EL42A - Circuitos Electrónicos Clase No. 17: Circuitos Amplificadores Lineales (5) Patricio Parada pparada@ing.uchile.cl Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad de Chile 8 de Octubre de 2009 1 /
Contenidos Configuraciones para Amplificadores MOSFET Configuración de Fuente Común Configuración de Drenaje Común Configuración de Compuerta Común Aplicaciones en Circuitos Integrados 2 /
Amplificador de Fuente Común con Resistencia en la Fuente I Al igual que en el caso del amplificador bipolar con emisor común, el amplificador de fuente común tiene problemas de inestabilidad con respecto a los parámetros del transistor. La combinación de la curva de carga con la característica del transistor nos permite definir que el punto de operación del circuito es donde V GSQ = V DSQ = V DD R D K n (V GSQ V t ) 2 R 2 R 1 + R 2 V DD. 3 /
Amplificador de Fuente Común con Resistencia en la Fuente II La sensibilidad del punto de operación con respecto de los parámetros del transistor es fácil de calcular: V DSQ = R D VOV 2 K n (1) V DSQ = 2K n R D V OV. V t (2) Para mejorar la condición de estabilidad del punto de operación del circuito, que es que ambas derivadas sean lo más pequeñas posibles, uno puede incorporar la resistencia R S entre fuente y tierra. La incorporación de esta resistencia hace relevante la consideración del efecto substrato (body effect), pues el terminar del cuerpo del transistor estará a una tensión distinta a la fuente. Nuestro análisis despreciará este efecto por el momento. 4 /
Amplificador de Fuente Común con Resistencia en la Fuente III En la figura mostramos el circuito de fuente común modificado. Para determinar la ganancia de voltaje del circuito utilizaremos el modelo para pequeña señal asociado al NMOS. Incluiremos el efecto Early modelado mediante la resistencia r o entre D y S. 5 /
Amplificador de Fuente Común con Resistencia en la Fuente IV Podemos plantear 4 ecuaciones para determinar V o en función de V i : g m V GS + V DS r o V i = V GS + V S V o = V DS + V S V S R S = V D R D = V S R S 6 /
Amplificador de Fuente Común con Resistencia en la Fuente V Combinando las ecuaciones obtenemos Reordenando términos ( g m (V i V S ) + V o V S r o = 1 R D V o. g m R S R D + 1 r o + Recordando que 1 r o + 1 R D = ) R S + 1 = g m V i. R D r o R D 1 r o R D, tenemos A v = g m(r o R D ) 1 + R. (4) S r o R D R D 1/g m r o 7 /
Amplificador de Fuente Común con Resistencia en la Fuente VI En el caso que r o, la expresión se simplifica aun más, considerando que r o R D R D r o 1/g m 1/g m. Luego A v = g mr D. (5) 1 + g m R S Es evidente, en ambos casos, que la incorporación de la resistencia R S tiene un costo operacional en términos de una menor ganancia de amplificación. En general, el término g m R S >> 1, por lo que la ganancia A v tiende asintóticamente a A v R D R S. 8 /
Amplificador de Fuente Común con Resistencia en la Fuente VII La disminución de la ganancia de voltaje del amplificador puede ser contrarrestada incluyendo un condensador C S en paralelo a R S. De esta forma se logra estabilizar el punto de operación y tener una buena ganancia de voltaje. Una solución más sofisticada considera estabilizar la corriente utilizando una fuente de corriente I Q en el terminal de fuente. 9 /
Amplificador de Drenaje Común La configuración de drenaje común toma su salida del terminal de fuente en lugar del drenado. Recibe el nombre de seguidor de fuente, porque su ganancia de voltaje es cercana a 1. La configuración típica es 10 /
Amplificador de Drenaje Común: Análisis AC I Nos concentraremos en el análisis AC, tal como lo hicimos con el amplificador de fuente común. 11 /
Amplificador de Drenaje Común: Análisis AC II Tenemos Por lo tanto, V in = R 1 R 2 R Si + R 1 R 2 V i V in = V gs + V o V gs = V in V o V o = V o = g m V gs (r o R S ). r o R S R 1 R 2 1 V i (6) g m + r o R S R Si + R 1 R 2 }{{} A vo La ganancia de voltaje total del amplificador es siempre menor que 1, lo que es consistente con el resultado para amplificadores bipolares de colector común. 12 /
Ejemplo Ejemplo de Diseño Diseñe un circuito seguidor de fuente utilizando un PMOS mejorado, y siguiente las siguientes especificaciones: V SDQ = 10 V I DQ = 2,5 ma R i = 50 kω A v = 0,90. El PMOS tiene V tp = 2 V, k p = 40 μa/v 2 y λ = 0. En el circuito V DD = 20 V y R si = 4 kω. 13 /
Solución I Comenzamos diseñando la polarización del circuito: La ganancia de voltaje es V DD = R S I DQ + V SDQ R S = V DD V SDQ 20 10 = I DQ 0,0025 = 4 kω. A v = pero R i = R 1 R 2, por lo tanto g mr S 1 + g m R S R 1 R 2 R Si + R 1 R 2 g m = R Si + R i ( R Ri ) = 8,68 ma/v. S A v (R Si + R i ) 14 /
Solución II Pero g m = 2 K p I DQ, por lo que 1 W 2 k p L = g2 m 4I DQ g2 m W L = 2I DQ k p = 376,7. Con este valor podemos calcular V SGQ, que al final nos servirá para determinar R 1 y R 2 : I DQ = K p (V SGQ V tp ) 2 { +1,424 V SGQ = +2,576 Elegimos la segunda raíz porque V SGQ > V tp para que el transistor esté encendido. 15 /
Solución III Finalmente, determinaremos R 1 y R 2 : R 1 V DD = R i V DD = R S I DQ + V SGQ R 1 + R 2 R 2 R i V DD R 2 = R S I DQ + V SGQ = 79,5 kω. R 1 lo calculamos reemplazando en R 1 = ( 1 R 1 R 2 1 R 2 = 134,7 kω ) 1 16 /
Resistencias de Entrada y Salida Para determinar las resistencias de entrada y salida podemos utilizar el siguiente circuito para pequeña señal: Resulta directo ver que, aunque la impedancia de entrada del MOSFET es idealmente infinita, la resistencia de entrada es R i = R 1 R 2. (7) 17 /
Resistencias de Entrada y Salida II La resistencia de salida la podemos calcular a partir del siguiente circuito: Podemos plantear LCK en el colector: I x = V x r o + V x R s g m V gs. Notamos que V gs = V o, por lo que R o = 1 g m R s r o. (8) 18 /
Configuración de Compuerta Común I Consideremos el circuito donde el terminal compuerta es común a la entrada y salida. La polarización del transistor se hace en forma directa mediante la fuente de corriente I Q. La resistencia R G protege la compuerta del MOSFET, evitando la acumulación de carga electrostática. 19 /
Configuración de Compuerta Común II El condensador C G permite que la compuerta tenga la misma tierra que la señal v i. El circuito equivalente para pequeña señal es el siguiente Vemos que V o = g m V gs (R D R L ) y V i = I i R Si V gs. 20 /
Configuración de Compuerta Común III Pero I i = g m V gs. Luego V i V gs = 1 + g m R Si La ganancia de amplificación de voltaje es A v = V o V i = g mr D R L 1 + g m R Si. (9) La ganancia de corriente se puede determinar del siguiente circuito 21 /
Configuración de Compuerta Común IV La corriente I o se puede determinar del divisor de corriente en la carga: En la fuente (S) tenemos Despejando obtenemos R D I o = g m V gs. R D + R L I i + g m V gs + V gs R Si = 0 R Si V gs = I i. 1 + g m R Si Finalmente, la ganancia de corriente es A i = I o I i = R D R D + R L g m R Si 1 + g m R Si. (10) 22 /
Resistencia de Entrada y Salida Resulta directo ver que Pero I i = g m V gs. Luego R i = V gs I i R i = 1 g m. (11) La resistencia de salida la podemos determinar directamente, ya que V gs = 0, por lo que R o = R D. (12) 23 /
Amplificador NMOS Integrados Vamos a considerar una aplicación bastante frecuente de encontrar en amplificadores implementados mediante circuitos integrados. En todas estas aplicaciones veremos que el circuito amplificador tiene una carga activa, esto es, la carga del circuito es un transistor. Estudiaremos tres tipos de amplificadores con cargas activas: Amplificadores NMOS con carga mejorada. Amplificadores NMOS con carga empobrecida. Amplificadores NMOS con carga PMOS. 24 /
Amplificadores NMOS con Carga Mejorada I En el circuito distinguiremos dos elementos: El transistor amplificador o driver, MD El transistor carga o load M L. Podemos ver inmediatamente que el transistor M L está saturado porque v GSL = v DSL > v DSL (sat) = v GSL V tl. Ello simplifica la expresión de la corriente i DL : i DL = K nl (v GSL V tl ) 2 (13) 25 /
Amplificadores NMOS con Carga Mejorada II El driver del circuito se rige por las expresiones habituales de voltaje-corriente: { K nd [2(v GSD V td )v DSD vdsd 2 i DD = ] v DSD < v DSD (sat). K nd (v GSD V td ) 2 v DSD v DSD (sat). (14) La curva de carga se puede obtener del loop de carga: V DD = v DSL + v DSD Como i DL = i DD = i D, y v DSL = v GSL, podemos escribir id v DSL = + V tl. (15) K nl 26 /
Amplificadores NMOS con Carga Mejorada III Luego, la curva de carga es v DSD = V DD V tl id K nl. (16) Los cortes de la curva de carga con los ejes se producen en i D = 0 :v DSD = V DD V tl v DSD = 0 :i D (max) = K nl (V DD V tl ) 2. 27 /
Amplificadores NMOS con Carga Mejorada IV 28 /
Amplificadores NMOS con Carga Mejorada V La curva de transferencia de voltaje puede ser utilizada para ver las características de amplificación del circuito completo: /