Clase Fuentes de corriente - Introducción a amplificadores multietapa integrados. Junio de 2011

Transcripción

1 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase 24-1 Clase Fuentes de corriente - Introducción a amplificadores multietapa integrados Junio de 2011 Contenido: 1. El transistor MOS como referencia de tensión-corriente 2. Fuente de corriente espejo simple 3. Introduccion a circuitos multietapa elementales integrados ectura recomendada: Howe and Sodini, Ch. 9, Esta clase es una adaptación, realizada por los docentes del curso Dispositivos Semiconductores - de la FIUBA, de la correspondiente hecha por el prof. Jesus A. de Alamo para el curso Microelectronic Devices and Circuits del MIT. Cualquier error debe adjudicarse a la traducción.

2 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase 24-2 Preguntas disparadoras Cómo se puede utilizar un transistor MOS para obtener una referencia de corriente-tensión? Cómo se puede polarizar muchos transistores con una misma referencia? Cómo puede aprovecharse esta idea en circuitos analógicos integrados?

3 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase El transistor MOS como referencia de tensión Requisitos para una referencia de tensión: Una tensión constante y conocida con precisión Que la tensión no dependa de la corriente de salida (= baja resistencia interna). Características I-V de una fuente de Tensión: Modelo circuital equivalente de un generador de tensión:

4 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase 24-4 Consideremos un N-MOSFET en configuración diodo : Características I-V: (válido si V GS > V T y V GD = 0) I D = 2 µc ox(v GS V T ) 2 = 2 µc ox(v DS V T ) 2 Superado V T el MOSFET es similar a un diodo con características I-V cuadráticas.

5 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase 24-5 Analicemos la siguiente situación asumiendo que disponemos de una fuente de corriente: Analizando el circuito desde el punto de vista de las corrientes: I D = I REF + i OUT uego V GS = V DS = v OUT se auto-ajusta para cumplir: I D = 2 µc ox(v OUT V T ) 2 (válido para v OUT > V T ) Despejando v OUT : v OUT = V T + I REF + i OUT 2 µc ox

6 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase 24-6 v OUT es una función de I REF y del / del MOSFET: I REF v OUT / v OUT V T (menor dependencia de la corriente) Análisis de pequeña señal: R out = 1 g m //r o 1 g m

7 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase 24-7 Considerando un P-MOSFET : a misma idea y características que un generador de tensión con NMOS, pero el PMOS tiene que ser más grande para obtener la misma R out porque µ p < µ n.

8 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Fuentes de corriente Requisitos de una fuente de corriente: Una corriente constante y conocida con precisión Que la corriente no dependa de la tensión de salida (= alta resistencia interna). Características I-V de la fuente de corriente: Modelo circuital equivalente del generador de corriente:

9 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase 24-9 Copia de corriente espejo simple: I OUT 1 2 I REF µc ox (V REF V T ) 2 µc ox (V REF V T ) 2 Entonces: ) I OUT = I REF ( ( ) 2 1 I OUT se ajusta con I REF según la relación / de los MOSFETs: Circuito espejo de corriente. Es importante contar con transistores bien apareados : proporción / muy controlada, mismo V T, t ox, etc.)

10 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Modelo de pequeña señal de una fuente de corriente: R out = r o2 Características I-V de una fuente de corriente N-MOSFET: Nota: Esta fuente es diferente que las fuentes tradicionales:

11 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Fuente de corriente P-MOSFET: Fuente espejo con P-MOSFET : Transistor N-MOS sumidero de corriente. Transistor P-MOS fuente de corriente.

12 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Multiples fuentes de corriente Dado que I G = 0, de una sola fuente de corriente es posible obtener multiples fuentes espejo: I OUT n = I REF ( ( ) ) n R a misma idea se aplica a fuentes de corriente NMOS:

13 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Múltiples fuentes y sumideros de corriente Generalmente, en cualquier circuito se necesitan multiples fuentes que absorvan y entreguen corriente. Estas se puede construir a partir de una unica fuente de corriente: I OUT 1 = I REF ( ( ) ) 1 R I OUT 2 = I REF ( ( ) ) 2 R ) ) ) I OUT 4 = I OUT 1 ( ( ) 4 = I REF ( ( ) 4 ( ( ) R

14 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Pero como generamos I REF? El circuito mas simple es: I REF = V DD V OUT R V OUT = V T + I REF 2 µc ox Para / grande, V OUT V T I REF V DD V T R Ventajas: I REF puede ser configurado mediante un resistor (externo o interno trimmeado ). Desventajas: V DD afecta I REF. V T y R dependen de la temperatura I REF (T ). En aplicaciones reales se utilizan circuitos para generar la I REF que son independientes de V DD y de T.

15 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Por ejemplo analicemos que ocurre si hay una variación en V DD a variación V está aplicada sobre R en serie con un N-MOS en configuración diodo, por lo tanto: V = (R + 1/g m ) I REF Entonces: I OUT = (w/l) 1 (w/l) 2 V R+1/g m

16 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Analicemos ahora la dependencia de I OUT con V DD en el siguiente circuito: V GS1 = V GS2 + I OUT R S Escribiendo todo en funcion de las corrientes: V T + I REF w 2l µc ox = V T + I OUT k w 2l µc ox + I OUTR S Suponiendo que M 3 y M 4 cumplen la función de forzar I OUT = I REF se despeja: I OUT = 1 R S 2 (1 1 k ) 2 w 2l µc ox

17 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase I OUT NO depende de V DD

18 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase a implementación del circuito anterior requiere un modificación ya que la condición I REF = I OUT = 0 es un punto de trabajo estable del sistema. Para solucionar esto, se agrega el transistor M5, el cual conduce cuando solo cuando se enciende el circuito. Qué condiciones se deben cumplir para que M5 conduzca solo en el arranque del circuito?

19 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Algunos circuitos multietapa elementales integrados Qué etapas amplificadoras hay? Qué función cumple este circuito?

20 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Qué etapas amplificadoras hay? Rta: Drain Comun Qué función cumple este circuito? Rta: Buffer de Tensión (A V =1, Alta R in y Baja R out )

21 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Qué etapas amplificadoras hay? Qué función cumple este circuito?

22 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Qué etapas amplificadoras hay? Rta: Source Comun Qué funcion cumple este circuito? Rta: Amplificador de Trasconductancia (G m =i o /v i, Alta R in y Alta R out )

23 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Qué etapas amplificadoras hay? Qué función cumple este circuito?

24 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Qué etapas amplificadoras hay? Rta: Emisor Comun Qué funcion cumple este circuito? Rta: Amplificador de Trasconductancia

25 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Qué etapas amplificadoras hay? Qué función cumple este circuito?

26 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Qué etapas amplificadoras hay? Rta: Source Comun y Drain Comun Qué función cumple este circuito? Rta: Amplificador de Tension

27 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Qué etapas amplificadoras hay? Qué función cumple este circuito?

28 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Qué etapas amplificadoras hay? Rta: Colector Comun y Emisor Comun Que función cumple este circuito? Rta: Amplificador de Tensión

29 Dispositivos Semiconductores - 1er Cuat Clase Principales conclusiones Una referencia de tensión se puede obtener a partir de un MOSFET en configuración diodo en serie con una fuente de corriente de referencia. 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. a calidad de estas fuentes de corriente se basa en que en la tecnología de circuitos integrados dispone de transistores bien apareados dentro de un mismo chip, es decir: misma T emp, mismo V T, mismo t ox y relación controlable de /.