Clase 19- Aplicación de transistores a circuitos analógicos (II)

Transcripción

1 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 ectura recomendada: Howe and Sodini, Ch. 8, , Ch. 9, 9.4

2 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Amplificador Source Común Cómo cambia todo si cambio un TBJ por un MOSFET? V DD 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 I R V OUT R s I G I D V GS + V G Suponemos que el MOSFET está en saturación:

3 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 19 3 I D = W 2 µ nc ox (V GS V T 2 I R = V DD V OUT I D = I R = W 2 µ nc ox (V GS V T 2 = V DD V OUT Entonces: V GS = 2(V DD V OUT W µ nc ox + V T Finalmente verificamos que el punto Q este en zona de saturación: V DS = V DD I D > V GS V T

4 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 19 4 Ganancia de tensión A vo de pequeña señal Signal Source i r v out R s i g i d v s v in R s i g i d v s v in g m v gs r o v out A vo = v out v in = g m (r o //

5 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 19 5 Resistencia de entrada, R IN : i t v t g m v gs r o v out i t = 0 R IN = v t i t 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 v t El generador controlado no se enciende. v gs = 0 g m v gs = 0 i t = i d + v t = v t r o + v t

6 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 19 6 v t = i t (r o // R OUT = v t i t = r o // 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 in v in v s Para el source-común: v in v s v in v s 1 A vs v out v in = A vo

7 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 19 7 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: ímite 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 = V DD V DSQ ímite 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

8 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 19 8 Relación de compromiso de A vo,, V DD e I DQ : Examinemos la dependencia con la polarización: A vo = g m (r o // g m Reescribimos A vo de la siguiente forma: A vo g m = 2 W µ nc ox I D V DD V OUT I D V DD V OUT ID uego, para obtener elevado A vo : V DD I D Si V OUT se quiere dejar constante, entonces ambos enfoques implican = V DD I D Consecuencias de un elevado valor de : imitado por el valor de r o. Si 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.

9 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 19 9 De hecho, en C.I. sería muy bueno prescindir completamente de resistores. Necesitamos un mejor circuito. o vemos la clase que viene.

10 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase El transistor MOS como fuente de corriente: i OUT V REF + i OUT + v OUT I DSAT 1 r o V GS = V REF V DSSAT v OUT i OUT = 1 2 µ C ox Características: W (V REF V T 2 ( 1 + λ(vout V DSSAT El valor de la corriente de salida es i D y está definido por una tensión de referencia V REF. El transistor funciona como fuente de corriente en régimen de saturación. Hay un valor mínimo de tensión de salida para el cual la fuente funciona correctamente: v OUT = V DSSAT. Presenta una resistencia de salida R OUT = r o. El transistor N MOSFET es un sumidero de corriente.

11 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Fuente de corriente P-MOSFET: i OUT Vdd I DSAT 1 r o V GS = V REF V DD V REF + i OUT + v OUT V DD V DD + V DSSAT v OUT i OUT = 1 2 µc W ox (V REF V DD V T 2 ( 1 λ(vout V DD V DSSAT Características: El valor de la corriente de salida es i OUT = i D y está definido por una tensión de referencia V REF. 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: v OUT = V DD + V DSSAT. Presenta una resistencia de salida R OUT = r o. El transistor P MOSFET es un fuente de corriente. Cómo se implementa V REF?

12 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Copia de corriente espejo simple: i OUT = 1 2 µ C ox W 2 (V REF V T 2 I REF = 1 2 µ C ox W 1 (V REF V T 2 Entonces: ( W i OUT = I REF 2 ( W 1 i OUT se ajusta con I REF según la relación W/ de los MOSFETs: Circuito espejo de corriente. Es importante contar con transistores bien apareados : proporción W/ muy controlada, mismo V T, t ox, etc.

13 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Fuente de corriente P-MOSFET: Fuente espejo con P-MOSFET :

14 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase Múltiples fuentes de corriente Dado que I G = 0, de una sola fuente de corriente es posible obtener múltiples fuentes espejo: ( W I OUT n = I REF n ( W R a misma idea se aplica a fuentes de corriente NMOS:

15 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 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: ( W I OUT 1 = I REF 1 ( W R ( W I OUT 2 = I REF 2 ( W R ( W ( W ( W I OUT 4 = I OUT 1 4 ( W = I REF ( 4 ( 1 W W 3 3 R

16 86.03/66.25 Dispositivos Semiconductores Clase 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. 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 W/.