cap. 1 amplificadores diferenciais e de mÚltiplos estÁgios
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CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS. 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 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES1
CAP. 1AMPLIFICADORES
DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS
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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
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES3
INTRODUÇÃO
DIAGRAMA EM BLOCOS
CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO
1O ESTÁGIO
(DIFERENCIAL)2O ESTÁGIO
ESTÁGIO DE SAÍDA
VI VO
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES4
1.1 CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO
ESPELHO DE CORRENTE MOS
M1 sempre saturado
2
12
1SBPnREF VV
L
WkI
M2 saturado tGSO VVV
2
22
1SBPnO VV
L
WkI
1
2
LW
LW
I
I
REF
O
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES5
Efeito de VO sobre IO
2
212
1 2
2 A
DSSBPnO V
VVV
L
WkI
2
11
2
A
GSO
REF
O
V
VV
LW
LW
I
I
O
Ao
O
OO I
Vr
I
VR 2
2
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES6
Circuito guia de corrente CMOS
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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
Q2 na região ativa
Efeito Early desprezível
IC1 = IC2=IC
IB1 = IB2=IB
21
1
REF
O
I
IPara >>11
REF
O
I
I
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES8
Considerando o efeito Early
iC
vCE-VA
1/r0
VCEsat
A
CEVv
SC V
VeII T
BE
1
Q2Q1
-VEE
IE1 IE2
IB1 IB2
IC1 IC2=IO
IREFVO
A
BE
A
EEO
REF
O
VV
1
VVV
1
211
II
A
BEEEO
REF
O
V
VVV1
21
1
I
I
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES9
Uma fonte de corrente simples
R
VBE
+
-
IREF
Q1 Q2
IO
VO
R
VV
V
VVI BECC
A
BEOO
1
21
1
R
VVI BECCREF
VCC
OAo IVr IO
Modelo equivalente CC, válido para Q2 na região ativa
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES10
Circuitos guias de corrente
R
VVVVI BEEBEECCREF
21
Considerando todos os transistores idênticos e muito alto:
REF
REF
REF
II
II
III
3
2
4
3
21
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES11
1.2 AMPLIFICADOR CASCODE
AMPLIFICADOR CASCODE MOS
Modelo de pequenos sinais
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES12
Modelo de pequenos sinais para determinação de Ro
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES13
AMPLIFICADOR CASCODE TBJ
Ex.: Determinar a resistência de saída
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES14
AMPLIFICADOR “FOLDED” CASCODE
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES15
1.3 CONFIGURAÇÃO DARLINGTON
Mostre que D = 1 2
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES16
Seguidor de tensão usando a Configuração Darlington
Fonte I para garantir 1 elevado
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES17
1.4 CONFIGURAÇÃO CC-BC e DC-GC
Análise
Coletor comum – base comum
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES18
Dreno comum – porta comum
Análise
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES19
Espelho cascode MOS
1.5 Circuitos Melhorados de Espelhos de Corrente
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES20
Espelho de corrente com compensação da corrente de base
EREF II
21
2
1
Eo II1
221
1
REF
O
I
I
221
1
REF
O
I
I
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES21
Espelho de corrente de Wilson
Q2 Q1
IREF
Q3
IO
221
12
REF
O
I
I
221
1
REF
O
I
I
A vantagem deste espelho de corrente é sua maior resistência de saída RO
2o
O
rR
Problema: erro devido ao efeito Early
BECE
BECE
VV
VV
22
1
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES22
Espelho de corrente de Wilson melhorado
Q1Q2
Q3Q4
IOIREF
VBE
VBEVBE
+ +
+
- -
-
BECECE VVV 21
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES23
Fonte de corrente de Widlar
OEBE2BE1 IRVV
S
O2
S
REFT1
I
Iln
I
Iln
TBE
BE
VV
VV
O
REFTO I
IVIR ln2
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES24
Exemplo:VCC=10V;IO=10A
a) Fonte de corrente simplesAssumindo VBE=0.6V
b)Fonte de corrente de WidlarEscolhendo IREF=1mA
11.5KΩ10
10ln
A1025mV
R
9.3KΩ1
0.710R
3
2
1
Q1 Q2
VBE2+-
VBE1-
+R2
R1I1 IO
VCC
Q1 Q2
R
VBE
+
-
IREF
Q1 Q2
IO
VO
k940μ10
6010R
A
.
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES25
rv
gmv
r
o
RE
+
-- vx
Resistência de saída da fonte de corrente de Widlar
oEmEO
E
oE
m
x
xO
Emmx
oE
mx
rRgRR
R
rR
g
i
vR
vR
gvgi
rvR
gvv
1
1
1
1
1
oEmO rRgR )1(
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES26
1.6 PAR DIFERENCIAL
CONSIDERAÇÕES
•Fonte de corrente ideal
•Transistores e resistores casados
•Transistores na região ativa
•Resistência de saída do TBJ infinita
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES27
TENSÃO DE MODO COMUM
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES28
OPERAÇÃO COM GRANDES SINAIS
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES29
vE
Análise de grandes sinais TEB VvvSE e
Ii 1
1 TEB VvvS
E eI
i 22
T
B
T
B
T
E
V
v
V
v
V
v
SEE eee
IiiI
21
21
TBB
TBB
VvvE
VvvE
eI
ieI
i
21
12
1
1
2
1
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES30
CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA
1
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES31
1.6.2 PAR DIFERENCIAL COM TRANSISTOR MOS
Q1 Q2
Q1 e Q2 saturadosFonte de corrente idealVA
)1(2121 idGSGSGG vvvvv
)2(2
1 2)2(1)2(1 tGSnD Vv
L
Wki
)3(21 Iii DD
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES32
Combinando as equações 1, 2 e 3 e considerando que no ponto quiescente
2
)2(1
21
22
tGS
idid
tGSD VV
vv
VV
IIi
GSGSGSDD VvvI
ii 2121 2
tem-se
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES33
Característica de transferência normalizada do par diferencial MOS
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES34
1.6.3 OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES35
![Page 36: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/36.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES36
SEPARAÇÃO DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL EM DUAS METADES
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES37
2
vid
RC
iR=0
RC
r1v
+
- 1mvg
r+
2v-
R
vO1
+
- vO2
+-
2mvg 2
vid
CIRCUITO EQUIVALENTE DE PEQUENOS SINAIS
22 21od
ood
o
vv
vv
21 oood vvv
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES38
RC2
vod+
-1mvg
1v
+
-
r2
vid
Cmid
odd Rg
V
VA
TT
Cm V
I
V
Ig
2
Análise de pequenos sinais
Ganho de modo diferencial
Obs.: Se a saída tomada for simples o ganho diferencial será:
Cmid
od Rg
V
VA
2
11
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES39
icm
ocmcm V
VA 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
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES40
Meio circuito equivalente AC para análise de modo-comum
R
R
Rg
RgA
v
vA
C
m
Cmcm
icm
ocmcm
21121
r v
gmv
RC
2R
+
--
+
-
vocmvicm
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES41
CMRR: razão de rejeição de modo comum
cm
ddB
mo
mcm
d
A
ACMRR
RgRgA
ACMRR
log20
1121
2
1
Os sinais de entrada contêm usualmente uma componente de modo diferencial e uma de modo comum
icmcmiddo
icm
id
vAvAv
vvv
vvv
221
21
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES42
Resistência de entrada de modo diferencial
ri
vR
icmvb
idid 2
0
Resistência de entrada de modo comum
122
1
20
Rri
vR
idvb
icmicm
As correntes de pequenos sinais que fluem quando tensões diferenciais e de modo comum são aplicadas são
icm
icm
id
idb
icm
icm
id
idb
R
v
R
vi
R
v
R
vi
2
1
![Page 43: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/43.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES43
Ricm
Rid
Ricm
1 21 2
Ricm/2 R(O+1)
~ Rid/2 ~ Rid/2= r
Circuito equivalente de pequenos sinais para entrada de um amplificador diferencial diferencial
Modelo Modelo T
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES44
RCRC
Q1 Q2
+VCC
+ vo -
vs
RS
RE RE
R I
Exemplo
VCC = 15 VRC = 10 kRE = 150 R = 200kI = 1 mA
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES45
+VDD
vo1 vo2
+ -vod
RD
Q1 Q 2
-VSS
I
v2v1
RD
1.6.4 OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS DO AMP. DIF. MOS
![Page 46: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/46.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES46
Operação em pequenos sinais do amp. dif. MOS
2
)2(1
21
22
tGS
idid
tGSD VV
vv
VV
IIi
tGSid VVv
2
22)2(1id
tGSD
v
VV
IIi
2id
md
vgi
![Page 47: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/47.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES47
Ganho de modo diferencial
Dmid
odd Rg
v
vA
vid
2
RD
Vod/2
Q1
Considerando saída simples: Dmid
odd Rg
v
vA
2
1
Vod/2
+
-gmvid/2 RD
Vid/2+
-
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES48
Ganho de modo comum (considerando saída simples)
vic
RD
2 R
R
RA Dcm 2
Vocm
+
-
gmvgs RDVicm
2R
+
-
![Page 49: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/49.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES49
CMRR (considerando saída simples)
RgCMRR m
Resistência de entrada de modo diferencial
idR
Resistência de entrada de modo comum
icmR
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES50
1.6.5 CARACTERÍSTICAS NÃO IDEAIS DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
Tensão de offset (VOS)
-VEE
VOS
+
-
RC2RC1
Q2Q1
VCC
0V
-VEE
RC1 RC2VOD +-
Q1 Q2
VCC
I I
VOS é a tensão que deve ser aplicada à entrada de modo que a tensão na saída seja igual a zero
d
ODOS A
VV
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES51
VOS é devida ao descasamento nos resistores e nos transistores
2
2
2
1
CCC
CCC
RRR
RRR
ANÁLISE
1) Descasamento nos resistores e transistores casados
22
22
2
1
CCCCC
CCCCC
RR
IVV
RR
IVV
CCCOD RI
VVV 212
Cm
C
d
ODOS Rg
RI
A
VV
2
C
CTOS R
RVV
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES52
2) Descasamento nos transistores e resistores casados
2
2
2
1
SSS
SSS
III
III
S
SE
S
SE
I
III
I
III
21
2
21
2
2
1
CS
SOD R
I
IIV
2
S
STOS I
IVV
22
22
S
S
C
CTOS
S
ST
C
CTOS
I
I
R
RVV
I
IV
R
RVV
![Page 53: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/53.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES53
Correntes de polarização de offset de entrada
1
221
I
II BB Perfeitamente simétrico
21 BBOS III
22 21
Corrente de offset
Descasamento em
21
1
1
22
1
1
2
21
1
1
22
1
1
2
2
1
III
III
B
B
12
IIOS
![Page 54: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/54.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES54
Correntes de polarização IB
BOS
BBB
II
IIII
12221
Exercício: Para um amplificador diferencial com TBJ utilizando
transistores com =100, com casamento máximo de 10%, e
casamento de áreas de 10% ou melhor, e resistores de coletor
com casamento de 2% ou melhor, encontre os valores de VOS, IB e
IOS. A corrente de polarização CC é de 100 mA.
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES55
Tensão de offset
+VDD
vo1vo2
+ -vod
RD2
Q1 Q2
-VSS
I
RD1
Descasamento em RD, W/L e Vt
2
2
2
1
DDD
DDD
RRR
RRR
1. Descasamento em RD
DOD RI
V 2
Dividindo pelo ganho gmRD
D
DtGSOS R
RVVV
2
![Page 56: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/56.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES56
2. Descasamento em W/L
2
2
2
1
LW
L
W
L
W
LW
L
W
L
W
LW
LWII
LW
LWII
D
D
21
2
21
2
1
1
LW
LWVVV tGSOS
2
3. Descasamento em Vt
2
2
2
1
ttt
ttt
VVV
VVV
tGS
ttGSnD
tGS
ttGSnD
VV
VVV
L
WkI
VV
VVV
L
WkI
12
1
12
1
22
21
tGS
t
VV
VII
2
tOS VV
![Page 57: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/57.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES57
Exemplo 6.3 – Sedra Smith (p. 484)
![Page 58: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/58.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES58
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
2vID
2vIDI
-VEE
Q1
Q4
Q2
Q3
VCC
+
- VOiC2iC1
iOiC3
iC4
22
22
2
1
idmC
idmC
vg
Ii
vg
Ii
idmCCO
CCC
vgiii
iii
24
431
mid
om g
v
iG Transcondutância em curto-circuito
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES59
Ganho de tensão em circuito aberto
Modelo para pequenos sinais
+
-
Vid
Gm vid
RO vO
+
-
Ri
omid
o RGv
v
42 ooo rrR
Tm
pAno V
Ig
I
Vr
2
2)(
)4(2
ApAnT
vo
VVV
A11
1
![Page 60: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/60.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES60
Amplificador diferencial CMOS com carga ativa
VSS
VG1
I
M4
M1 M2VG2
iD1 iD2
+ +- -
M3
iO
VDD+
- Gmvd
vO
RO
vid
mid
om g
v
iG
omid
ov RG
v
vA
42 ooo rrR
![Page 61: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/61.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES61
Amplificador diferencial cascode
r3 v3 gm3v3ro3
ro1
+
-vx
ix
33 oo rR
3333 11 omoo rrgrR
![Page 62: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/62.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES62
Amplificador diferencial cascode com carga ativa espelho de Wilson
Exercício:
Para o amplificador da figura determine Ri, Gm, Ro e o ganho de tensão em circuito aberto.
Dados: I = 0,2 mA = 200VA= 100 V
![Page 63: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/63.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES63
1.8 AMPLIFICADOR OPERACIONAL BIPOLAR
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TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES64
Exemplo 6.3 – Sedra Smith (p. 484)
![Page 65: CAP. 1 AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS E DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS](https://reader035.vdocuments.net/reader035/viewer/2022062222/56815454550346895dc26e16/html5/thumbnails/65.jpg)
TE 054 CIRCUITOS ELETRÔNICOS LINEARES65
1.9 AMPLIFICADOR OPERACIONAL CMOS