TEMA 6: Amplificadores con Transistores

Transcripción

1 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 Tr. 6.1

2 Uso de Transistores: conceptos básicos k > 1 k Amplificador: Linealidad (peq. señal) Suministro de energía << 1 Necesidad Polarización Zona activa Interruptor (llave): No-lineal (gran señal) --> v s Suministro de energía Necesidad Polarización Zonas de operación diferenciadas v s Tr. 6.2

3 BJT El transistor como amplificador (I) Vo V o i R C ( V I ) C Ecuación característica Vo-Vi de gran señal V I V o Corte Conducción ZAD i C -I C R C V I v BE V BE + v componente AC de pequeña señal be componente en DC Zona de amplificación I s e v BE U T V BE U T I s e v be U T I C e v be U T e Linealización v be ic I C U T para v be < 10mV V CEsat Saturación 0 Q V BE Zonas de conmutación (llave OFF o ON) V I pequeña: BJT en corte, Vo punto de operación, OFF V I grande: i C grande, BJT en saturación, Vo V CE(sat), ON Tr. 6.3 V I

4 El transistor como amplificador (II) MOSFET V o i D ( V I, V o ) Ecuación característica Vo-Vi de gran señal R D V o V o Corte Saturación V I Zona de amplificación Q punto de operación Lineal o Triodo 0 V T V I V o + V T V I i D K --- ( V 2 I V T ) 2 ( 1 + λv o ) i D K [ 2( V 2 I V T )V o V o ] Tr. 6.4

5 Polarización (I) Técnica de polarización técnica para fijar el punto de operación en la zona de amplificación Varias maneras de polarizar dependiendo de: tipo de transistor tipo de circuito Ejemplo: tipo de amplificador fijar I C o fijar I B? recta de carga??? VCC V BB -V EE Tres objetivos generales: - situar al ttor en zona de amplificación - obtener valor deseado de ganancia - disminuir distorsión Tr. 6.5

6 Polarización (II) Esquema práctico para polarización (BJT y MOS): R C R 2 V B V CC R 1 + R 2 para V B >> V BE(on) y R E >> (R 1 //R 2 )/(β+1) R 1 β F ( V B V BE( on) ) V B I C ( R 1 R 2 ) + ( β F + 1)R E R E conseguimos independizar I C de la T R 2 R E Varios problemas de este esquema: - R E reduce el rango de tensión a la salida - R 1 y R 2 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 f debido a C s del transistor Tr. 6.6

7 Aproximación de Pequeña Señal Variables en el circuito: v XY V XY + v xy i XY I XY + i xy V XY Fijada por el punto de operación y la red de polarización v XY Valor total V XY Valor constante v xy Variable con t v xy Dada por el circuito equivalente de pequeña señal equiv. peq. s. de aquí el equiv. de peq. señal del ttor Tr. 6.7

8 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: i i i o Z i equivalente de pequeña señal del ttor A v Z o ganacia en tensión --- i i i o 0 imp. entrada imp. salida Tr. 6.8

9 Configuraciones básicas de Amplificadores Existen tres configuraciones básicas BJT MOS X R C Z X R D Z R B Y R G Y R E R S -V EE - Emisor común: X entrada Z salida Y tierra Base común: Y entrada Z salida X tierra Colector común: X entrada Y salida Z tierra 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

10 Amplificador a Emisor Común Análisis a frecuencias medias v I V I + () t R Q C v 0 V 0 + v 0 () t Q R B Circuito Equivalente en Pequeña Señal en ZAD: i b g µ i c v 0 () t R B v 0 () t v be r π g m v be r 0 R C v I Zi - Zo Impedancia de entrada: Z i Impedancia de salida: Z o Ganancia en tensión: v 0 () t g m ( R C //r 0 )v be v 0 () t r π v be v R B + r i () t () t π --- R B + r π i b i o 0 R C //r 0 g m r π ( R R B + r C //r 0 ) π v 0 () t R C //r 0 A V0 β () t 0 R B + r π Propiedades: Alta ganancia (máximo valor -V A /U T 5x10 3 ) Moderada impedancia de entrada Alta resistencia de salida Tr. 6.10

11 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 I k ' ---- W ( V V L T ) 2 ( 1 + λv ) λ 0 k ' ---- W ( V V L T ) 2 V V I I NMOS PMOS MOS en Saturación I V T V resistencia en pequeña señal, caso V BS 0 G + v _ S i g m v D r r ds v - i r ds 1 + g m r ds g m Tr. 6.11

12 Polarización en Circuitos Integrados (II) Fuentes de Corriente: Se realizan con ttres MOS en Saturación o BJT en ZAD Tipo Sumidero Tipo Fuente I V BIAS I DD V BIAS DD I BIAS V GG V V BB V I BIAS V GG V BB V EE V MOS I BIAS para V BS 0 I BIAS V GS V GG - V GS V GG - V V 1 λv DS Resistencia de salida en pequeña señal r o r ds + λi BIAS λi BIAS Tr. 6.12

13 Polarización: Espejos de Corriente Los Espejos de Corriente se utilizan para obtener corrientes a partir de una corriente de referencia Espejo NMOS simple I D1 I D2 k n ' W ( L 1 V GS V T ) 2 ( 1 + λv DS1 ) I REF k n ' W ( L 2 V GS V T ) 2 ( 1 + λv DS2 ) I o I o W ---- ( L λv DS2 ) I W REF ---- ( L λv DS1 ) W ---- L I W REF ---- L 1 Existen además: a) versiones PMOS y BJT b) espejos múltiples o copiadores de corriente c) configuraciones mejoradas (mayor resistencia de salida) Tr. 6.13

14 Modelo en AC del Espejo de Corriente NMOS Tr. 6.14

15 Modelo en ac del Espejo de Corriente NMOS r o Tr. 6.15

16 Modificaciones al Espejo de Corriente NMOS Cascode Wilson Wilson modificado Tr. 6.16

17 Amplificadores Integrados MOS: Configuraciones Básicas Polarizados con corriente: Fuente Común A o g mi g o Drenador Común seguidor por fuente A o 1 VDD I BIAS I BIAS I BIAS vi Con carga activa: configuraciones fuente común I BIAS se suelen obtener con espejos de corriente A o g mi g ml NMOS CMOS CMOS PMOS Tr. 6.17

18 Técnicas de Polarización: Fuente Común Con corriente r o2 V A r I ds REF λi REF Tr. 6.18

19 Técnicas de Polarización: Fuente Común equiv. pequeña señal D 1, D 2 S 1, S 2 Tr. 6.19

20 Amplificadores CMOS a Fuente Común V GG M2 Equivalente en pequeña señal G 1 D 1 D 2 v 0 Ganancia en tensión: g m1 A o g ds1 + g ds2 g m1 Resistencia de entrada: infinita M1 S 1 S 2 r ds1 r ds2 Resistencia de salida: 1 r o g ds1 + g ds2 Equivalente en pequeña señal Ganancia en tensión: G 1 D 1 D 2 v 0 A o r ds1 r ds g v m1 i r ds1 ( 1 + g m2 r ds2 ) + r ds2 g m1 r ds1 r ds2 g m2 A o g m1 g m2 Resistencia de entrada: infinita S 1 S 2 Resistencia de salida: 1 r o g m2 Tr. 6.20

21 Técnicas de Polarización: Puerta Común Tr. 6.21

22 Técnicas de Polarización: Drenador Común Tr. 6.22

23 Amplificador sólo con MOS de canal n A v W ---- L W ---- L 2 Tr. 6.23

24 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 C gs C gd C db B C sb Teorema de Miller I 1 Y I 2 + V_ 1 + _ V 2 K V V 1 I 1 I Y 1 Y( 1 K) V 1 Y V 2 KV _ 1 Y 2 _ 1 1 Y 2 Y K K>1 Y 1 Y( K), Y 2 Y Tr. 6.24

25 Respuesta en frecuencia de amplificadores (II) Amplificador CMOS a fuente común C gdn C gsp v 0 V GG C gdp C gdn C dbp C dbn C L C gsn g mn r dsn r dsp C T C T C L + C dbn +C dbp +C gdp C gsn usando Tma de Miller v 0 la v l db -3dB g mn R C R (g dsn + g dsp ) -1 C C T + C gdn A 0 0 f 1 20dB/dec f GBWA 0 f 1 A v ω ( g v mn )R i s + ω 1 ω 1 (RC) -1 Tr. 6.25

26 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 V GG M3 A o g v m1 r sd3 i v B n1 M2 v 1 M1 v 1 A g m g m2 se puede hacer pequeña para disminuir la capacidad Miller a la entrada C in1 c gd1 (1-A 1 ) Respuesta en frecuencia: A v ω 1 v A o i s + ω 1, ω 1 (RC) -1 R r sd3 C T C L + C gd3 +C gd2 +C db2 +C db3 aparece un segundo polo asociado a la impedancia en el nudo n1, pero es bastante mayor que ω 1 y apenas afecta. Tr. 6.26

27 Respuesta Típica en Frecuencia g mn R v 0 C V GG M2 M1 C s acoplo la v l db rango infinito de frecuencias caso ideal la v l db la v l db rango de frecuencias medias -3dB A 0 debido a C s acoplo caso real f debido a C s del transistor 0 f 1 20dB/dec f GBWA 0 f 1 Tr. 6.27