Download Clase 19- Aplicación de transistores a circuitos analógicos (II

86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores
Clase 19–1
Clase 19- Aplicación de transistores a
circuitos analógicos (II)
Amplificador Source Común y Copia de
Corriente con MOSFET
Última actualización: 1◦ cuatrimestre de 2017
Lectura recomendada:
Howe and Sodini, Ch. 8, §§8.1-8.6, Ch. 9, §§9.4
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Clase 19–2
1. Amplificador Source Común
¿Cómo cambia todo si cambio un TBJ por un MOSFET?
VDD
Elimina la contı́nua
RD
iR
vout
Signal Source
Rs
iD
iG
vOU T
vs
vIN
+ VG
−
2 Punto de polarización
VDD
RD
IR
VOU T
ID
Rs
IG
VGS
+ VG
−
Suponemos que el MOSFET está en saturación:
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Clase 19–3
W
ID =
µnCox(VGS − VT )2
2L
IR =
ID = IR =
VDD − VOU T
RD
VDD − VOU T
W
µnCox(VGS − VT )2 =
2L
RD
Entonces:
VGS
v
u
u
u
u
u
t
2(VDD − VOU T )
=
+ VT
RD W
µ
C
L n ox
Finalmente verificamos que el punto Q este en zona de
saturación:
VDS = VDD − ID RD > VGS − VT
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Clase 19–4
2 Ganancia de tensión Avo de pequeña señal
RD
ir
vout
Signal Source
Rs
vs
Rs
vs
ig
id
vin
ig
vin
id
gm × vgs
ro
RD
vout
Avo =
= −gm (ro//RD )
vin
vout
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Clase 19–5
2 Resistencia de entrada, RIN :
it
vt
gm × vgs
it = 0 ⇒ RIN
ro
RD
vout
vt
= →∞
it
Esta es la resistencia de entrada “inherente” al circuito.
Puede modificarse si se utilizan resistores para polarizar
el circuito.
2 Resistencia de salida, ROU T :
id
gm × vgs
Rs
ro
it
RD
El generador controlado no se enciende.
vgs = 0 ⇒ gmvgs = 0
it = id +
vt
vt
vt
= +
RD ro RD
vt
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Clase 19–6
⇒ vt = it(ro//RD )
ROU T
vt
= = ro//RD
it
2 Ganancia de tensión Avs de pequeña señal
Se puede también definir la ganancia de tensión respecto
de la fuente de señal vs:
vout vout vin
Avs =
=
vs
vin vs
Para el source-común:
vout
vin
' 1 ⇒ Avs '
= Avo
vin ' vs ⇒
vs
vin
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Clase 19–7
2 Máxima señal sin distorsión:
Máxima señal de entrada sin distorsión
• Hay que verificar que vgs se encuentre dentro del rango
de validez del modelo de pequeña señal:
vgs ≤ 0.2(VGS − VT )
Máxima señal de salida sin distorsión:
• Lı́mite superior: para vs demasiado negativa el transistor se va al corte, i.e. toda la corriente de señal anula la
corriente de polarización
⇒ vout,max = IDQRD = VDD − VDSQ
• Lı́mite inferior: para vs muy positiva el MOSFET entrará en régimen de trı́odo. El caso lı́mite tolerable es:
vOU T,min = VDSsat
⇒ vout,max = VDSQ − VDSsat = VDSQ − (VGS − VT )
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Clase 19–8
2 Relación de compromiso de Avo, RD , VDD e IDQ:
Examinemos la dependencia con la polarización:
|Avo| = gm (ro//RD ) ' gm RD
Reescribimos |Avo| de la siguiente forma:
v
u
u
u
u
t
W
VDD − VOU T
VDD − VOU T
√
|Avo| ' gmRD = 2 µnCoxID
∝
L
ID
ID
Luego, para obtener elevado |Avo|:
⇒ VDD ↑
⇒ ID ↓
Si VOU T se quiere dejar constante, entonces ambos enfoques implican ⇒ RD = VIDD ↑
D
Consecuencias de un elevado valor de RD :
• Limitado por el valor de ro. Si RD ro ⇒ |Avo| '
gm ro
• Requiere una pequeña ID , difı́cil de controlar.
• En Circuitos Integrados, requiere un área enorme de
Si.
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Clase 19–9
De hecho, en C.I. serı́a muy bueno prescindir completamente de resistores.
⇒ Necesitamos un mejor circuito. Lo vemos la clase que
viene.
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Clase 19–10
2 El transistor MOS como fuente de corriente:
iOU T
iOU T
+
VREF
−
+
vOU T
−
VGS = VREF
IDSAT
1
ro
VDSSAT
iOU T
vOU T
1
W
2
= µ Cox (VREF −VT ) 1 + λ(vOU T − VDSSAT )
2
L
Caracterı́sticas:
• El valor de la corriente de salida es iD y está definido
por una tensión de referencia VREF .
• El transistor funciona como fuente de corriente en
régimen de saturación.
• Hay un valor mı́nimo de tensión de salida para el cual
la fuente funciona correctamente: vOU T = VDSSAT .
• Presenta una resistencia de salida ROU T = ro.
• El transistor N–MOSFET es un sumidero de corriente.
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Clase 19–11
2 Fuente de corriente P-MOSFET:
iOU T
Vdd
IDSAT
+
VREF
−
VGS = VREF − VDD
1
ro
iOU T
+
vOU T
−
VDD
vOU T
VDD + VDSSAT
1
W
iOU T = µCox (VREF −VDD −VT )2 1 − λ(vOU T − VDD − VDSSAT )
2
L
Caracterı́sticas:
• El valor de la corriente de salida es iOU T = −iD y está definido
por una tensión de referencia VREF .
• El transistor funciona como fuente de corriente en régimen de
saturación.
• Hay un valor máximo de tensión de salida para el cual la fuente
funciona correctamente: vOU T = VDD + VDSSAT .
• Presenta una resistencia de salida ROU T = ro.
• El transistor P–MOSFET es un fuente de corriente.
¿Cómo se implementa VREF ?
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Clase 19–12
2 Copia de corriente espejo simple:
iOU T
W
1
= µ Cox   (VREF − VT )2
2
L 2
IREF
1
W
= µ Cox   (VREF − VT )2
2
L 1




Entonces:
iOU T =
W
L
IREF W 2
L 1
iOU T se ajusta con IREF según la relación W/L de los MOSFETs:
Circuito espejo de corriente.
Es importante contar con transistores “bien apareados”: proporción
W/L muy controlada, mismo VT , tox, etc.
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2 Fuente de corriente P-MOSFET:
Fuente espejo con P-MOSFET :
Clase 19–13
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Clase 19–14
2 Múltiples fuentes de corriente
Dado que IG = 0, de una sola fuente de corriente es posible obtener
múltiples fuentes espejo:
IOU T n =
W
L
IREF W n
L R
La misma idea se aplica a fuentes de corriente NMOS:
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Clase 19–15
2 Múltiples fuentes y sumideros de corriente
Generalmente, en cualquier circuito se necesitan múltiples fuentes
que absorvan y entreguen corriente. Éstas se puede construir a partir
de una única fuente de corriente:
IOU T 1 =
IOU T 2 =
IOU T 4 =
W
L
IREF W 1
L R
W
L
IREF W 2
L R
W
L
IOU T 1 W 4
L 3
=
W
W
L 4 L 1
IREF W W L 3 L R
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Clase 19–16
Principales conclusiones
• Polarizar un source común polarizado con una fuente de corriente facilita una polarización estable y puede mejorar su amplificación.
• Una copia de corriente se puede obtener a partir de una fuente
de corriente con un circuitocopia de corriente espejo.
• Se pueden obtener múltiples fuentes o sumideros de corriente, a
partir de una sola fuente de corriente de referencia.
• La “calidad” de estas fuentes de corriente se basa en que en la
tecnologı́a de circuitos integrados dispone de transistores “bien
apareados” dentro de un mismo chip, es decir: misma T emp,
mismo VT , mismo tox y relación controlable de W/L.