Download Clase 19- Aplicación de transistores a circuitos analógicos (II
Document related concepts
no text concepts found
Transcript
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 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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: 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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 ) 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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. 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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. 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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. 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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 ? 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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. 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 2 Fuente de corriente P-MOSFET: Fuente espejo con P-MOSFET : Clase 19–13 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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: 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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 86.03/66.25 – Dispositivos Semiconductores 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.