Análise
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES19
Espelho cascode MOS
1.5 Circuitos Melhorados de Espelhos de Corrente
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES20
Espelho de corrente com compensação da corrente de base
EREF II
21
2
1
Eo II1
221
1
REF
O
I
I
221
1
REF
O
I
I
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES21
Espelho de corrente de Wilson
Q2 Q1
IREF
Q3
IO
221
12
REF
O
I
I
221
1
REF
O
I
I
A vantagem deste espelho de corrente é sua maior resistência de saída RO
2o
O
rR
Problema: erro devido ao efeito Early
BECE
BECE
VV
VV
22
1
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES22
Espelho de corrente de Wilson melhorado
Q1Q2
Q3Q4
IOIREF
VBE
VBEVBE
+ +
+
- -
-
BECECE VVV 21
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES23
Fonte de corrente de Widlar
OEBE2BE1 IRVV
S
O2
S
REFT1
I
Iln
I
Iln
TBE
BE
VV
VV
O
REFTO I
IVIR ln2
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES24
Exemplo:VCC=10V;IO=10A
a) Fonte de corrente simplesAssumindo VBE=0.6V
b)Fonte de corrente de WidlarEscolhendo IREF=1mA
11.5KΩ10
10ln
A1025mV
R
9.3KΩ1
0.710R
3
2
1
Q1 Q2
VBE2+-
VBE1-
+R2
R1I1 IO
VCC
Q1 Q2
R
VBE
+
-
IREF
Q1 Q2
IO
VO
k940μ10
6010R
A
.
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES25
rv
gmv
r
o
RE
+
-- vx
Resistência de saída da fonte de corrente de Widlar
oEmEO
E
oE
m
x
xO
Emmx
oE
mx
rRgRR
R
rR
g
i
vR
vR
gvgi
rvR
gvv
1
1
1
1
1
oEmO rRgR )1(
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES26
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 LINEARES27
TENSÃO DE MODO COMUM
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES28
OPERAÇÃO COM GRANDES SINAIS
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES29
vE
Análise de grandes sinais TEB VvvSE e
Ii 1
1 TEB VvvS
E eI
i 22
T
B
T
B
T
E
V
v
V
v
V
v
SEE eee
IiiI
21
21
TBB
TBB
VvvE
VvvE
eI
ieI
i
21
12
1
1
2
1
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES30
CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA
1
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES31
1.6.2 PAR DIFERENCIAL COM TRANSISTOR MOS
Q1 Q2
Q1 e Q2 saturadosFonte de corrente idealVA
)1(2121 idGSGSGG vvvvv
)2(2
1 2)2(1)2(1 tGSnD Vv
L
Wki
)3(21 Iii DD
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES32
Combinando as equações 1, 2 e 3 e considerando que no ponto quiescente
2
)2(1
21
22
tGS
idid
tGSD VV
vv
VV
IIi
GSGSGSDD VvvI
ii 2121 2
tem-se
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES33
Característica de transferência normalizada do par diferencial MOS
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES34
1.6.3 OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES35
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES36
SEPARAÇÃO DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL EM DUAS METADES
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES37
2
vid
RC
iR=0
RC
r1v
+
- 1mvg
r+
2v-
R
vO1
+
- vO2
+-
2mvg 2
vid
CIRCUITO EQUIVALENTE DE PEQUENOS SINAIS
22 21od
ood
o
vv
vv
21 oood vvv
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES38
RC2
vod+
-1mvg
1v
+
-
r2
vid
Cmid
odd Rg
V
VA
TT
Cm V
I
V
Ig
2
Análise de pequenos sinais
Ganho de modo diferencial
Obs.: Se a saída tomada for simples o ganho diferencial será:
Cmid
od Rg
V
VA
2
11
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES39
icm
ocmcm V
VA 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 LINEARES40
Meio circuito equivalente AC para análise de modo-comum
R
R
Rg
RgA
v
vA
C
m
Cmcm
icm
ocmcm
21121
r v
gmv
RC
2R
+
--
+
-
vocmvicm
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES41
CMRR: razão de rejeição de modo comum
cm
ddB
mo
mcm
d
A
ACMRR
RgRgA
ACMRR
log20
1121
2
1
Os sinais de entrada contêm usualmente uma componente de modo diferencial e uma de modo comum
icmcmiddo
icm
id
vAvAv
vvv
vvv
221
21
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES42
Resistência de entrada de modo diferencial
ri
vR
icmvb
idid 2
0
Resistência de entrada de modo comum
122
1
20
Rri
vR
idvb
icmicm
As correntes de pequenos sinais que fluem quando tensões diferenciais e de modo comum são aplicadas são
icm
icm
id
idb
icm
icm
id
idb
R
v
R
vi
R
v
R
vi
2
1
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES43
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 diferencial
Modelo Modelo T
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES44
RCRC
Q1 Q2
+VCC
+ vo -
vs
RS
RE RE
R I
Exemplo
VCC = 15 VRC = 10 kRE = 150 R = 200kI = 1 mA
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES45
+VDD
vo1 vo2
+ -vod
RD
Q1 Q 2
-VSS
I
v2v1
RD
1.6.4 OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS DO AMP. DIF. MOS
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES46
Operação em pequenos sinais do amp. dif. MOS
2
)2(1
21
22
tGS
idid
tGSD VV
vv
VV
IIi
tGSid VVv
2
22)2(1id
tGSD
v
VV
IIi
2id
md
vgi
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES47
Ganho de modo diferencial
Dmid
odd Rg
v
vA
vid
2
RD
Vod/2
Q1
Considerando saída simples: Dmid
odd Rg
v
vA
2
1
Vod/2
+
-gmvid/2 RD
Vid/2+
-
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES48
Ganho de modo comum (considerando saída simples)
vic
RD
2 R
R
RA Dcm 2
Vocm
+
-
gmvgs RDVicm
2R
+
-
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES49
CMRR (considerando saída simples)
RgCMRR m
Resistência de entrada de modo diferencial
idR
Resistência de entrada de modo comum
icmR
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES50
1.6.5 CARACTERÍSTICAS NÃO IDEAIS DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
Tensão de offset (VOS)
-VEE
VOS
+
-
RC2RC1
Q2Q1
VCC
0V
-VEE
RC1 RC2VOD +-
Q1 Q2
VCC
I I
VOS é a tensão que deve ser aplicada à entrada de modo que a tensão na saída seja igual a zero
d
ODOS A
VV
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES51
VOS é devida ao descasamento nos resistores e nos transistores
2
2
2
1
CCC
CCC
RRR
RRR
ANÁLISE
1) Descasamento nos resistores e transistores casados
22
22
2
1
CCCCC
CCCCC
RR
IVV
RR
IVV
CCCOD RI
VVV 212
Cm
C
d
ODOS Rg
RI
A
VV
2
C
CTOS R
RVV
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES52
2) Descasamento nos transistores e resistores casados
2
2
2
1
SSS
SSS
III
III
S
SE
S
SE
I
III
I
III
21
2
21
2
2
1
CS
SOD R
I
IIV
2
S
STOS I
IVV
22
22
S
S
C
CTOS
S
ST
C
CTOS
I
I
R
RVV
I
IV
R
RVV
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES53
Correntes de polarização de offset de entrada
1
221
I
II BB Perfeitamente simétrico
21 BBOS III
22 21
Corrente de offset
Descasamento em
21
1
1
22
1
1
2
21
1
1
22
1
1
2
2
1
III
III
B
B
12
IIOS
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES54
Correntes de polarização IB
BOS
BBB
II
IIII
12221
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 LINEARES55
Tensão de offset
+VDD
vo1vo2
+ -vod
RD2
Q1 Q2
-VSS
I
RD1
Descasamento em RD, W/L e Vt
2
2
2
1
DDD
DDD
RRR
RRR
1. Descasamento em RD
DOD RI
V 2
Dividindo pelo ganho gmRD
D
DtGSOS R
RVVV
2
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES56
2. Descasamento em W/L
2
2
2
1
LW
L
W
L
W
LW
L
W
L
W
LW
LWII
LW
LWII
D
D
21
2
21
2
1
1
LW
LWVVV tGSOS
2
3. Descasamento em Vt
2
2
2
1
ttt
ttt
VVV
VVV
tGS
ttGSnD
tGS
ttGSnD
VV
VVV
L
WkI
VV
VVV
L
WkI
12
1
12
1
22
21
tGS
t
VV
VII
2
tOS VV
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES57
Exemplo 6.3 – Sedra Smith (p. 484)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES58
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
2vID
2vIDI
-VEE
Q1
Q4
Q2
Q3
VCC
+
- VOiC2iC1
iOiC3
iC4
22
22
2
1
idmC
idmC
vg
Ii
vg
Ii
idmCCO
CCC
vgiii
iii
24
431
mid
om g
v
iG Transcondutância em curto-circuito
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES59
Ganho de tensão em circuito aberto
Modelo para pequenos sinais
+
-
Vid
Gm vid
RO vO
+
-
Ri
omid
o RGv
v
42 ooo rrR
Tm
pAno V
Ig
I
Vr
2
2)(
)4(2
ApAnT
vo
VVV
A11
1
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES60
Amplificador diferencial CMOS com carga ativa
VSS
VG1
I
M4
M1 M2VG2
iD1 iD2
+ +- -
M3
iO
VDD+
- Gmvd
vO
RO
vid
mid
om g
v
iG
omid
ov RG
v
vA
42 ooo rrR
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES61
Amplificador diferencial cascode
r3 v3 gm3v3ro3
ro1
+
-vx
ix
33 oo rR
3333 11 omoo rrgrR
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES62
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 = 200VA= 100 V
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES63
1.8 AMPLIFICADOR OPERACIONAL BIPOLAR
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES64
Exemplo 6.3 – Sedra Smith (p. 484)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES65
1.9 AMPLIFICADOR OPERACIONAL CMOS