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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 1
CAPÍTULO 5
AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CMOS
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 2
+
vi
-
+
-
+Avi-
RS
+vo-
A→∞RS=0
+
vi
-
+
-
Gmvi GS +vo-
Gm=AGS
5.1 Introdução amp op ideal
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 3
+vi-
-
+
R2
R1 +vo-
2 2
1 12
1
11 111 1
o
i
v R Rv R RR
A R
= + ≅ + + +
Aplicações
amplificador inversor
2 2
1 12
1
111 1
o
i
v R Rv R RR
A R
= − ≅ −
+ +
-
+
R2
R1
+vi-
+vo-
amplificador não inversor
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 4
Transimpedance amplifier
2 2 211
1ov AR R Ri A A
= − ≅ − − ≅ − +
-
+
R2
i +vo-
- Continuous-time filters- SC filters- D/A & A/D converters- Sensor signal conditioning- Voltage & current references- Comparators- Nonlinear analog functions,- .......
Aplicações - 2
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 5
Etapas de projeto:•Escolha da arquitetura;• Correntes de polarização & dimensões dos transistores;•Compensação;•Simulação;•Layout; • Simulação pós-layout
Requisitos de projeto:
Tecnologia;
•Tensão de Alimentação;
•Ganho, GBW, excursão de tensão na saída, ruído, tensão de
offset, CMRR, PSRR, ICMR, SR ...
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 6
P. Allen and D. Holberg – CMOS Analog Circuit Design, 2nd. Ed., Oxford, New York, 2002.
Diagrama em blocos de um amp. op. genérico
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 7
5.2 Parametros de Desempenho
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 8
Vid(mV)
Vod(V)
VOS
Tensão de Offset
Offset sistemático – é resultado do projeto do circuito e está presente mesmo quando todos os dispositivos supostamente idênticos são casados ( geralmente pode-se obter baixos valores). Offset randômico – é resultado dos descasamentos nos pares de dispositivos supostamente idênticos (depende da área e da polarização).
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 9
P. R. Gray and R. G. Meyer, MOS Operational Amplifier Design – A Tutorial Overview, IEEE JSSC, vo. 17, n0. 6, pp. 969-982, Dec. 1982.
Ganho de Tensão Diferencial
d dBA
Extrapolated unity-gain frequency
1p−0 dB
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 10
P. Allen and D. Holberg – CMOS Analog Circuit Design, 2nd. Ed., Oxford, New York, 2002.
Tempo de Acomodação (Settling time)
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 11
Outros Parâmetros de Desempenho
CMRR, PSRR, Slew rate, Noise, Common-Mode Input Range, Output Swing, Power, Silicon Real State, ....
Faixa Dinâmica (Dynamic Range) - DR
,max
,min
20log in
in
vDR
v
=
Ruído (distinção entre sinal e ruído)
Distorção (dentro de um nível aceitável: depende da aplicação).
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 12
5.3 OTA (amp op de um estágio) OTA – Amplificador Operacional de Transcondutância
VSS
IT
+vG1
-
M1 M2
I1 I2
+vG2
-
1:B CM 1:B CM
1:1 CM
CL
BI1 BI2
BI1
Io= B(I2-I1)
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 13
Faixa de modo comum na entrada = amp. dif.
( )T
L P
BISRC C
=+
1 2id g gv v v= −
CL+CP1m idBg v−oR
+vo
-
( ) ( )1
1m o
do L P
Bg RA ssR C C
=+ +
( )11( )
2m
L P
BgGBW HzC Cπ
=+
Io= B(I2-I1)
VSS
IT
+vG1
-
M1 M2
I1 I2
+vG2
-
1:B CM 1:B CM
1:1 CM
BI1 BI2
BI1CL
asymmetry
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 14
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 15
5.4 Amplificadores Cascode & Folded-Cascode
Amp. Dif. Telescópico amp. Com espelho cascode auto-polarizado
Amp. diff. Telescópico com espelho cascode de baixa tensão
- Reduzida excursão de tensão;
-Doublet !
- Não adequado para para aplicações de baixa tensão
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 16
Amplificador folded-cascode
D. Johns and K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley, 1997.
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 17
P.R. Gray, P.J. Hurst, S.H. Lewis, and R.G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 4th. Ed., Wiley, 2001.
Amplificador folded-cascode
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 18
IT
IT/2
IT
IT/2
IT/2IT/2
IT
∆i ∆i∆i∆i
∆i2∆i
P.R. Gray, P.J. Hurst, S.H. Lewis, and R.G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 4th. Ed., Wiley, 2001.
Pode ser alterado para aumentar a excursão de tensão
Amplificador folded-cascode
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 19
0
01d
dL
AAsC R
≅+
P.R. Gray, P.J. Hurst, S.H. Lewis, and R.G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 4th. Ed., Wiley, 2001.
T
L
ISRC
± = ±
0d m oA G R=
& doublet
1m mG g=
( )
44
4
212 2
2
1 ds Ao ds
o ms A
ds Ads ds
ms A
gG gR g
gg gg
= =
+ +High-swing current mirror
Amplificador folded-cascode
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 20
5.5 Amplificador Operacional de dois estágios
ICMR: ver amp. dif.VDD
Excursão de tensão na saída
4 5DD DSsat o SS DSsatV V V V V− > > +
Ganho de tensão:
1 6
2 2 6 7
o m mdo
i ds ds ds dsLF
v g gAv g g g g
= = −+ +
CL
VSS
M4M3
M1 M2
M8 M5
M7
M6
ITvi
+
-
CC
vo
1:1 1:B
1:1 1:2B
inv noninv
Para offset sistemático → 0.
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 21
( )1
2 12 1
o x o o To C C
C
o o o oo o L
L
d v v dv dv II C Cdt dt dt Cdv dv I II I Cdt dt C
−= ≅ → =
−= + → =
CC
CL
voGmI -AdII
Io1
Io2
vi
+
-
vx
T
C
ISRC
± = ±
6max ( 1) Bext
L
I B ISR SRC
+ +− +≅ >
( 1) Text
L
B ISRC
− −= −
Amplificador Operacional de dois estágios
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 22
( ) ( )( ) ( )1
=+
o
in
A sV sV A s F s
Allen & Holberg, 1st ed.
Amplificador Operacional de dois estágios
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 23
x x x x1
I IR C−1
II IIR C− 1p2p
jω
σ
s-plane
φ M
Allen & Holberg, 1st ed.
Amplificador Operacional de dois estágiosResposta em freqüência
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 24
Resposta de um sistema de segunda ordem para vários valores de margem de fase
Allen & Holberg, 1st ed.
Amplificador Operacional de dois estágios
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 25
Circuito Equivalente diferencial
1mI mg g=
( ) 12 4
2 4 6 6
I ds ds
I db db gb gs
R g gC C C C C
−= += + + +
6mII mg g=
( ) 16 7
6 7
II ds ds
II db db L
R g gC C C C
−= += + +
Se CC→0, então
( ) ( ) ( )1 1o mI mII I II
in I I II II
V g g R RsV sR C sR C
≅ −+ +
Pólos relativamente próximos, a margem de fase pode ser baixa ou até negativa!
Amplificador Operacional de dois estágios não compensado
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 26
( ) ( ) ( )( ) ( )
0
1 2
11 / 1 /
dod
in
A s zVA s sV s p s p
−= = −
− −
Amplificador operacional compensado
0d mI mII I IIA g g R R=
( ) ( )11 1
I I C II II C mII I II c mII I II c
pR C C R C C g R R C g R R C
≅ − ≅ −+ + + +
( )2mII c
I II
mII
I I IC II
g CpC C C C C
gC
−≅ − ≅+ +
mII
c
gzC
=
Nota: 0 12 /d mI CGBW A p g Cπ = =
/T CSR I C=( ) ( )/ 1 1
2 T mI t fSR I g n iGBW
φπ
= = + +
+
vin
-
RIgmIvinCI
+
vI
-
gmIIvIRII CII
+
vo
-
CC
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 27
Para evitar baixa margem de fase ,escolher
2 , 2π>p z GBW 12π ≅ m
C
gGBWC
1 1
2
2 2tan tan2π π πφ − − ≅ − − −
MGBW GBWp z
1 1
6 6
( / ) + +
m I II C I II m
m C m
g C C C C C gg C g
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 28
P. Allen and D. Holberg – CMOS Analog Circuit Design, 2nd. Ed., Oxford, New York, 2002.
Amp op CMOS de dois estágios com compensação RC
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 29
P. Allen and D. Holberg – CMOS Analog Circuit Design, 2nd. Ed., Oxford, New York, 2002.
11
mII I II c
pg R R C
≅ −
( )2mII c
I II
mII
I I IC II
g CpC C C C C
gC
−≅ − ≅+ + ( )6
11/c z m
zC R g
= −−
31
z I
pR C
= −
Colocando z sobre p2:6 6
11 c IIz
m c
c L
m c
CC
CRg C
Cg
C += ≅
+
Pólo de alta freqüência
Amp op CMOS de dois estágios com compensação RC
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 30
Amplificador de dois estágios: equações de projeto
0 1 2
11
2 4
62
6 7
d d d
md
ds ds
md
ds ds
A A AgA
g ggA
g g
=
=+
=+
( )2mII c
I II
mII
I I IC II
g CpC C C C C
gC
−≅ − ≅+ +
mII
c
gzC
=
0 12 /d mI CGBW A p g Cπ = =
/T CSR I C=
CL
VSS
M4M3
M1 M2
M8 M5
M7
M6
ITvi
+
-
CC
vo
1:1 1:B
1:1 1:2B
inv noninv
VDD
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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 31
7 7SS DSsat o DD DSsatV V V V V− + < < −
max
min
ICM
ICM
VV
==
Ver amp. dif.
CL
VSS
M4M3
M1 M2
M8 M5
M7
M6
ITvi
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Amplificador de dois estágios: equações de projeto