Tema 4 CIRCUITOS AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL ENTRADA SIMPLE
Tema 4: Nociones generales Estructuras ideales
CLASIFICACIÓN
Salida Corriente
Salida Tensión
Entrada Corriente
A. de Corriente
Transrresistor
Entrada Tensión
Transconductor
A. de Tensión
2/51
Tema 4: Nociones generales Definición de parámetros
●
Ganancia en tensión, AV
●
Ganancia en corriente, AI
●
Impedancia de entrada, ZIN
●
Impedancia de salida, ZOUT
V OUT AV = VIN
I OUT AI = IIN
V IN ZI N= I IN
V OUT Z OUT = I OUT
( )
Thevenin
DEPENDENCIA RESPECTO A LA FRECUENCIA 3/51
Tema 4: Nociones generales Objetivos
A. DE TENSIÓN
AV → ∞
Z I N →∞ Z OUT → 0
TRANSRESISTOR
AV → ∞
ZI N →0
Z OUT → 0
A. DE CORRIENTE
AI → ∞
ZI N →0
Z OUT → ∞
TRANSCONDUCTOR
AI → ∞
Z I N →∞ Z OUT → ∞
SIN EMBARGO, QUIZÁS CADA DISEÑADOR IMPONGA SUS CRITERIOS 4/51
Tema 4: Nociones generales Relaciones entre parámetros Ganancia respecto fuente
V OUT AVS = VS ZI N AVS = AV · Z I N + RS ZL AV = A I · ZIN
IO AV AI GM = = = V I N ZL Z I N
VO AV =Z L · A I = II N ZIN
RELACIONES ÚTILES PARA AGILIZAR CÁLCULOS 5/51
Tema 4: Acoplamiento Acoplo de señales Elementos en negro... ●
Fijan el punto de operación
Elementos en rojo... ●
Introducen la señal que amplificar
¡PERO ALTERAN EL PUNTO DE OPERACIÓN! SOLUCIONES... USO DE CAPACIDADES DE DESACOPLO (CASO DE ELEMENTOS DISCRETOS) ●
SELECCIÓN CUIDADOSA PUNTO OPERACIÓN (CASO DE LOS ICs) ●
6/51
Tema 4: Acoplamiento Acoplo de señales
A frecuencia elevada, los condensadores son cortocircuitos.
Función de los condensadores... ● ● ●
C1 y C2: En serie con otros, BLOQUEO para señales DC C3: En paralelo con otros, PASO para señales AC C4: Estabiliza la fuente, DESACOPLO 7/51
Tema 4: Topologías comunes Emisor Común
Notas ● ●
Punto de operación fijado por red con degeneración de emisor A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos → ¡RE desaparece! 8/51
Tema 4: Topologías comunes Emisor Común (pequeña señal)
De manera inmediata, surge el valor de ZIN: −1
v OUT =−h fe ·i b · h oe / / RC / / R L =−h fe ·
vI N
Z I N = i =hie / / R1 / / R2 IN
vi n −1 ·(h oe / / RC / / RL ) Zi n
v OUT (h−1 (h−1 oe / / RC / / R L ) oe / /RC ) si R L →∞ → AV = =−h fe · →−h fe · vI N hie hie
→ AI =
i OUT Zi n = AV · iI N ZL
−1
Z OUT =( RC / / h oe ) 9/51
Tema 4: Topologías comunes Emisor Común (Baja frecuencia)
Grosso modo, las condiciones de trabajo...
∣
1 ∣≪ RS , Z I s ·C B
N
∣
1 ∣≪ R E s ·C E
∣
1 ∣≪ R L , Z O s ·C L
APARECEN CEROS EN S=0 Y EL MISMO NÚMERO DE POLOS Al llegar a una frecuencia determinada, la ganancia es constante 10/51
Tema 4: Topologías comunes Emisor Común (Alta frecuencia)
Teorema de Miller (Aproximado...)
APARECEN POLOS Y CEROS EN AMBAS ETAPAS 11/51
Tema 4: Topologías comunes Emisor Común (Alta frecuencia)
vI N
Z HF I N = i =(hie / / R1 / / R2 / / IN
−1
vout A = =−h fe · vi ,n HF V
(h oe / / R C / / R L / /
1 s · ( C π+ ( 1+ AV , DC ) ·C μ )
1 ) s ·C μ
HF
i out HF Z i n AHF = = A I V · i i ,n ZL
hie HF
)
−1
Z OUT =( RC / / h oe / /
1 ) s · Cμ 12/51
Tema 4: Topologías comunes Emisor Común: Influencia del punto de operación ●
●
ZIN: Aumenta cuanto menor sea la corriente de base (y colector) y mayor R1//R2 No es contradictorio AV: Aumenta con el valor de RC y, generalmente, aumenta con la corriente de colector (hie predomina sobre hoe) Depende de la resistencia de carga RL salvo si RL >> (RC // hoe-1)
●
AI: Dependencia fuerte con ZL.
●
ZOUT: Disminuye con RC y si aumenta IC.
COMO BUSCAMOS VALORES ALTOS DE ZIN Y AV Y BAJOS DE ZOUT... ¡HAY QUE LLEGAR A UN COMPROMISO!
13/51
Tema 4: Topologías comunes Fuente Común
Notas ● ●
Punto de operación fijado por red con degeneración de fuente Modelos en pequeña señal similares para ambos. → No hay efecto sustrato en el JFET 14/51
Tema 4: Topologías comunes Fuente Común (pequeña señal)
vI N
Z OUT =( R D / / g −1 O )
Z I N = i =(R1 / / R2 ) IN
AV =
vOUT λ · I DS W =−g m ·(R D / / g −1 / / R )=− 2 · K · · I · √ DS O L N −1 −1 vI N L 1+ λ · I DS · ( R D + R L )
√
√
→ AV =−g m ·(R D / / g −1 O )=− 2 · K N ·
AI =
λ · I DS W · √ I DS · L 1+ λ · R−1 D · I DS
si R L →∞
i OUT ZI N =AV · iI N RL 15/51
Tema 4: Topologías comunes Fuente Común (Alta frecuencia)
Teorema de Miller (Aproximado...)
APARECEN POLOS Y CEROS EN AMBAS ETAPAS 16/51
Tema 4: Topologías comunes Fuente Común: Influencia del punto de operación ●
●
ZIN: Aumenta cuanto mayor R1//R2 ¡Cuidado con el ruido térmico! AV: Aumenta con el valor del la corriente de drenador y con RD Depende de la resistencia de carga RL salvo si RL >> (RD // go-1)
●
AI: Dependencia fuerte con ZL.
●
ZOUT: Disminuye con RD y si aumenta IDS por la influencia en gO.
Todo mejora si aumenta IDS pero... ¡EL CONSUMO SE VE AFECTADO!
17/51
Tema 4: Topologías comunes Emisor degenerado
Notas ●
Similar a Emisor común pero sin CE.
18/51
Tema 4: Topologías comunes Degeneración de emisor (pequeña señal)
R ' C =( RC / / RL )
Z I N =h ie+ ( β F + 1 ) · RE · h fe AI ≈ · h ie
1 h fe 1+ R E · hie
· ZI
N
(
−1 h−1 oe + R ' C ·(β F + 1) h−1 oe + R ' C + R E
AV ≈
h fe · hie
)
1 1+ R E ·
h fe hie
· R 'C
19/51
Tema 4: Topologías comunes Degeneración de emisor ●
Aumenta considerablemente la impedancia de entrada
●
Disminución de la ganancia (Corriente y Tensión)
Degeneración de fuente con FET ●
Conclusiones similares a BJT
●
Aparición de efecto substrato en MOS
20/51
Tema 4: Topologías comunes Base Común
Notas ● ● ●
Punto de operación fijado por red con degeneración de emisor Se puede polarizar la base con una fuente constante A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos → ¡R1 y R2 desaparecen! 21/51
Tema 4: Topologías comunes Base Común (pequeña señal)
Z X =( RC / / R L / / h−1 ob )
V AF h =( 1+ h fe ) · IC −1 ob
ZI N=
vI N h ie N ·V T =(R E / / hib )=(R E / / )=(R E / / ) iI N 1+ h fe IE
AV =− AI =
h fb h fe IC ·Z X= ·Z X≈ ·Z h ib hie N ·VT X
ZI N IC ZX · AV =Z I N · · RL N · V T RL
Z OUT =( RC / / h−1 ob )
Si RL << RC, hob-1 y hib << RE, entonces AI → 1 ¡SEGUIDOR DE CORRIENTE! 22/51
Tema 4: Topologías comunes Base Común (Alta frecuencia)
Aparecen dos nuevas capacidades, que pueden ser incluidas en hib y hob para calcular los distintos parámetros.
INNECESARIO EL TEOREMA DE MILLER 23/51
Tema 4: Topologías comunes Puerta Común
Notas ● ● ● ●
Punto de operación fijado por red con degeneración de fuente Se puede polarizar la puerta directamente con una fuente constante Aparece el efecto sustrato A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos → ¡R1 y R2 desaparecen! 24/51
Tema 4: Topologías comunes Puerta Común (pequeña señal) ● ●
La tensión de puerta es nula. La fuente del MOS es la entrada
g O + g m + g nb AV = 1 1 gO+ + R D RL
AI =
ZI N=
AI ·R AV L
Z OUT ≈ RD
ZI N=
RL AV
Z OUT ≈ RD
RD R D+ R L
Si RL << RD AI ≈1
g + g m+ g nb AV = O 1 gO+ RD
¡SEGUIDOR DE CORRIENTE! 25/51
Tema 4: Topologías comunes Puerta Común (Alta frecuencia)
Dos capacidades principales ● C puede combinarse con RD GD ● C se combina con RA por Thévenin e introduce GS un polo por desvío de corriente. ●
26/51
Tema 4: Topologías comunes Colector Común (o Seguidor de emisor)
Notas ● ● ●
Punto de operación fijado por red con degeneración de emisor La resistencia de carga puede ser la propia resistencia de emisor A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos → El colector se une directamente a tierra. 27/51
Tema 4: Topologías comunes Colector Común (pequeña señal)
R P=( R E / / R L / / h−1 oc ) R B=( R1 / / R2 )
v ec =v OUT 1
AV = hrc −
hic h fc · R P
≈
1 1 = ≈1 h ie N ·V T 1+ 1+ R P ·(1+ h fe ) RP · I E
iI N −1 −1 −1 −1 N · V T =R−1 + h · 1− A ≈ R + h ≈ R−1 → Z I N≈ RB ( ) B ic V B ic · B + ( R P ·(h fe + 1)) vI N RP · I E ZI N RB AI = · AV ≈ RL RL Z −1 I N=
¡SEGUIDOR DE TENSION! 28/51
Tema 4: Topologías comunes Colector Común (alta frecuencia)
Teorema de Miller, con K = AV,DC
Las capacidades se integrarían en RB 29/51
Tema 4: Topologías comunes Drenador Común (o Seguidor de fuente)
Notas ● ● ●
Punto de operación fijado por red con degeneración de fuente La resistencia de carga puede ser la propia resistencia de fuente A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos → El drenador se une directamente a tierra. 30/51
Tema 4: Topologías comunes Drenador Común (pequeña señal)
R P=(RS / / R L ) RG =(R 1 / / R 2)
v I N =v G v OUT =v S
AV =
gm
gm = g m + g mb
1 gm 1+ g mb
ZI N RG · AV = · RL RL
1 g 1+ m g mb
≈ −1
g m+ g mb+ g O+ R P
Z I N =RG
AI =
El cociente gm/gmb vale 0.1-0.3 en transistores reales. −1 Z OUT =( RS / / g −1 O / / g −1m / / g mb )
SEGUIDOR DE TENSION, PEOR QUE BJT 31/51
Tema 4: Fuentes de corriente Problema Muchos parámetros mejoran con valores elevados de RC, RE, RD, RS... Sin embargo, su uso fuerza el uso de valores de corriente menores. Solución Utilizar fuentes de corriente para polarizar los circuitos ●
Fijan el valor de la corriente de polarización
●
En pequeña señal, equivalen a una resistencia muy elevada
ALGUNOS EJEMPLOS... 32/51
Tema 4: Fuentes de Corriente Ejemplos con BJTs Base Común
Degeneración emisor
Seguidor de emisor
SOLUCION SIMILAR PARA CMOS USAR CASCODE O WIDLAR 33/51
Tema 4: Amplificadores CMOS Polivalencia de los MOSFET Los MOSFET pueden ser considerados como resistencias no lineales o fuentes.
Ejemplo de amplificadores inversores
PUEDE PRESCINDIRSE DE LAS RESISTENCIAS 34/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas BJT: Par CC-CE (Colector común, emisor común) Se busca una mejor amplificación. Suponemos sin acoplo capacitivo y polarizado con fuente de corriente como en muchos amplificadores operacionales. Notas La resistencia RX es opcional para polarizar Q1. Puede usarse una fuente de corriente. ●
●
IQ puede reemplazarse por una simple resistencia.
Se supone alimentación bipolar. VEE puede reemplazarse por tierra. ●
La tensión de entrada se sitúa en torno a -VEE+ 2·V para evitar que los transistores no dejen la ZAD. ●
35/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas BJT: Par CC-CE (Pequeña señal) Se combinan ambos modelos de transistor en pequeña señal.
R P1=(h−1 oc1 / / hie2 ) R P2=(h−1 oe2 / / RQ)
Z I N =h ic1−h fc1 · R P1 · h rc1≈hie1+ (1+ h fe1 )· R P1
Muy elevada
R P2 · R P1 R P2 · R P1 AV =h fe2 · h fc1 =−h fe2 ·(1+ h fe1) · hie2 · Z I N h ie2 · Z I N Z OUT =(h−1 oe2 / / R Q )
INVIERTE LA SEÑAL 36/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas BJT: Par CC-CE (Pequeña señal) Algunas simplificaciones... I C1 I B2 I B2 −1 −1 −1 + ≈ I B2 · ( V AF1+ (N · V T ) ) ≈ ≈h ie2 V AF1 N ·V T N ·V T I C2 −1 −1 R P2=h oe2+ RQ ≈h oe2 = V AF2 −1
−1
R P1=h oc1+ h ie2=
AV =−h fe2 ·(1+ h fe1 )·
R P2 · R P1 h h oe2 h 1 ≈−h fe2 · (1+ h fe1)· oe2 ≈−h fe2 ·(1+ h fe1) · ≈− h fe2 · oe2 hie2 · Z I N ZI N h ie1+ (1+ h fe1) · hie2 2 h ie2
¡Más baja (~0.5) que una única etapa con misma fuente de corriente! Sin embargo, al conectar una hipotética carga RL... AI =
ZI N · AV RL
Aumento espectacular por la impedancia de entrada Mejor amplificador de corriente o igual de tensión con mayor impedancia de entrada 37/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas BJT: Par Darlington Mismas condiciones que en el caso anterior, los colectores se unen. Notas La resistencia RX es opcional para polarizar Q1. Puede usarse una fuente de corriente. ●
Se supone alimentación bipolar. -VEE puede reemplazarse por tierra. ●
La tensión de entrada se sitúa en torno a -VEE+ 2·V para evitar que los transistores no dejen la ZAD. ●
38/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas BJT: Par Darlington (Pequeña señal) Modelo de emisor común
Reordenamos... Ecuaciones muy complejas 2 ● Básicamente, es un transistor con ganancia (1 + h ) utilizable en todas las fe configuración de un solo transistor. ● Comparado con CC-CE ● Menor ancho de banda → Problema ● Menor impedancia de salida → Mejora (Etapas de salida) ●
39/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas BJT: Par Cascode Útil cuando la carga se pone en serie con el amplificador Notas ●
Tensión de polarización independiente, VB.
Se busca crear un transconductor con alta impedancia de salida. ●
●
Usado para atacar cargas pequeñas
●
El valor DC de VIN fija el punto de operación.
UTILIZADA DESDE LOS TIEMPOS DE LAS VÁLVULAS DE VACÍO 40/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas BJT: Par Cascode (pequeña señal) Un transistor en emisor común y otro en base común −1 −1 R−1 =h + h ≈ h P1 oe1 ib2 ib2 −1 R−1 =h + R P2 ob2 L
N ·V T Z I N =h ie1≈ IO
hoe2 −1 V AF2 Z OUT =h = =( 1+ h fe2 ) 1+ h fe2 IO R P1 · R P2 h fe2 R P2 AV =h fe1 · h fb2 · ≈−h fe1 · · hie1 · hib2 1+ h fe2 hie1 ZIN h fe2 R P2 AI = AV · ≈−h fe1 · · RL 1+ h fe2 R L −1 ob2
(
)
41/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas BJT: Par Cascode (Aproximaciones) −1 −1 R−1 =h + h ≈ h P1 oe1 ib2 ib2 −1 R−1 P2 =h ob2 + R L
Z I N =h ie1 Z OUT =hob2 V AF2 Si R L ≪h ob2 =( 1+ h fe2 ) · → R P2≈ R L IQ ZIN h fe2 R P2 AI = AV · ≈−h fe1 · · ≈−h fe1 RL 1+ h fe2 R L R P1 · R P2 h fe2 R P2 RL IQ AV =h fe1 · h fb2 · ≈−h fe1 · · ≈−h fe1 · ≈ ·R hie1 · hib2 1+ h fe2 hie1 h ie1 N · V T L
42/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas BJT: Par Cascode (Versión 2) Utilizada en circuitos integrados Notas ●
Tensión de polarización independiente, VB.
Se busca crear un TRANSCONDUCTOR con ALTA impedancia de salida. ●
El punto de operación viene fijado por la fuente de corriente IQ. ●
OTRA VERSIÓN MUY POPULAR EN CIRCUITOS INTEGRADOS 43/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas BJT: Par Cascode 2 (pequeña señal) Un transistor en emisor común y otro en base común −1 −1 R−1 =h + h ≈ h P1 oe1 ib2 ib2 −1 −1 R−1 =h + R + R P2 ob2 Q L
N ·V T Z I N =h ie1≈ IQ
Z OUT =h
−1 ob2
R P1 · R P2 −h fe1 · h fe2 R P2 AV =h fe1 · h fb2 · ≈ · hie1 · hib2 1+ h fe2 h ie1
hoe2 = 1+ h fe2
(
−1
)
V AF2 =( 1+ h fe2 ) IQ
h fe2 RP2 AI ≈−h fe1 · · ≈−h fe1 1+ h fe2 R L
RESULTADOS SIMILARES AL ANTERIOR SALVO RQ 44/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas CMOS: Configuraciones CD-CS y Darlington Ambas configuraciones buscan incrementar la impedancia de entrada...
Drenador común – Fuente común
Darlington
CON POCA UTILIDAD PRÁCTICA: ZIN → ∞ EN TECNOLOGÍAS CMOS 45/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Uso similar al equivalente BJT. Notas ●
Tensión de polarización independiente, VB.
Se busca crear un TRANSCONDUCTOR con ALTA impedancia de salida. ●
El punto de operación viene fijado por la fuente de corriente IQ. ●
●
Pueden añadirse más y más cascodes.
UTILIZADO EN LA CREACIÓN DE ICs (AMP. TELESCÓPICOS) 46/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode (Pequeña señal) Notas VG1 = VIN → vGS1 = vIN ●V = VB → vG2 = 0 → vGS2 = -vA G2 ● v = -vA BS2 ●
K =g m2+ g mb2
−1 G P =R−1 + R Q L
g m1 1+ g −1 O2 · K AV =− · −1 −1 −1 g O1 1+ G P · ( g −1 O1 + g O2 + K · g O1 · g O2 ) UTILIZADO EN LA CREACIÓN DE ICs (AMP. TELESCÓPICOS) 47/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode (Impedancia salida)
1 Z OUT
=
g O1 · g O2 1 + RQ g O1+ g O2 + g m2 + g mb2
En general, RQ es muy grande −1 −1 −1 Z OUT = g−1 + g + g · g O1 O2 O1 O2 · ( g m2 + g mb2 ) −1
Equivalente en pequeña señal, simplificado y puesto como equivalente Thévenin.
g m1 1+ g O2 · K → AV =− · g O1 1+ G P · Z OUT i OUT AV g m1 1+ g −1 O2 · K → Gm = = ≈− · v I N RL g O1 Z OUT
INCREMENTO ESPECTACULAR DE LA RESISTENCIA 48/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Activo Un amplificador operacional aísla el transistor 1 de la carga.
Funciona como un cascode normal pero la tensión drenador-fuente del 1 permanece constante.
Recordemos que AD, en un Op Amp, es del orden de 104-106 49/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Activo (pequeña señal)
Notas
(
V B1=V S1=0V v =v → GS1 I N V G1=V I N v BS1=0
) (
)
(
V S2=V D1 v =−A D · v D1 → GS2 V B2 =0V v BS2 =−v D1 V G2= AD · ( V B −V D1 ) V I N
)(
) 50/51
Tema 4: Varios Transistores Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Activo (pequeña señal) Notas Se obtienen los mismos resultados que en cascode normal ya que solo hay que reemplazar gm2 por AD·gm2
−1
−1
−1
−1
Z OUT = g O1+ g O2 + g O1 · g O2 · ( A D · g m2+ g mb2 )
g m1 1+ g −1 O2 · K → AV =− · g O1 1+ G P · Z OUT i OUT AV g m1 1+ g −1 O2 · K → Gm = = ≈− · v I N RL g O1 Z OUT
K = AD · g m2 + g mb2
Aumento espectacular de la resistencia de salida. La transconductancia no mejora sensiblemente ¡Vigilar frecuencia de trabajo! 51/51
