Tema 5 CIRCUITOS AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL ENTRADA DIFERENCIAL

Transcripción

1 Tema 5 CIRCUITOS AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL ENTRADA DIFERENCIAL

2 Tema 5: Nociones generales Definición Un amplificador diferencial es un dispositivo que resta dos señales de entrada, multiplica la diferencia por una constante, y la muestra en el terminal de salida. La salida puede ser absoluta o diferencial En principio, la salida no se ve afectada por el valor de las dos señales sino estrictamente por su diferencia. Cuándo tienen utilidad? Ejemplo: Medir la corriente que alimenta un circuito usando una pequeña resistencia R. V OUT I QC = R G /7

3 Tema 5: Nociones generales Otro ejemplo Mejorar la calidad de señales ruidosas RESTA SE CONSIGUE DISCRIMINAR LA SEÑAL DE LAS INTERFERENCIAS 3/7

4 Tema 5: Nociones generales Tipos de entrada Entrada no inversora VA, V1, V+ : Entrada inversora VB, V, V-: VA VOUT VB VOUT NOTA: Nada impide usar corrientes como señales de entrada o salida Modo común y diferencial En lugar de utilizar las entradas tal cual son, es preferible usar dos señales derivadas de ellas, el modo común VC y el diferencial VD. V A+ V B V C= V A V B V D= V A =V C + V D V B =V C V D EL OBJETIVO ES AMPLIFICAR LA SEÑAL DIFERENCIAL Y ELIMINAR EL MODO COMÚN. 4/7

5 Tema 5: Nociones generales Equivalencia circuital de los modos diferenciales Definiciones de ganancia Ganancia del modo diferencial AD Ganancia del modo común AC Razón de rechazo del modo común CMRR V OUT AD = V D V OUT AC = VC AD CMRR= AC ES DESEADO QUE AC 0 Y, POR TANTO, CMRR 5/7

6 Tema 5: Nociones generales Definición alternativa de las ganancias En algunos textos, se prefiere utilizar como referencia la entrada inversora en lugar de la media aritmética de las entradas. V OUT AC = VC AD CMRR= AC V OUT V OUT V D 1 = = A V 'D V D V ' D D V ' C =V B V ' C =V C V D A' D= V ' D=V A V B V ' D= V D = A ' C AC A D NO ES UN PROCEDIMIENTO COMÚN 6/7

7 Par diferencial Dos transistores idénticos comparten el nudo de emisor o fuente. El más sencillo, utiliza resistencias iguales RA = RB como cargas en colector drenador. Los polariza una fuente de corriente, que se reparte por igual en ambas ramas si no hay tensión diferencial. En tecnología BJT: NPN PNP EN ESTE CASO, LA SALIDA ES SIEMPRE UNA TENSIÓN DIFERENCIAL 7/7

8 Par diferencial con resistencias Transistores de efecto campo NMOS PMOS NJFET PJFET CUIDADO CON LA POSICIÓN RELATIVA DE LAS RESISTENCIAS Y FUENTE! 8/7

9 Par diferencial NPN con resistencias Estudio directo de la salida 1 V O = V CC R B I CB V CC R A I CA =R I CA I CB Asumimos RA = RB. Si VA = VB = VC ICA = ICB por simetría I V V BE, B I EA =I EB = Q = I S exp BE, A =I S exp N V T N V T Como VE,A = VE,B, llamo a esa tensión VE. I EA=I S exp V A V E V V E, I EB =I S exp B N VT N VT I EA V V B = I S exp A I EB N VT CON ELLO, ELIMINAREMOS EL MODO COMÚN 9/7

10 Par diferencial NPN con resistencias Estudio directo de la salida V O =R I CA I CB =α F R I EA I EB I EA+ I EB =I Q I EA V V B = I S exp A I EB N VT En consecuencia... V O =α F R I EA I EB =α F R I Q th VD N VT ESTA ECUACIÓN NO ES VÁLIDA AL LLEGAR A SATURACIÓN O CORTE 10/7

11 Par diferencial NPN con resistencias Estudio con modelo en p. s. i b1 = v D v e hie i b = v D ve hie v O =v c vc1 = h fe R i b h fe R i b1=h fe R i b1 i b v D v e v D v e h fe R =h fe R = vd h ie hie h ie A D= Parámetros similares al ser iguales los transistores. V O =α F R I Q th AD = h fe R hie VD α R I Q α R IQ Δ V O F Δ V D AD F N V T N VT N V T h fe R h fe R h fe R h fe I E,X h fe I Q / α F R I Q = = = R = R hie N VT N VT h fe + 1 N V T h fe + 1 N V T N V T IB,X I E, X /h fe + 1 COINCIDEN! 11/7

12 Par diferencial NMOS con resistencias Estudio directo de la salida V O = V CC R B I DB V CC R A I DA =R I DA I DB Si VA = VB = VC IDA = IDB por simetría IQ I DA =I DB = =β V GS V T =β V C V S V T =β Q Llamo Q = VC VS VT por comodidad. En el modo diferencial: V A =V C + V D V B =V C V D I DA =β V A V S V T =β V C + V D V S V T =β Q+ V D I DB =β V B V S V T =β V C V D V S V T =β Q V D DESPEJANDO Q, SE PUEDE ELIMINAR EL MODO COMÚN 1/7

13 Par diferencial NMOS con resistencias Estudio directo de la salida V O =R I DA I DB Hemos supuesto RA = RB = R. Así... V O = β R β I Q V D 1 β V D β R β I Q V D IQ A D= β R I Q LA GANANCIA AUMENTA CON IQ 13/7

14 Par diferencial NPN con resistencias Método de la pequeña señal v GSA=v D v S v GSB= v D v S v bsa =v bsb = v S v O =v d v d1= v O=R g mb v gsb g mbb v bsb g ma v gsa g mba v bsa v O=R g m v gsb g mb v bsb g m v gsa g mb v bsa Parámetros similares al ser iguales los transistores. v O= R g m v D AD = R g m AD = R g m= R β I DS, X = R β IQ = β I Q COINCIDEN INCLUSO TENIENDO EN CUENTA EL SUSTRATO! VALIDO PARA JFETs! 14/7

15 NO IDEALIDADES EN PAR NPN CON RESISTENCIAS Cómo influyen las asimetrías en el diseño? Ejemplo: RA = R, RB = R + R V O =R A I CA R B I CB Sin embargo, sin efecto Early, ICX solo está controlada por VBE. Si la tensión diferencial es nula: IQ V V E V V E V V E = I S exp A = I S exp B = I S exp C N VT N VT N VT Por lo que: V O =R A I CA R B I CB =R I CA I CB Δ R I CB = Δ R IQ EN OTRAS PALABRAS, ENTRADA NULA NO PROVOCA SALIDA NULA TENSIÓN DE OFFSET DE LA SALIDA 15/7

16 NO IDEALIDADES EN PAR NPN CON RESISTENCIAS La asimetría entre ramas, de cualquier tipo, inducen una tensión de offset en la salida. Se modela como una tensión adicional, positiva o negativa, colocada en serie con la entrada no inversora y de valor... v OS = V OS v D =0 AD V OS,O = AD vos se denominará tensión de offset de la entrada y es un parámetro característico del amplificador Mínimo en pares BJT, alto en JFET y CMOS EN GENERAL, APARECE EN CUALQUIER AMPLIFICADOR DIFERENCIAL AMPLIFICADORES OPERACIONALES Y COMPARADORES 16/7

17 NO IDEALIDADES EN PAR NPN CON RESISTENCIAS Corriente de polarización de la entrada En un amplificador diferencial, la entrada puede modelarse con resistencias. Desde las entradas a tierra. Entre las dos entradas. Sin embargo, solo toman en cuenta variaciones de la corriente de entrada respecto a la salida cuando, en realidad, hay corriente incluso con entrada nula: CORRIENTE DE BASE/PUERTA EN TRANSISTORES BJT, JFET Y CMOS CORRIENTE DE POLARIZACIÓN BIAS DE LAS ENTRADAS BJT IQ β F I I B, B =I BASE, B Q β F I B, A =I BASE, A JFET CMOS I B, A =I G, A I B, A =0 I B, B =I G, B I B, B =0 I B, A+ I B, B I B, A I B, B I OS = I B= CONCEPTO DESARROLLADO EN AMPLIFICADORES OPERACIONALES 17/7

18 NO IDEALIDADES EN PAR NPN CON RESISTENCIAS Otro ejemplo... qué ocurre si hay efecto Early en distinto grado? V O =R I CA I CB Sin embargo... V CE, A V OA V C V γ I CA=I C0 1+ I C0 1+ V AF, A V AF, A I CB =I C0 1+ V CE, B V V C V γ I C0 1+ OB V AF, B V AF, B Aparece una dependencia del modo común no eliminable! NO ES EL ÚNICO MODO DE QUE APAREZCA AC DISTINTA DE 0. Ejemplo: RQ ANÁLOGAMENTE, PUEDE APARECER DEPENDENCIA DE VCC PSRR 18/7

19 Par diferencial NMOS con carga activa Se reemplazan las resistencias por un espejo de corriente Se demuestra su comportamiento como transconductor pues: I DA =I DC I DD I DD =i o + I DB I DA + I DB =I Q cte. Y como amplificador diferencial pues el espejo, en pequeña señal, es una resistencia muy elevada. Válido para: NPN como par, espejo PNP Cascodes adicionales como carga Etc. SE CONSIGUEN GANANCIAS MUY ALTAS 19/7

20 Par diferencial NMOS con carga activa Equivalente en pequeña señal 1 NOTAS Se suponen todos los transistores del mismo tipo IGUALES g ma=g mb=g mn g mba=g mbb =g mbn v gsa =v D v S v gsb = v D v S v bsa =v bsb = v S v gsc =v dsc g mc v gsc R= g 1 mp v gsd =v X g mc =g md= g mp g OC =g OD =g Op g OA =g OB =g On ECUACIONES COMPLICADAS 0/7

21 Par diferencial NMOS con carga activa Equivalente en pequeña señal Como ejemplo, supondremos: gmbn = 0 gon = 0 En el nudo S: g mn v gsa + g mn v gsb =0 v S =0 En el nudo X: G P =g Op + g mp 1 v X =G 1 P g mn v gsa =G P g mn v D En el nudo OUT: g Op v O+ g mp v X + g mn v D =0 A D= v O g mn 1 = 1+ G P g mp v D g Op 1/7

22 Par diferencial NMOS con carga activa Notas v O g mn g mp g mn AD = = 1+ = 1+ v D g Op g mp + g Op g Op β IQ 1 1 / = 1+ I 1 Q g Op IQ g Op 1+ λp 1+ g mp g mp NO EXTENDER EL RESULTADO A OTRAS TOPOLOGÍAS O TRANSISTORES Por otra parte, AD aumenta si disminuye gop. Pero gop se puede identificar con la resistencia de salida del espejo simple de corriente... PUEDEN USARSE ESPEJOS AVANZADOS PARA AUMENTAR LA GANANCIA /7

23 Par diferencial NMOS con carga activa Espejos avanzados Espejo cascode Espejo Widlar Degeneración de fuente NO AL AUMENTAR RO, AUMENTA LA GANANCIA 3/7

24 Par diferencial NPN con carga activa Espejos avanzados Espejo Simple Espejo cascode NO Espejo Widlar Degeneración de emisor OBVIAMENTE, EXISTEN CONTRAPARTIDAS PNP Y NMOS 4/7

25 Pares diferenciales con carga activa y cascode intermedio El par cascode aumenta la impedancia de salida. VX: Tensión de polarización MUY POPULAR EN TECNOLOGÍAS CMOS 5/7

26 Pares diferenciales JFET con carga activa Es imposible construir espejos con JFETs. Sin embargo, al ser un elemento de la tecnología bipolar, las cargas activas se construyen con espejos BJT. PAR PJFET con espejo NPN con degeneración de emisor TIPICO EN OPAMPS BIPOLARES CON ENTRADA JFET 6/7

27 Pares diferenciales realimentados Nada impide utilizar un amplificador diferencial con salida conectada a la entrada no inversora... Intuitivamente, puede verse que, si IDC = IDD VA = VO si no hay efecto de modulación de canal. Sin embargo, si el amplificador diferencial tiene ganancia AV ver transparencias anteriores: AV V A V O =V O V O = 1 V A V O V A 1+ A 1 V Pero... ESTO ES UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL! OPAMP SIMPLE PARA ATACAR IMPEDANCIAS ELEVADAS EJ: CASCODE ACTIVO 7/7