Clase Aplicación de transistores a circuitos analógicos (I)

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1 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 18 1 Clase Aplicación de transistores a circuitos analógicos (I) Amplificador Emisor-Común y Source-Común Última actualización: 2 do cuatrimestre de 2015 Lectura recomendada: Howe and Sodini, Ch. 8, Esta clase es una adaptación, realizada por los docentes del curso 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores de la FIUBA, de la correspondiente hecha por el prof.jesús A. de Alamo para el curso Microelectronic Devices and Circuits del MIT.Cualquier error debe adjudicarse a la adaptación.

2 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 18 2 Preguntas disparadoras Cuáles son los principios fundamentales de los amplificadores? Se puede hacer un amplificador de tensión usando sólo un transistor? Qué límites impone el transistor sobre el amplificador? Qué diferencia existe entre implementar un amplificador con MOSFET o con TBJ?

3 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Principios fundamentales de los amplificadores Cuál es el objetivo de un amplificador? El objetivo es convertir potencia de la fuente de alimentación en potencia de señal de salida. Generalmente tiene tres bloques constitutivos: Fuente de alimentación Amplificador de pequeña señal ( A v y r i ) Amplificador de potencia ( A i y r o ) Rendimiento de potencia: η = P OUT P DC 100

4 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 18 4 Objetivo de los amplificadores: amplificación de señal. Principales caractersticas del amplificador: La señal de salida es una réplica sin distorsión de la señal de entrada: v out = A v El amplificador debe tener relación lineal de transferencia entrada salida.

5 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 18 5 La señal de entrada/salida puede estar representada por una corriente o una tensión: existen cuatro tipos de amplificadores: En esta clase veremos cómo implementar un amplificador de tensión con un único transistor.

6 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 18 6 Amplificadores discretos con TBJ En los años los amplificadores de audio TBJ discretos eran los más habituales Amplificadores integrados con MOSFET A partir de los años 90 los circuitos integrados CMOS comienzan a ser más convenientes para muchas aplicaciones de audio, sobre todo de bajo costo

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8 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Amplificador Emisor Común Consideremos el siguiente amplificador: V CC R C Elimina la contínua i R Signal Source v out R s i B i C v OUT v s v IN + V B Cómo funciona? v OUT (t) = V OUT + v out (t). Prestar atención a la notación: v OUT (t): Tensión total, depende del tiempo. V OUT : Tensión de contínua o polarización, no depende del tiempo. v out (t): señal alterna, depende del tiempo. V B y R C seleccionados para polarizar el transistor en MAD y obtener el punto Q = Quiescent = Reposo deseado. v BE i C i R v OUT

9 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 18 9 A vo = v out entrada < 0; la salida esta en contrafase con la A v = v out > 1, si el amplificador está bien diseñado. Trazamos la recta de carga (ídem TP N 3): i C VCC R C V CESAT I B v CE Corte V CC Obtenemos la caracterstica de transferencia: En saturación tenemos la mayor A vo = v out /.

10 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase V CC v OUT Corte MAD Saturación v IN V ON V CC Para los amplificadores es importante conocer: El punto de polarización de los transistores La máxima señal de salida y entrada sin distorsión La ganancia de tensión A vo del amplificador Las resistencias de entrada y salida del amplificador

11 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Punto de polarización Seleccionamos V B y R C para que el TBJ esté en MAD y para obtener la tensión V OUT deseada. Para el análisis de polarización, se asume que la fuente de señal v s se encuentra pasivada, i.e. es un corto circuito, y que los capacitores son circuitos abiertos. V CC I R R C V OUT R s I B I C V BE + V B Suponemos que el TBJ está en MAD: I C = βi B I B = V B V BE R s

12 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase V BE = 0.7 V I R = V CC V OUT R C I C = I R = β V B V BE R s = V CC V OUT R C Entonces: V B = V BE + R s β V CC V OUT R C Finalmente verificamos que el punto Q este en zona de MAD: V CE = V CC I C R C > V CEsat 0.2 V

13 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Ganancia de tensión A vo de pequeña señal Pasivamos las fuentes de tensión contnua (cortocircuitos) y reemplazamos el transistor por su modelo equivalente de pequeña señal para bajas frecuencias: R C Signal Source i r v out R s i b i c v s R s i b i c v s r π g m v be r o R C v out v out = g m (r o //R C ) Luego la ganancia de tensión sin carga es: A vo = v out = g m (r o //R C )

14 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Resistencia de entrada, R IN : Cálculo de la resistencia de entrada, R IN : - Aplicamos una tensión de prueba v t en la entrada. - Calculamos la corriente i t resultante. - Finalmente R IN = v t /i t i t v t r π g m v be r o R C v out La tensión v t es aplicada directamente en v be, entonces se enciende el generador controlado. Sin embargo, la corriente g m v be no influye en la corriente de prueba i t. Además, al existir r π, i t 0. R IN = v t i t = r π Esta es la resistencia de entrada inherente al circuito. Puede modificarse si se utilizan resistores para polarizar el circuito.

15 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Resistencia de salida, R OUT : Cálculo de la resistencia de salida, R OUT : - Cargamos al amplificador a su entrada con R s - Aplicamos una tensión de prueba v t en la salida. - Calculamos la corriente i t resultante. - Calculamos ROUT = v t /i t i c i t R s r π g m v be r o R C v t El generador controlado no se enciende. v be = 0 g m v be = 0 i t = i c + v t R C = v t r o + v t R C v t = i t (r o //R C ) R OUT = v t i t = r o //R C

16 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Ganancia de tensión A vs de pequeña señal Se puede también definir la ganancia de tensión respecto de la fuente de señal v s : A vs = v out v s = v out v s Para el emisor-común: = R IN R IN + R s v s v s = R IN R IN + R s A vs = R IN R IN + R s v out = R IN R IN + R s A vo

17 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Máxima señal sin distorsión: i C I CQ V CEQ v BE v CE V BEQ V CEsat V CC V CEQ V CEsat I CQ R C t t Máxima señal de entrada sin distorsión Hay que verificar que v be se encuentre dentro del rango de validez del modelo de pequeña señal: v be 10 mv pico Si no se verifica esta condición el amplificador dejar de ser lineal, es decir: v out A vo

18 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Máxima señal de salida sin distorsión: Límite superior: para v s demasiado negativa el transistor se va al corte, i.e. toda la corriente de señal anula la corriente de polarización i c = I CQ i C = 0 v OUT,max = V CC v out,max = I CQ R C = V CC V CEQ Límite inferior: para v s muy positiva el TBJ entrará en régimen de saturación. El caso límite tolerable es: v OUT,min = V CEsat v out,max = V CEQ V CEsat Atención: estas son cotas máximas de v OUT, que se alcancen o no dependerá de A vo y.

19 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Eficiencia de conversión de potencia η η = P OUT P DC 100 Donde P OUT es la potencia eficaz de la señal de salida P OUT = 1 2 ˆv2 out R L y P DC es la potencia de contínua que consume el circuito. P DC = V DD/CC I D/C Para un amplificador sin carga (R L ), no se entrega potencia a la salida y el rendimiento es nulo. Si el amplificador entrega potencia a una carga, la máxima eficiencia se obtiene cuando: v out = v out,max = 1 2 V CC = I CQ R L Entonces (esto vale en general): η max = 1 2 1/2 V CC I CQ R L V CC I CQ R L = 25% Este 25% es una cota teórica máxima.

20 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Relación de compromiso de A vo, R C, V CC e I CQ : Examinemos la dependencia con la polarización: A vo = g m (r o //R C ) g m R C Reescribimos A vo de la siguiente forma: A vo g m R C = I C V th V CC V OUT I C = V CC V OUT V th Para un V OUT fijo, la ganancia depende sólo de V CC. Hay que elegir I C y R C para obtener el V OUT deseado.

21 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Ejemplo de Emisor Común V CC R B R C v out R s v s Datos: V CC = 3.3 V, R B = 100 kω, R C = 75 Ω, ˆv s = 30 mv, R s = 2 kω, β = 750, V A

22 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Punto de polarización V CC R B R C I BQ I CQ V OUT = V CEQ V BEQ Suponemos M.A.D I C = β I B, V BE = 0.7 V, V CE > V CEsat = 0.2 V. I BQ = V CC V BE R B = 26 µa I CQ = β I BQ = 19.5 ma V OUT = V CEQ = V CC I CQ R C = V > V CEsat

23 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Análisis de pequeña señal R C i r v out R s i b i c v s R B R s i b i c v s R B r π g m v gs r o R C v out Parámetros de pequeña señal del transistor: g m = i C v BE = I CQ V th = 0.75 S r π = r o = i B v BE i C v CE 1 1 = β g m = 1 kω = V A I CQ

24 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Parámetros del amplificador: A vo = v out = g m (r o R C ) = R IN = R B r π r π = 1 kω R OUT = R C r o R C = 75 Ω A vs = v out R IN = A vo = v s R IN + R s Resta verificar que el amplificador no distorsione... queda de tarea :)

25 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Amplificador Source Común Cómo cambia todo si cambio un TBJ por un MOSFET? V DD R D Elimina la contínua i R Signal Source v out R s i G i D v OUT v s v IN + V G Punto de polarización V DD R D I R V OUT R s I G I D V GS + V G Suponemos que el MOSFET está en saturación:

26 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase I D = W 2L µ nc ox (V GS V T ) 2 I R = V DD V OUT R D I D = I R = W 2L µ nc ox (V GS V T ) 2 = V DD V OUT R D Entonces: V GS = 2(V DD V OUT ) R D W L µ nc ox + V T Finalmente verificamos que el punto Q este en zona de saturación: V DS = V DD I D R D > V GS V T

27 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Ganancia de tensión A vo de pequeña señal R D Signal Source i r v out R s i g i d v s R s i g i d v s g m v gs r o R D v out A vo = v out = g m (r o //R D )

28 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Resistencia de entrada, R IN : i t v t g m v gs r o R D v out i t = 0 R in = v t i t = R IN = v t i t rightarrow Esta es la resistencia de entrada inherente al circuito. Puede modificarse si se utilizan resistores para polarizar el circuito. Resistencia de salida, R OUT : i d i t R s g m v gs r o R D v t El generador controlado no se enciende. v gs = 0 g m v gs = 0

29 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase i t = i d + v t R D = v t r o + v t R D v t = i t (r o //R D ) R OUT = v t i t = r o //R D Ganancia de tensión A vs de pequeña señal Se puede también definir la ganancia de tensión respecto de la fuente de señal v s : A vs = v out v s = v out v s Para el source-común: v s v s 1 A vs v out = A vo

30 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Máxima señal sin distorsión: Máxima señal de entrada sin distorsión Hay que verificar que v gs se encuentre dentro del rango de validez del modelo de pequeña señal: v gs 0.2(V GS V T ) Máxima señal de salida sin distorsión: Límite superior: para v s demasiado negativa el transistor se va al corte, i.e. toda la corriente de señal anula la corriente de polarización v out,max = I DQ R D = V DD V DSQ Límite inferior: para v s muy positiva el MOSFET entrará en régimen de tríodo. El caso límite tolerable es: v OUT,min = V DSsat v out,max = V DSQ V DSsat = V DSQ (V GS V T )

31 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Relación de compromiso de A vo, R D, V DD e I DQ : Examinemos la dependencia con la polarización: A vo = g m (r o //R D ) g m R D Reescribimos A vo de la siguiente forma: A vo g m R D = 2 W L µ nc ox I D V DD V OUT I D V DD V OUT ID Luego, para obtener elevado A vo : V DD I D Si V OUT se quiere dejar constante, entonces ambos enfoques implican R D = V DD I D Consecuencias de un elevado valor de R D : Limitado por el valor de r o. Si R D r o A vo g m r o Requiere una pequeña I D, difícil de controlar. En Circuitos Integrados, requiere un área enorme de Si.

32 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase De hecho, en C.I. sería muy bueno prescindir completamente de resistores. Necesitamos un mejor circuito. Lo vemos la clase que viene.

33 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Principales conclusiones Amplificador Source/Emisor-Común con resistor: Alta resistencia entrada, ganancia de tensión y resistencia de salida ajustables con R D/C e I D/C. Excelente amplificador de trasconductancia, Aceptable como amplificador de tensión. Relación de compromiso de A vo, R D/C, V DD/CC, I D/C y V OUT : Superada mediante el uso de fuente de corriente (próxima clase). Necesitamos nuevas configuraciones de amplificadores (se estudiarán en materias posteriores): Para salvar relación de compromiso entre A vo y R OUT Para aquellos casos que se necesite baja R IN