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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES1
CAP. 1AMPLIFICADORES
DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES2
OBJETIVOS� Analisar a operação do amplificador diferencial
� Entender o significado de tensão de modo diferencial e de modo comum
� Determinar as características de pequenos sinais do amplificador diferencial
� Analisar e projetar amplificadores diferenciais com cargas ativas
� Analisar e projetar amplificadores com múltiplos estágios
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES3
INTRODUÇÃO
DIAGRAMA EM BLOCOS
CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO
1O ESTÁGIO
(DIFERENCIAL)2O ESTÁGIO
ESTÁGIO DE SAÍDA
VI VO
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES4
ESPELHO DE CORRENTE MOS
M1 sempre saturado
IREF
=1
2k
n
' �WL �1�VGS
�Vt �
2
M2 saturado �V O�V
GS�V
t �
IO=
1
2k
n
' �WL �2�V GS
�Vt �
2
IO
IREF
=�W /L �2�W /L �1
1.1.1 Circuitos de Polarização: Correntes de referência
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES5
Efeito de VO sobre I
O
IO=1
2k n
' �WL �2�V GS�V t �
2�1�VDS
2
V A2�
IO
IREF
=�W /L �2�W /L �1 �1�
V O�V GS
VA
2�
RO=
V�O
I� O
=ro2=
VA2
IO
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES6
Circuito guia de corrente CMOS
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES7
Q2Q1
-VEE
IE1 IE2
IB1 IB2
IC1 IC2 =IO
IREFVO
ESPELHO DE CORRENTE COM TBJ
IC1 VCB =0
VBE1QVBE1
IREF ≈ IC1
Q1 ≡Q2
Q1 e Q2 na região ativa
Desprezando o Efeito Early:
IC1 = IC2 =IC
IB1 = IB2 =IB
IO
IREF
=1
1�2/ �Para β>>1
IO
IREF
�1
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES8
Considerando o efeito Early:
iC
vCE-VA
1/r0
VCEsat
IC=� I B �1�V CE
V A�
Q2Q1
VEE
IE1 IE2
IB1 IB2
IC1 IC2
=IO
IREFVO
IO
IREF
�1
1�2
�
�1�VO�V
EE
VA
�
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES9
Exemplo de fonte de corrente a partir de uma fonte de tensão:
R
VBE
+
-
IREF
Q1 Q2
IO
VO
I O=1
1�2/�� 1�
VO
V A�� V CC�V BE
R �
IREF
=V
CC�V
BE
R
VCC
ro�V
A/ I
OIO
Modelo equivalente CC, válido para Q2 na região ativa
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES10
Circuitos guias de corrente
IREF
=V
CC�V
EE�V
EB1�V
BE 2
R
Considerando todos os transistores idênticos e β muito alto:
I1=I
2=I
REF
I3=2I
REF
I4=3I
REF
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES11
1.1.2 Circuitos de Polarização: Tensões de referência
a) Diodo Zener
V REF=V Z0�I ZRZ
IZ=V CC�V REF
RZ
Parâmetros importantes:�Estabilidade com a fonte de alimentação�Impedância de saída�Estabilidade com temperatura
Características:�Estabilidade com VCC depende de IZ e RZ
�Impedância de saída �Estavel em temperatura para V
Z0~ 5,6 V
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES12
b) Bandgap
V REF=V BE1� IC1R3
V E2=VTln [� IC1/A1�/� IC2 /A2�]
R1=R3=9R2 A2=10A1
V E2=VTln [10 ]=2,3VT
V REF=V BE1�2,3VTR1/R2
para V BE�0,7�V REF�1,24V
Características:�Tensão de referência igual ao �bandgap� de energia do semicondutor (~1,22 V para o Silicio)
�Soma de duas tensões com coeficiente de temperatura opostos�Alta estabilidade com temperatura�Adequada para baixas tensões de alimentação
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES13
1.2 Amplificador Diferencial com TBJ
Considerações iniciais:
�Fonte de corrente ideal
�Transistores e resistores casados
�Transistores na região ativa
�Resistência de saída do TBJ infinita
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES14
OPERAÇÃO COM GRANDES SINAIS
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES15
vE
Análise de grandes sinaisiE1=
IS
�e
�vB1�v
E �/V T
iE2=
IS
�e
� vB2�v
E � /V T
I=iE1�i
E2=
I S
�e
�v
E
VT �e
vB1
VT �e
vB2
VT �
iE1
I=
I
1�e [�vB2� vB1�/V T ]
iE2
I=
I
1�e[�v
B1�v
B2�/V
T]
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES16
OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS
�vi=(v
B1-v
B2) < 2V
T
�Temperatura ambiente
(~27ºC): VT = 25 mV
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES17
Curva de Transferência Característica:
α ≅ 1
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES19
Operação em MODO COMUM
�Entradas conectadas em
uma mesma tensão vCM
�Saídas independentes nos
coletores
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES20
Operação em MODO DIFERENCIAL
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES21
�v
id
2
RC
iR=0
RC
rπv1�
+
- gmv
1�
rπ+
v2�
-
R
vO1
+
- vO2
+
-
2mvg π
vid
2
CIRCUITO EQUIVALENTE DE PEQUENOS SINAIS
vo1=
vod
2v
o2=�
vod
2
vod=v
o1�v
o2
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES22
RC
vod
2
+
-gmv
1�
v1�
+
-
rπv
id
2
gm=
IC
V T
=I�
2VT
Análises de pequenos sinais
Ganho de modo diferencial
Saída diferencial (vo1
- vo2
): Saída simples ou modo comum (v
o1 ou v
o2):
Ad1=vo1
vid=�
1
2gm RC
Ad2=vo2
v id=
1
2gmRC
Add=vod
v id=�gmRC
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES23
Ganho de modo comum
vc1=vc2 =vocm
vicmvicm
RCRC
Q1
Q2
R
-VEE
VCC
I
VCC
RC RC
-VEE -VEE
2R 2R
vc1vc2
I/2 I/2
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES24
Meio circuito equivalente AC para análise de modo-comum
Acm=
vocm
v icm
Acm=�
gm RC
1�2gm R�1�1
� ���
R� C
2R
rπvπ
gmvπ
RC
2R
+
--
+
-
vocmvicm
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES25
CMRR: razão de rejeição de modo comum(considerando saida simples)
CMRR=�A
d
Acm
�=1
2 [1�2gmR �1�1
� o�]�gmR
CMRR�dB=20 log�
Ad
Acm
�
Obs: Os sinais de entrada contêm usualmente uma componente de modo diferencial (v
id) e uma de modo comum (v
icm)
vid=v
1�v
2
vicm=
v1�v
2
2v
o=A
dv
id�A
cmv
icm
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES26
Resistência de entrada de modo diferencial
Rid=
vid
ib�vicm=0
=2r�
Resistência de entrada de modo comum:
Ricm=
vicm
2ib�v
id=0
=1
2[r ��2R � ��1 � ]
Correntes de entrada (modos diferencial e comum):
ib1=
vid
R id
�v
icm
R icm
ib2=�
v id
Rid
�v icm
Ricm
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES27
Ricm
Rid
Ricm
1 21 2
Ricm /2 ≈ R(βO+1)
~ Rid/2 ~ Rid/2= rπ
Circuito equivalente de pequenos sinais para entrada de um amplificador diferencial
Modelo π Modelo T
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES28
1.7 O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA
A saída geralmente é acoplada a um estágio de baixa impedância que define a tensão v
o
vID
2�
vID
2I
-VEE
Q1
Q4
Q2
Q3
VCC
+
- VOiC2iC1
iOiC3
iC4
Utiliza-se apenas uma saída Espelho de corrente com transistores PNP substituem R
C
� menor área em CI� maior R
o maior A�
d
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES29
1.7 O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA
Q1 ≡Q2 e Q3 ≡Q4
Vo é tal que Q2 e Q4 operam na região ativa
IB desprezível
vID
2�
vID
2I
-VEE
Q1
Q4
Q2
Q3
VCC
+
- VOiC2iC1
iOiC3
iC4 iC1=
I
2�g
m
vid
2
iC2=
I
2�g
m
vid
2
iC1=i
C3=i
C4
iO=i
C4�i
C2=g
mv
id
Gm�
io
v id
=gm
Transcondutância em curto-circuito:
Análise DC:
R
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES30
Ganho de tensão em circuito aberto
Modelo para pequenos sinais
+
-
Vid
Gm vid
RO vO
+
-
Ri
Ad=v
o
vid
=GmR
o
Ro=r
o2r
o4
ro2 �4 �=
VAn � p�
I /2g
m=
I /2
VT
Ad=1
V T � 1
V An
�1
V Ap�Acm=
�r o42R �1�gm r�3 /2�