Electrónica

TEMA 6: Amplificadores con Transistores

TEMA 6: Amplificadores con Transistores Contenidos del tema: ‰ El transistor como amplificador. Característica de gran señal ‰ Polarización. Parámetros de pequeña señal ‰ Configuraciones de amplificadores con BJT y MOSFET ‰ Polarización en Circuitos Integrados: Espejos de Coriente ‰ Amplificadores Integrados MOS: configuraciones básicas ‰ Respuesta en frecuencia de los amplificadores ‰ Amplificadores diferenciales

© los autores

Tr. 6.1

Electrónica

TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Uso de Transistores: conceptos básicos

Amplificador:

k>1

vi

vo=kvi

Interruptor (llave):

Linealidad (peq. señal) Suministro de energía vi VDD Suministro de energía Necesidad Polarización Zonas de operación diferenciadas

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vs

Tr. 6.2

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

El transistor como amplificador (I) BJT V CC – V o ------------------------- = i ( V ) C I RC

Vo

Vo

VI

VCC

VCC-ICRC

Ecuación característica Vo-Vi de gran señal

Corte

Conducción

ZAD

Q

V I = v BE = V BE + v be componente AC de pequeña señal componente en DC

Zona de amplificación iC = Is e

v BE ⁄ U T

V BE ⁄ U T

= Is e v be ⁄ U T = IC e

Linealización

⋅e

Saturación VBE

VCC

VI

v be ⁄ U T

v be⎞ ⎛ i C ≈ I C ⎜ 1 + --------⎟ UT ⎠ ⎝ para vbe < 10mV

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VCEsat 0

punto de operación

Zonas de conmutación (llave OFF o ON)

VI pequeña: BJT en corte, Vo = VCC , OFF VI grande: iC grande, BJT en saturación, Vo = VCE(sat) , ON Tr. 6.3

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

El transistor como amplificador (II) MOSFET V DD – V o ---------------------- = i ( V I ,V o ) Ecuación característica Vo-Vi de gran señal D RD

Vo VI

Vo

Corte

Saturación

VDD

Zona de amplificación Q

punto de operación

Lineal o Triodo

0

VT

VI ≈ Vo + VT

VDD

VI

---- ( V I – V T ) 2 ( 1 + λV o ) iD = K 2

---- [ 2 ( V I – V T )V o – V o 2 ] iD = K 2

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Tr. 6.4

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Polarización (I) Técnica de polarización = técnica para fijar el punto de operación en la zona de amplificación Ejemplo:

Varias maneras de polarizar dependiendo de: tipo de transistor tipo de circuito tipo de amplificador fijar IC o fijar IB?

recta de carga

? ? ?

VCC VBB

VCC

VCC

VCC

VCC Tres objetivos generales: - situar al ttor en zona de amplificación - obtener valor deseado de ganancia - disminuir distorsión

-VEE © los autores

Tr. 6.5

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Polarización (II) Esquema práctico para polarización (BJT y MOS):

VCC

VCC RC

R1

R2 ------------------V B = V CC R1 + R2

para VB>> VBE(on) y RE >> (R1//R2)/(β+1)

β F ( V B – V BE ( on ) ) VB I C = ----------------------------------------------------------- ≈ ------( R 1 || R 2 ) + ( β F + 1 )R E R E

conseguimos independizar IC de la T

R2 Varios problemas de este esquema:

RE

VCC VCC

- RE reduce el rango de tensión a la salida - R1 y R2 derivan corriente de la señal de entrada - se necesitan condensadores para desacoplo DC - no apropiado para circuitos integrados Av

rango de fecuencias medias

C’s de acoplo debido a C’s acoplo © los autores

f

debido a C’s del transistor Tr. 6.6

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Aproximación de Pequeña Señal Variables en el circuito: vXY= VXY + vxy iXY= IXY + ixy

vXY = Valor total VXY = Valor constante vxy = Variable con t

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VXY Fijada por el punto de operación y la red de polarización

vxy Dada por el circuito equivalente de pequeña señal equiv. peq. s. de VCC aquí el equiv. de peq. señal del ttor Tr. 6.7

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Parámetros de pequeña señal de un Amplificador Para todo Amplificador se debe conocer: ganancia impedancia de entrada impedancia de salida

ancho de banda todos los parámetros se miden en Pequeña Señal en el Punto de Operación se obtienen analizando el circuito equivalente de pequeña señal del Amplificador

Definición:

vo vi

io ii

equivalente de pequeña señal del ttor © los autores

vo A v = ----vi vi Z i = ---ii vo Z o = ----io

ganacia en tensión imp. entrada imp. salida

vi = 0 Tr. 6.8

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Configuraciones básicas de Amplificadores Existen tres configuraciones básicas BJT

VCC RC

X

Z

Y

RB RE

-VEE Emisor común: X entrada Z salida Y tierra Base común: Y entrada Z salida X tierra Colector común: X entrada Y salida Z tierra © los autores

VDD

MOS

RD

X RG

Z

Y RS

-VSS Fuente común: X entrada Z salida Y tierra Puerta común: Y entrada Z salida X tierra Drenador común: X entrada Y salida Z tierra Tr. 6.9

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Amplificador a Emisor Común Análisis a frecuencias medias V CC

vI = VI

RC

v0 = V0

RB

Q Q

Circuito Equivalente en Pequeña Señal en ZAD:

+ vi ( t )

RB

+ v0 ( t )

vi ( t )

Zi

vI

Z

Impedancia de salida: Z

© los autores

v be

i

=

v0 ( t )

1----gµ

+

v0

Impedancia de entrada:

ic

ib

rπ

g m v be

RC

r0

Zo

-

Ganancia en tensión: ⎛ v 0 ( t ) = – g m ( R C //r 0 )v be v0 ( t ) rπ ⎜ ----------------------------- ( R //r ) r ⇒ = –gm ⎜ π C 0 v ( t ) R + r -------------------- v ( t ) ⎜ v = i B π be vi RB + rπ i ⎝ ---- = R B + rπ R C //r 0 v0 ( t ) ib A V0 = ------------ = – β 0 -------------------RB + rπ vi ( t ) v

o = ----o io

= R //r

C

vi = 0

0

Propiedades: Alta ganancia (máximo valor -VA/UT= 5x103) Moderada impedancia de entrada Alta resistencia de salida

Tr. 6.10

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Polarización en Circuitos Integrados (I) En los CIs se evita el uso de Resistencias y Condensadores para polarizar Existen dos formas básicas de polarización: a) con resistencias activas b) con fuentes de corriente En cualquiera de ellas se utiliza también el nivel de DC de la entrada para fijar el punto de operación

Resistencias Activas: Son resistencias nolineales que se realizan con ttres. en configuración diodo I

I

V NMOS

I

I

V PMOS

I

resistencia en pequeña señal, caso VBS=0 i

I

MOS en Saturación

© los autores

k 'W k 'W = ----- ----- ( V – V T ) 2 ( 1 + λV ) = ----- ----- ( V – V T ) 2 λ≈0 2 L 2 L

V VT

D

G

+ v _ S

gmv

r ds 1 v-r = = ------------------------- ≈ ------i 1 + g m r ds g m rds

Tr. 6.11

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Polarización en Circuitos Integrados (II) Fuentes de Corriente: Se realizan con ttres MOS en Saturación o BJT en ZAD Tipo Fuente

Tipo Sumidero IBIAS

VGG

VBB

V V

VSS MOS

VDD

IBIAS V GG

VBB

V

VDD

IBIAS

IBIAS

VCC

VEE

VSS

IBIAS

IBIAS

para VBS = 0 VGS = VGG - VSS

VGS = VGG - VDD

V VSS

VDD

Resistencia de salida en pequeña señal © los autores

V VSS

VDD

1 + λV DS 1 r o = r ds = ------------------------ ≈ ------------------λI BIAS λI BIAS Tr. 6.12

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Polarización: Espejos de Corriente Los Espejos de Corriente se utilizan para obtener corrientes a partir de una corriente de referencia Espejo NMOS simple

k n' W I D1 = ------ ⎛ -----⎞ ( V GS – V T ) 2 ( 1 + λV DS1 ) = I REF 2 ⎝ L⎠1 k n' W I D2 = ------ ⎛ -----⎞ ( V GS – V T ) 2 ( 1 + λV DS2 ) = I o 2 ⎝ L⎠2

W ⎛W -----⎞ ( 1 + λV ----DS2 ) ⎝ L⎠2 L2 I o = ----------------------------------------------- I REF ≈ -------- I REF W ⎛W ---------⎞ ( 1 + λV ) DS1 L1 ⎝ L⎠1

Existen además: a) versiones PMOS y BJT b) espejos múltiples o copiadores de corriente c) configuraciones mejoradas (mayor resistencia de salida) © los autores

Tr. 6.13

Electrónica

TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Modelo en AC del Espejo de Corriente NMOS

© los autores

Tr. 6.14

Electrónica

TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Modelo en ac del Espejo de Corriente NMOS

ro

© los autores

Tr. 6.15

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Modificaciones al Espejo de Corriente NMOS

Cascode

Wilson © los autores

Wilson modificado Tr. 6.16

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Amplificadores Integrados MOS: Configuraciones Básicas Polarizados con corriente: Fuente Común

Drenador Común= seguidor por fuente

VDD

Ao ≅ 1

VDD

A o ≅ – g mI ⁄ g o IBIAS

vi

vo

IBIAS

vo

se suelen obtener con espejos de corriente

VSS

Con carga activa: configuraciones fuente común VDD

VDD

NMOS

© los autores

VSS

vo

vo

vi VSS

VDD

vi

vo

CMOS

VSS

VSS

A o ≅ –g mI ⁄ g mL

vi vo

vo

vi

IBIAS

VSS

VDD

vo

vi

IBIAS

vi

vi

VDD

VDD

CMOS

PMOS

VSS

VSS Tr. 6.17

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Técnicas de Polarización: Fuente Común Con corriente

V A2 1 r o2 = --------------- = r ds2 ≈ -----------------λI REF I REF

© los autores

Tr. 6.18

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Técnicas de Polarización: Fuente Común

equiv. pequeña señal D1, D2

S1, S2

© los autores

Tr. 6.19

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Amplificadores CMOS a Fuente Común VDD

VGG

Equivalente en pequeña señal G1

D1

Ganancia en tensión: v0

D2

M2 vi

vo M1

vi

gm 1 vi

r ds 1

Resistencia de entrada: infinita r ds 2

S1 S2

VSS

VDD

Equivalente en pequeña señal G1

vo v i

g m1 v i

vi VSS

S1 S2

D1

r ds 1

r ds 2

Resistencia de salida:

1 r o = -----------------------------g ds1 + g ds2

Ganancia en tensión: v0

D2

– g m1 vo A o = ----- = -----------------------------g ds1 + g ds2 vi

g m2 v o

vo r ds1 r ds2 A o = ----- = – g m1 ------------------------------------------------------------------vi r ds1 ( 1 + g m2 r ds2 ) + r ds2 A o ≅ – g m1 ⁄ g m2 Resistencia de entrada: infinita Resistencia de salida:

1 r o ≅ -----------

g m2

© los autores

Tr. 6.20

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Técnicas de Polarización: Puerta Común

© los autores

Tr. 6.21

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Técnicas de Polarización: Drenador Común

© los autores

Tr. 6.22

Electrónica

TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Amplificador sólo con MOS de canal n

⎛W -----⎞ ⎝ L⎠1 A v = – -------------⎛W -----⎞ ⎝ L⎠2

© los autores

Tr. 6.23

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Respuesta en frecuencia de amplificadores (I) Dada por la función de transferencia del amplificador en pequeña señal, obtenida usando el modelo dinámico de los transistores en su región de operación

Cgd Cgs

Teorema de Miller

I1 + V _1

Y

I1

I2 + _ V2

V2 K = -----V1

+ V1 _

I2 Y1 Y2

+ V = KV1 _ 2

Y1 = Y ( 1 – K ) 1 Y 2 = Y ⎛ 1 – ----⎞ ⎝ K⎠

K>1

© los autores

Y1 ≈ Y ( –K ) , Y2 ≈ Y

Tr. 6.24

Cdb B Csb

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Respuesta en frecuencia de amplificadores (II) Amplificador CMOS a fuente común CgsP

CgdN

VDD

VGG CgdP

CdbP

vo

CgdN

vi

v0

vi

-3dB A0 20dB/dec

© los autores

r dsP

usando Tma de Miller

VSS

f f1

r dsN

CT

CT = CL+ CdbN+CdbP+CgdP

lAvldB

0

g mN v i

CgsN

CL

CdbN CgsN

vi

v0

GBW=A0f1

g mN v i

C

R

R = (gdsN+ gdsP)-1 C = CT + CgdN

ω1 vo A v = ----- = ( – g mN )R ---------------s + ω1 vi ω1= (RC)-1 Tr. 6.25

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Amplificador CMOS a Fuente Común: Configuración Cascode Con ella se pretende desacoplar la entrada con la salida en AC, evitando de ese modo la alta capacidad de entrada que cargaría las etapas precedentes VDD

VGG vB vi

M3

vo M2

n1 v1 M1

vo A o = ----- ≅ – g m1 r sd3 vi v1 –g m1 A 1 = ----- ≅ --------------------v i g m2

se puede hacer pequeña para disminuir la capacidad Miller a la entrada Cin1= cgd1(1-A1)

Respuesta en frecuencia:

ω1 vo A v = ----- = A o ---------------s + ω1 vi

,

ω1= (RC)-1 R = rsd3 CT = CL+ Cgd3+Cgd2+Cdb2+Cdb3

aparece un segundo polo asociado a la impedancia en el nudo n1, pero es bastante mayor que ω1 y apenas afecta. © los autores

Tr. 6.26

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TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Respuesta Típica en Frecuencia VCC

VCC

VDD

v0

vi

VGG

M2

C

g mN v i

R

vo M1

vi C’s acoplo

lAvldB

VSS

rango infinito de frecuencias

caso ideal

lAvldB

lAvldB -3dB

rango de frecuencias medias A0

20dB/dec

caso real debido a C’s acoplo © los autores

f

debido a C’s del transistor

0

f f1

GBW=A0f1 Tr. 6.27