Capitolul 4 mplificatoare elementare
4.. Etaje de amplificare cu un tranzistor
4... Etajul emitor comun V CC C B B C C L L o ( // ) V gm C i rπ // B // o L // C // L B ro i B E C E
4... Etajul colector comun V CC C B B C L V i o rπ E ( β )( E // L ) ( β )( E // L ) // // [ r ( β )( // )] B // B L π // / g m E L i B E L o
4..3. Etajul baza comuna L i i i i i o V g i i g o i i L m m // r o L
E Q L i E E o L o E i E L V r r // ) ( r ) ( r π π π β β β β i B B C C i V i i i i 4..4. Etajul sarcina distribuita (bipolar)
4..5. Etajul sursa comuna L g m ( GS GS L // r ds ) i m ( r ) g // L ds i // r o L ds
4..6. Etajul drena comuna g g s m s m i s m o g // s GS m GS s GS m g g S i
4..7. Etajul grila comuna L i V gmgs L GS i i i i o V i g L m g m // r L ds
4..8. Etajul sarcina distribuita (MS) L g GS m g m GS GS L s i S g i L g m m s // r o L ds ( g ) m S
4.. mplificatorul cascod
i Q i Q i i i ' V β gm i i' r π
4.3. mplificatorul diferential bipolar
V CC V CC C C C C i C i C i C i C Q Q Q Q EE -V EE -V EE (a) (b)
mplificatorul diferential reprezinta un bloc fundamental in proiectarea circuitelor integrate analogice caracteristicile tranzistoarelor trebuie sa fie identice aceeasi temperatura de functionare a tranzistoarelor rezistenta EE se poate inlocui cu o sursa de curent Tensiunea de iesire poate fi: diferentiala (simetrica): asimetrica: C C sau
4.3.. naliza de semnal mare Dar: i i E C i i α E C i C BE S e V BE BE th α α S S e e V V BE th BE th e e V BE th BE V th BE Expresiile curentilor de colector: ic ic e e α Vth α Vth
Expresiile i C si i C se pot dezolta in serii Taylor: i ( x) C i ( x) C x x x e 4 48 e x x 4 3 3 x 48...... x α V th Deci, tangenta la caracteristica i C (x)/ are urmatoarea ecuatie: Daca: y 0 x y x 4 V th 50mV emarci: pentru (sau x 0), i C i C / pentru o functionare aproximati liniara, amplitudinea maxima a tensiunii de intrare trebuie sa fie mai mica decat V th (x ), deci aproximati 50mV
Caracteristicile statice (i C, i C )/ f [( - )/V th ] ale amplificatorului diferential bipolar (i C, i C )/ α i C / i C x ( - )/V th -4-3 - - 0 3 4
Tensiunea de iesire simetrica are expresia: 3 x x... 4 ( ic ic ) C C Caracteristica statica - f [( - )/V th ] a amplificatorului diferential bipolar - C -4-3 - - 0 3 4 x ( - )/V th - C
Cresterea domeniului maxim al tensiunii de intrare (pentru o functionare liniara) prin introducerea unor rezistente serie in emitor - -4-3 - - 0 3 4 ( - )/V th
4.3.. naliza de semnal mic Tensiuni de mod diferential: id, od Tensiuni de mod comun: ic, oc id od ic oc i o i o i o i o - tensiunea diferentiala de intrare - tensiunea diferentiala de iesire - tensiunea de mod comun de intrare - tensiunea de mod comun de iesire i i ic ic id id ; ; o o oc oc od od
mplificarile in tensiune dd cc cd dc od - amplificare de mod diferential id oc ic od ic oc id id ic id ic 0 0 0 0 - amplificare de mod comun - amplificare mod comun - mod diferential - amplificare mod diferential - mod comun Tensiunile de iesire (diferentiala si de mod comun) or aea expresiile: od oc dd dc id id cd cc ic ic
ezulta: o dc dd id cc cd ic o dc dd id cc cd ic Pentru un amplificator diferential perfect simetric, dc 0 si cd 0, deci: aportul de rejectie a modului comun (CM Common-Mode ejection atio) este: o dm id CM cm o dm si cm sunt diferite pentru iesire diferentiala ( o od ), respecti simpla ( o o sau o ). o o dd dd id id cc cc ic ic ic
Determinarea amplificarilor: metoda semicircuitului Mod diferential ( id 0, ic 0 i id /, i - id / ) S-a introdus rezistenta de sarcina suplimentara ( l ). C C C i c od / l - od / C -i c id / Q Q - id / id / C // l / od / EE (a) (b)
mplificarea semicircuitului: od id / / od id g m C // l mplificarea de mod diferential: - iesire diferentiala (simetrica): dd od id / / ( od / ) ( / ) id od id g m C // l - iesire simpla (asimetrica) dd id / od / ( / ) id od id g m C // l ezistenta de intrare de mod diferential: id r π
Mod comun ( ic 0, id 0 i ic, i - ic ) V CC V CC C l C C l C oc oc oc oc ic Q Q ic ic Q Q ic EE EE EE -V EE -V EE (a) (b) i c ic i ic i b C oc EE (c)
mplificarea de mod comun: oc β0 C cc ic rπ (β0 ) EE ezistenta de intrare de mod comun: ic ic rπ ( β0 ) EE i ic C EE aportul de rejectie a modului comun (CM) - caracterizeaza capacitatea amplificatorului diferential de a amplifica semnalele de mod diferential si de a rejecta semnalele de mod comun. - pentru iesire diferentiala ( od 0 pentru ic, deci cm cd 0), deci: CM dm cm dd cd gm 0 C - pentru iesire simpla ( o o sau o ) dm dd / gmc / CM / cm cc C EE g m EE
Pentru cresterea CM, este necesara inlocuirea rezistentei EE cu o sursa de curent. V CC C C Q Q Q 3 -V EE reprezinta rezistenta de iesire a sursei de curent. cc C
Determinarea domeniului maxim al tensiunii de intrare de mod comun V CC C C C Q Q Q 3 -V EE max C VCC C VCE sat V BE min C V V V EE CE 3sat BE
SMUL pentru amplificatorul diferential bipolar naliza de mod diferential si semnal mare
SMUL pentru amplificatorul diferential bipolar naliza de mod diferential si semnal mare SM 4.: V (V)
SMUL pentru amplificatorul diferential bipolar naliza de mod diferential si semnal mare SM 4.: i C, i C (V)
SMUL pentru amplificatorul diferential bipolar naliza de mod diferential si semnal mare SM 4.3: V (V), - parametru
SMUL pentru amplificatorul diferential bipolar naliza de mod diferential si semnal mare SM 4.4: i C, i C (V), - parametru
SMUL pentru amplificatorul diferential bipolar naliza de mod comun si semnal mare
SMUL pentru amplificatorul diferential bipolar naliza de mod comun si semnal mare SM 4.5: V C (V)
SMUL pentru amplificatorul diferential bipolar naliza de mod comun si semnal mare SM 4.6: V C (V), V 5 - parametru
4.3.3. Tensiunea de offset (decalaj) de intrare Daca cele doua tranzistoare nu sunt identice, este necesara aplicarea unei tensiuni de intrare nenule (numita tensiune de offset de intrare) in ederea anularii tensiunii de iesire. Deoarece: rezulta: BE C BE i C V i C th i ln i C C C S S V th ln C C S S Se definesc parametrii ce descriu asimetriile astfel: x x x x x x x x x x x x
ezulta: Pentru: se poate utiliza aproximarea: Deci: deoarece: Exemplu: S S S S C C C C th S S S S C C C C th V V ln ln S S C C S S C C / x sau / x si << << << << << << << << ( )( ) x x x x x S S C C th S S C C th V ln V,5mV 0,05 0,0; S S C C ( ) x pentru x, x ln << << << <<
4.3.4. mplificatorul diferential bipolar cu sarcina actia V CC Q 3 Q 4 / Q Q - / l o g m gm l o o4 g // r // r dd ( // r // r ) g ( // r // r ) m ( ) l o o4 -V EE m l o o4 dd l g m ( r // r ) o o4 g r m o V C th V C V V th
4.3.5. mplificatorul diferential cascod V CC L L o o Q 3 Q 4 i Q Q i e e 3 -V EE
Mod diferential Mod comun Q 3 Q 3 id Q e L od ic Q e 3 L ( // ) oc Semicircuitul de mod diferential Semicircuitul de mod comun dd r π βl ( β ) E cc r π βl ( β )( E 3 )
4.3.6. mplificator diferential polarizat cu o sursa dubla de curent V DD Q 6 5 Q 3 Q Q 4 V Z 3 4 -V DD
Mod diferential Mod comun T T ( 5 /) // 3 3 Semicircuitul de mod diferential Semicircuitul de mod comun dd r π β ( ) 5 β // 3 cc r π β ( β ) 3 3 3 r o3 r π 3 β3 3 6 // r Z
4.3.7. Structura cu amplificatoare diferentiale V CC 3 4 o o 5 i Q Q i 6 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 -V CC
Mod diferential Mod comun //r π4 //[r π4 (β)r o8 ] Q Q r 6 Semicircuitul de mod diferential () Semicircuitul de mod comun () 3 Q 4 Q 4 3 r 8 Semicircuitul de mod diferential () Semicircuitul de mod comun ()
mplificarea de mod diferential () dd g m ( // r ) π 4 cc mplificarea de mod comun () β // r π [ rπ 4 ( β ) ro8 ] ( β ) ro6 mplificarea de mod diferential () mplificarea de mod comun () g dd m4 3 cc β r π 3 ( β ) ro 8
4.4. mplificatoare diferentiale MS
4.4. mplificatorul diferential MS V DD M M
4.4.. naliza de semnal mare Deci: i GS D GS i i D V T i K D V T i K D K i i D D 0 0 4 K ( i i ) 4 4 K K K K D i D 4 4 pentru rezulta i. K D, id 0 Tensiunea de iesire este ( i i ) D D D D K K 4 4 4K K
Dezoltarea in serie Taylor a expresiei tensiunii de iesire este:... ) ( / / / / / / 5 3 5 3 3 8 K 8 K K... ) ( 5 5 3 3 a a a dd K a mplificarea de mod diferential: ( ) D D Caracteristicile i, i
Caracteristica ( )
4.4.. naliza de semnal mic Determinarea amplificarilor de semnal mic: metoda semicircuitului Mod diferential ( id 0, ic 0 i id, i - id ) S-a introdus o rezistenta de sarcina suplimentara ( L ). V DD D D i d L D D -i d id Q od - od Q - id Q id D // L / od D -V DD (a) (b)
mplificarea in tensiune de mod diferential: dd od id gm D // L - iesire simetrica: od id - iesire asimetrica: od id ezistenta diferentiala de intrare: dd dd id
Mod comun ( ic 0, id 0 i ic, i ic ) V DD V DD D L D D L D oc oc oc oc ic Q Q ic ic Q Q ic -V DD -V DD (a) (b) ic Q D oc (c)
mplificarea in tensiune de mod comun: cc oc ic gm D gm D ezistenta de intrare de mod comun: ic Deci: TMC g m D L L Pentru cresterea CM, trebuie marita aloarea rezistentei, prin inlocuirea Sursei de curent de poarizare printr-o sursa de curent de tip cascod.
4.4.3. Domeniul maxim al tensiunii de intrare de mod comun V DD M M V C 3 M 3 V V V ( ) C min GS DS 3sat GS GS 3 T T K V C max VDD DSsat GS VDD V T
Caracteristicile ( ) pentru tensiuni de intrare de mod comun multiple V C min,v
Caracteristicile ( ) pentru tensiuni de intrare de mod comun multiple V C 9V max
Cresterea domeniului maxim al tensiunii de intrare de mod diferential asociat unei functionari liniare este posibila prin introducerea unor rezistente in sursele tranzistoarelor. V DD M M
dd gm g m cc g m gm ( ) ( ) V V V C min GS DS 3sat GS GS 3 T T K V C max VDD DSsat GS VDD V T Caracteristicile ( ) pentru curenti de polarizare multipli
Caracteristicile i,i D D ( )
SMUL pentru amplificatorul diferential CMS naliza de mod diferential si semnal mare
SMUL pentru amplificatorul diferential CMS naliza de mod diferential si semnal mare SM 4.7: V (V)
SMUL pentru amplificatorul diferential CMS naliza de mod diferential si semnal mare SM 4.8: i D, i D (V)
SMUL pentru amplificatorul diferential CMS naliza de mod diferential si semnal mare SM 4.9: V (V), - parametru
SMUL pentru amplificatorul diferential CMS naliza de mod diferential si semnal mare SM 4.0: i D, i D (V), - parametru
SMUL pentru amplificatorul diferential CMS naliza de mod comun si semnal mare
SMUL pentru amplificatorul diferential CMS naliza de mod comun si semnal mare SM 4.: V C (V)
4.4.4. Tensiunea de offset de intrare ( ) ( ) D D T T GS GS L W K i L W K i V V V / ' / ' ) ( [ ] [ ] L W L W K i i L W L W K i i V V D D D D T )/ / ( ) / ( ' ) / ( )/ / ( ) / ( ' ) / ( ) / ( ) / ( ) / ( ) / ( ) / ( ' L W L W i i L W L W i i L W K i V V D D D D D T ) / ( ) / ( L W L W i i V V V V D D T GS T Similar amplificatorului diferential bipolar, rezulta: Daca cele doua tranzistoare nu sunt identice, este necesara aplicarea unei tensiuni de intrare nenule (numita tensiune de offset de intrare) in ederea anularii tensiunii de iesire.
) / ( ) / ( L W L W V V V V T GS T i i i i D D D D i i D D Dar: echialent cu: ezulta:
4.4.5. mplificatorul diferential MS cu sarcina actia V DD M 3 M 4 g m / g m / -g m / l / M M g m - / -V DD dd m ( r // r ) g // ds ds4 l dd l g m ( r // r ) ds ds4 g m r ds λ K
4.4.6. mplificator diferential MS cu caracteristica de transfer liniarizata V DD M V V M 3 4
i D K ( V ) i ( V ) GS T D K GS ( i i ) ( )( V ) D D K GS GS GS GS T T V V GS GS GS GS GS GS V dd K ( V V T ) K ( V V ) T V V V
mplementare posibila V DD 3 M M M 3 M 4 V C 4 V V VGS 3 VGS4 VT K dd K
4.4.7. mplificator diferential MS de tip cascoda intoarsa () (folded cascod) V C3 V C4 M M 4 M 3 M V C M M M 0 M 8 M 7 M 6 V DD D3 Curentii in PSF: D D6 D D7 D9 D8 D3 D D Curentul de iesire: D D0 i g mplificarea: m V C M 9 M 5 i g m g g m m ( ) ( ) g ( )[ r g r // r g ( r // r )] o g m m ds7 m7 ds8 ds6 m6 [ ( )] g r // g r r // r m7 ds8 m6 ds6 ds5 ds ds5 ds
4.4.8. mplificator diferential MS de tip cascoda intoarsa () (folded cascod) - continuare M 7 M 6 M 0 M V DD Curentii in PSF: V C fixeaza C4 C5 / M 3 M M M 8 V C M 9 VGS 4 VGS5 M 4 K M 5 4K M 3 M 6 M 4 V C M 7 M 5 M D D D4... D9 V V T T K 4K K D4 D3 D0... K V 4K D7 ( V ) C T
4.4.8. mplificator diferential MS de tip cascoda intoarsa () (folded cascod) V DD M 7 M 6 M 0 M M 3 M M M 8 V C M 9 M 4 M 5 M 3 M 6 M 7 M M 4 M 5 V C Curentul de iesire pentru calculul : i' gm mplificarea: g ' m ' i g ' m ' { r g r // [ r g ( r // r )]} ds7 g m m7 ' ds5 g m ds9 ( ) m9 g m ds ( ) ds
4.4.9. mplificator diferential MS de tip cascoda intoarsa (3) (folded cascod) V DD M M 5 M 4 M 5 M M 6 M 7 M M V C M 3 M 4 M 3 M 8 M 9 M 0 Curentul de iesire pentru calculul : i' id7 i mplificarea: dd D9 g m ( i i ) ( i i ) i i g ' ( ) D5 ' g D dd m { rds9 // rds7 [ gm7 ( rds // rds5 )]} gmrds9 g ( r // r ) m D4 ds0 dd D dd D ds D m