experimento 6 de eletrônica 2
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Universidade de Brasília
Departamento de Engenharia Elétrica
Laboratório de Eletrônica 2 - 1/2016
Experimento 6 – Amplificador Cascode CMOS
Aluno: Lucas Silva Lopes
Matrícula: 11/0129482
Objetivos
Obter a característica de transferência DC, o ganho de tensão de pequenos
sinais, a máxima excursão de saída, a impedância de saída, e a resposta em
frequência de um circuito amplificador cascode CMOS.
Procedimento Experimental
Para a obtenção da característica transferência DC do amplificador cascode
CMOS (Figura 1), utilizou-se as seguintes configurações:
Gerador de Funções
o Função rampa
o Amplitude de 2,115Vpp
o Offset de 2,115V
o Frequência de 1kHz
o Output Setup: High Z
o Conectado à Ventrada
Osciloscópio
o Modo XY
o
Probe 1xo Acoplamento AC
o Canal 1 conectado à Ventrada
o Canal 2 conectado à Vsaída
Fonte DC F152A
o 12V
o Conectado à VDD
Fonte DC Agilent
o Saída de +6V:
6V
Conectado à VGG2
o
Saída de ±25V:
10V
Conectado à VGG3
Para a obtenção do ganho de tensão de pequenos sinais do amplificador cascode
CMOS, utilizou-se as seguintes configurações:
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Gerador de Funções
o Função senoidal
o Amplitude de 100mVpp
o Offset de 2,115V
o Frequência de 1kHz
o
Output Setup: High Zo Conectado à Ventrada
Osciloscópio
o Modo Yt
o Probe 1x
o Acoplamento AC
o Canal 1 conectado à Ventrada
o Canal 2 conectado à Vsaída
Fonte DC F152A
o 12V
o Conectado à VDD
Fonte DC Agilento Saída de +6V:
6V
Conectado à VGG2
o Saída de ±25V:
10V
Conectado à VGG3
Para a obtenção da máxima excursão de saída, alterou-se a amplitude de pequenos
sinais do gerador de funções até o sinal na saída começar a distorcer. Para a
obtenção da resistência de saída a amplitude da onda senoidal do gerador foi
alterada para 300mVpp, Vsaída foi conectado em série com um capacitor de 4,7uF euma década resistiva, e a tensão nessa década foi medida com um canal do
osciloscópio. Para a medição da resposta em frequência (frequência de -3dB e
frequência de ganho unitário), alterou-se a frequência a partir de 1kHz até a
amplitude do sinal na saída se tornar 70% menor do que seu valor inicial (para a
obtenção da frequência de -3dB), e até a amplitude do sinal na saída se tornar igual
à amplitude do sinal na entrada (para a obtenção da frequência de ganho unitário).
Resultados e Discussão
No pré relatório (projeto) foi calculado um VGS,1 ≤ 2,88V para um ID,1 ≤
0,535mA e um ganho ≥ 20. Optou-se por ID,1 = 0,535mA. A resistência de saída
calculada foi 20746,88 Ω. Os pólos calculados, considerando apenas os Cgs dos
transistores e o CL = 18pF do osciloscópio, foram p1 = -2,67x106 e p2 = -53,55x106.
O zero foi considerado distante. Como Vsaída ≤ VGG3 +|VTP| (para todos os transistores
serem mantidos na saturação), para Vsaída ≤ 12V então VGG3 +|VTP| = 12V e VGG3 =
10,6V já que |VTP| = 1,4V. Como Ventrada ≤ (VGG2 -VTN)/2 (para todos os transistores
derem mantidos na saturação), para um Ventrada,máx= 3V (>2,88V) então VGG2 = 7,77V
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pois VTN = 1,77V. Optou-se por VGG2 = 8V. Os parâmetros utilizados para os
transistores foram obtidos do modelo SPICE Level 1 fornecido pelo professor. As
fórmulas utilizadas foram obtidas do capítulo 5 da referencia [1].
No laboratório, verificou-se que o máximo que VGG2 poderia alcançar seria
6V. Utilizando novamente que Ventrada ≤ (VGG2 -VTN)/2, fazendo VGG2 = 6V obteve-se
um valor Ventrada,máx= 2,115V para manter todos os transistores na saturação.Utilizou-se este valor para VGS,1, apesar de que deveria ter sido descontada a
amplitude da entrada de pequenos sinais.
Inicialmente fez-se um teste com VGG3 = 10,6V, VGG2 = 6V e VGS,1 = 2,115V.
Uma figura da característica de transferência não foi obtida, mas um esboço é
mostrado na Figura 2. Supôs-se que a causa para a estranha característica de
transferência fosse um alto valor de VGG3 = 10,6V. Diminuiu-se então VGG3 para 10V.
A nova característica de transferência, mais de acordo com o esperado, é mostrada
na Figura 3. O circuito é inversor, pois ele é bastante semelhante ao amplificador
inversor com carga fonte de corrente, apenas com um transistor intermediário entre
M1 e M3 adicionado para aumentar a resistência de saída e concomitantemente o
ganho, e ainda melhorar a resposta em frequência, pois retira o efeito indesejadoque a capacitância parasitária Cgd1 tinha por conectar diretamente a saída à entrada.
Para a obtenção do ganho do amplificador cascode CMOS, inicialmente fez-se
um teste com um sinal de entrada de pequenos sinais de 20mVpp. Porém a saída
estava muito ruidosa. Portanto aumentou-se para 100mVpp. O ganho calculado foi
3,68/0,120 = 30,6, conforme se verifica pela Figura 4.
Para a obtenção da máxima excursão de saída, aumentou-se a amplitude da
entrada de pequenos sinais a partir de 100mVpp até imediatamente antes de o sinal
na saída começar a distorcer. Mediu-se uma tensão pico a pico do sinal na saída
igual à 9,44Vpp, quando o sinal de entrada era 300mVpp (Figura 5). Voltou-se a
amplitude do sinal de entrada para 100mVpp.
Para a obtenção da resistência de saída a amplitude da onda senoidal dogerador foi alterada para 300mVpp, Vsaída foi conectada em série com um capacitor
de 4,7uF e uma década resistiva, e a tensão nessa década foi medida com um canal
do osciloscópio, no modo Yt. A resistência de saída medida foi 45k Ω (Tabela 1),
maior que a calculada no projeto pois a corrente é menor e rout = rds3 = 1/ID,1λ 3.
Novamente verifica-se a relação entre ganho elevado e elevada resistência de saída.
Voltou-se a amplitude do sinal de entrada para 100mVpp.
Para a obtenção da resposta em frequência (frequência de -3dB e frequência
de ganho unitário ou 0dB), aumentou-se a frequência do sinal de entrada até a
amplitude do sinal na saída cair para 70% do seu valor inicial (para a obtenção da
frequência de -3dB) e até a amplitude do sinal na saída se tornar igual à amplitude
do sinal na entrada (para a obtenção da frequência de ganho unitário). Os valoresencontrados foram 17kHz e 560kHz respectivamente. Como o circuito para estas
medições precisou ser montado novamente (por desatenção durante a realização do
experimento), foi preciso mudar a polarização do circuito, pois quando montou-se o
mesmo circuito com as mesmas tensões obteve-se a característica de transferência
DC da Figura 6, onde o valor de offset da tensão de entrada não corresponde à
região de máxima inclinação da característica de transferência. Mudando a
polarização de VGS,1 = 2,115V para VGS,1 = 2,015V, obteve-se a característica de
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transferência DC da Figura 7, onde o valor de offset da tensão de entrada voltou a
corresponder à região de máxima inclinação da característica de transferência. A
justificativa para esta necessidade de ajustar a polarização pode ser a posição
diferente em que o circuito foi montado na protoboard. Os contatos em diferentes
lugares da protoboard têm diferentes valores de capacitância de da resistência. Isso
pode afetar a tensão VGS,1 efetivamente na entrada do transistor, devido aoresultante divisor de tensão constituído pelo contato e o transistor. O novo ganho de
tensão obtido foi 6,8/0,208 = 32,69 (Figura 8). A frequência de -3dB foi obtida
quando o ganho era 4,68/0,208 = 22,5 (0,68% de 32,69) (Figura 9). A frequência de
ganho unitário foi obtida aproximadamente quando o ganho era 0,208/0,212 = 0,98
(Figura 10).
O valor da frequência de -3dB foi 17kHz. Isto significa que há um pólo nessa
frequência. Contudo, o valor calculado no pré-relatório para o menor pólo foi
2,67MHz. Uma justificativa para tal diferença é o fato de terem sido considerados
apenas os valores de Cgs dos transistores e o CL do osciloscópio. Não foram utilizados
os valores de outras capacitâncias parasitárias porque as estimativas do Modelo
SPICE Level 1 não estavam adequadas.
Referências
[1] P. E. Allen and D. R. Holberg, "CMOS Analog Circuit Design", Oxford University
Press, 2002.
Figura 1 – Amplificador Cascode CMOS. Pinos utilizados de um CD4007 em azul.
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Figura 2 – Esboço da curva de transferência obtida quando todas as configurações
descritas no procedimento experimental foram seguidas, mas VGG3 = 10,6V.
Figura 3 – Característica de transferência DC para o amplificador cascode CMOS da
Figura 1, para as configurações descritas no procedimento experimental.
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Figura 4 – Ganho de tensão do amplificador cascode CMOS da Figura 1, para as
configurações descritas no procedimento experimental.
Figura 5 – Máxima excursão do sinal de saída do amplificador cascode CMOS da
Figura 1, para as configurações descritas no procedimento experimental.
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(A)
(B)
Figura 6 – (A) Curva de transferência quando o amplificador cascode foi remontado.
(B) equivalente à Figura 4 para quando o circuito foi remontado.
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Figura 8 – Novo ganho quando o amplificador cascode foi remontado e a tensão de
offset do gerador foi alterada de 2,115V para 2,015V..
Figura 9 – Frequência de -3dB: 17kHz.
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Figura 10 – Frequência de ganho unitário: 560kHz.
Tabela 1 – Obtenção da resistência de saída para o amplificador cascode CMOS da
Figura 1, conforme o que foi descrito no procedimento experimental.
Vrms [V] R [ohms] Pot [W]
0.069 1000 0.000004761
0.135 2000 9.1125E-06
0.318 5000 2.02248E-05
0.594 10000 3.52836E-05
1.02 20000 0.00005202
1.77 50000 0.000062658
2.37 100000 0.000056169
1.02 20000 0.00005202
1.32 30000 0.00005808
1.58 40000 0.00006241
1.76 50000 0.000061952
1.94 60000 6.27267E-05
2.08 70000 6.18057E-05
2.18 80000 0.000059405
2.28 90000 0.000057762.37 100000 0.000056169
1.46 35000 6.09029E-05
1.58 40000 0.00006241
1.69 45000 6.34689E-05
1.78 50000 0.000063368
1.86 55000 6.29018E-05
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1.94 60000 6.27267E-05
2.01 65000 6.21554E-05
2.07 70000 6.12129E-05
1.57 40000 6.16225E-05
1.6 41000 6.2439E-05
1.62 42000 6.24857E-05
1.64 43000 6.25488E-05
1.66 44000 6.26273E-05
1.68 45000 0.00006272
1.7 46000 6.28261E-05
1.72 47000 6.29447E-05
1.74 48000 0.000063075
1.76 49000 6.32163E-05
1.78 50000 0.000063368
1.78 51000 6.21255E-05
1.8 52000 6.23077E-05