universidade do estado de santa catarina centro … · sempre saturado 2 1 2 1 ref n p ... 4-...
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19/02/2018
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______________________________________________________________________ Eletrônica Analógica - II Prof. Volney C. Vincence
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Eletrônica Analógica - II
Prof. Dr. Volney Coelho Vincence
ELA2001 - 2018/1
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/vincence
______________________________________________________________________ Eletrônica Analógica - II Prof. Volney C. Vincence
______________________________________________________________________
O conteúdo dos slides aqui apresentados não refletem
todo o conteúdo abordado durante as aula.
Os exercícios e detalhamento da teoria, expostos nas
aulas presenciais, não estão contidos nestes slides.
Este material é para ser considerado apenas como de
apoio e de referencia parcial necessitando
complementação com auxílio de livros, apostilas, guias
de laboratório e literaturas afins.
Material auxiliar pode ser encontrado disponibilizado na
Biblioteca, em sites de fabricantes ou no site da
disciplina através de textos e links.
Aviso Importante
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Símbolo de transistores
Bipolar - BJT MOSFET
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DIAGRAMA EM BLOCOS AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO
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ESPELHO DE CORRENTE
Objetivos
-Analisar a operação de um espelho de corrente simples BJT ou MOSFET;
- Analisar a operação dos espelhos Simples, Wilson com compensação de
corrente de base, Cascode e o Widlar;
- Determinar os parâmetros de pequenos sinais dos espelhos de corrente;
- Analisar a operação de amplificadores com carga ativa;
- Usar o SPICE para análise e projeto.
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Q2 Q1
-VEE
IE1 IE2
IB1 IB2
IC1
IC2=IO
IREF
VO
ESPELHO DE CORRENTE COM TBJ
IC1 VCB=0
VBE1Q VBE1
IREF IC1
Q1 Q2
Q2 na região ativa
Efeito Early desprezível
IC1 = IC2=IC
IB1 = IB2=IB
21
1
REF
O
I
IPara >>1 1
REF
O
I
I
Impedâncias de entrada e saída
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ESPELHO DE CORRENTE COM MOSFET
- M1 = M2
- M1 na região de saturação
- Efeito Early desprezível
- O ganho depende da dimensão dos transistores
ID1 = ii
ID2= io
IG1 = IG2= 0
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Considerando o efeito Early iC
vCE -VA
1/r0
VCEsat
A
CEV
v
SC
V
VeII T
BE
1
Q2 Q1
-VEE
IE1 IE2
IB1 IB2
IC1 IC2=IO
IREF VO
A
BE
A
EEO
REF
O
V
V1
V
VV1
21
1
I
I
A
BEEEO
REF
O
V
VVV1
21
1
I
I
Utilizando séries e desprezando parcela com VA quadrático:
Quanto maior a diferença dos Vces maior é o erro no ganho.
erro
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8
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Uma fonte de corrente simples
11
1 2
C C B EL
L
A
V VVI
V R
R
VVI
BECC
REF
VCC
OAo IVr IO
Modelo equivalente CC,
válido para Q2 na região ativa
L
L O
O
VI I
r
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Espelho de corrente com compensação da corrente de base
EREF
II
2
1
2
1
EoII
1
221
1
REF
O
I
I
221
1
REF
O
I
I
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9
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Espelho de corrente de Wilson
Q2 Q1
IREF
Q3
IO
221
1
2
REF
O
I
I
221
1
REF
O
I
I
A vantagem deste espelho
de corrente é sua maior
resistência de saída RO
2
o
O
rR
Problema: erro devido ao
efeito Early
BECE
BECE
VV
VV
22
1
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Espelho de corrente Wilson melhorado
Q1 Q2
Q3 Q4
IO IREF
VBE
VBE VBE + +
+
- -
-
BECECEVVV
21
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Fonte de corrente de Widlar
OEBE2BE1IRVV
S
O
2
S
REF
T1
I
Iln
I
Iln
TBE
BE
VV
VV
lnR E F
E O T
O
IR I V
I
A vantagem deste espelho de corrente é trabalhar
com correntes baixas de saída sem aumentar
significativamente a resistência para gerar Iref.
Desta forma Iref >> Io.
Esta equação transcedental deve ser resolvida numericamente
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11
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r v
gmv
ro
RE
+
- - vx
1
//
11
1
x
x m
o
x
x m
o o
x E
E E
x
x
o m E
o
x
O E m E o
x
v vi g v
r
vi g v
r r
v i R
R R r
vi
r g Rr
vR R g R r
i
(1 )O o m E
R r g R
Resistência de saída da fonte de corrente Widlar
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CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO
ESPELHO DE CORRENTE MOS
M1 sempre saturado
2
12
1
SBPnREFVV
L
WkI
M2 saturado tGSO VVV
2
22
1
SBPnOVV
L
WkI
1
2
LW
LW
I
I
REF
O
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12
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Efeito de VO sobre IO
2
21
2
1 2
2 A
DS
SBPnO
V
VVV
L
WkI
2
1
1
2
A
GSO
REF
O
V
VV
LW
LW
I
I
O
A
o
O
O
O
I
Vr
I
VR
2
2
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Circuito guia de corrente CMOS
Espelho cascode MOS Padrão
Circuitos Melhorados de
Espelhos de Corrente
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Circuitos guias de corrente
R
VVVVI
BEEBEECC
REF
21
Considerando todos os
transistores idênticos e
muito alto:
REF
REF
REF
II
II
III
3
2
4
3
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AMPLIFICADORES DIFERENCIAIS
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- O Amplificador Diferencial é um circuito eletrônico capaz de receber dois sinais
Ao mesmo tempo e fornecer uma saída com o resultado que será a diferença
amplificada destes sinais.
- O par diferencial (idealmente) responde a sinais diferenciais (diferença das tensões
de entrada) e rejeita o modo comum (não reage a sinais idênticos).
- Entrada simples ou diferencial
-Terminação simples ou dupla.
Entrada simples
Saída simples
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Suposições:
1- Fontes de corrente ideais
2- Resistências de base desprezíveis
3- BJT na região ativa
4- Componentes casados Q1 = Q2
5- Resistência de saída do BJT infinita
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Entrada de modo comum – Rejeição na saída Entrada simples com valor alto - Q2 corta
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Entrada simples com valor alto
Q1 corta Entrada simples com valor baixo
Q1 e Q2 conduz Entrada simples com valor alto
Q1 corta
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OPERAÇÃO COM GRANDES SINAIS
B 2 B 1 TE 1 v v V
Ii
1 e
B 1 B 2 TE 2 v v V
Ii
1 e
B 1 B E 1 B E 2 B 2v v v v 0
E 1 E 2i i I
B E Tv V
E 1 Si I .e
D T
E 1
v V
i 1
I 1 e
D T
E 2
v V
i 1
I 1 e
E 1,2 Di f v
D B 1 B 2v v v
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tIDCOD
CCOD
VVIRV
VVV
2/tanh
21
x x
x x
e eta n h ( x )
e e
O D iDV f ( V )
-Só responde ao modo diferencial
-Uma diferença pequena no sinal de entrada fará com que a corrente circule
toda por um dos transistores.
-O amplificador diferencial pode ser usado como chave de corrente (família ECL)
velocidade muito alta (nenhum dos transistores satura)
D Tv 4 .V 1 0 0 m V
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DEGENERAÇÃO DE EMISSOR
-Resistência colocada no emissor para aumentar a faixa linear do ampdif.
-Reduz o ganho da estrutura com o aumento da linearidade.
C
D
E
RA
r 1 R
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TENSÃO DE MODO COMUM E DIFERENCIAL
iD i1 i 2
i1 i 2
iC M
V V V
V VV
2
i1 iC M iD
i 2 iC M iD
V V V 2
V V V 2
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A simetria do Ampdif permite simplificar sua análise convertendo as tensões de entrada em tensões
diferenciais e de modo comum.
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ANÁLISE DE PEQUENOS SINAIS
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Simplificação usada para determinação do ganho diferencial AD
ganho de modo comum ACM
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)1(2 EiCM
RR
0
DVCM
CM
iCM
i
VR
Er R ( 1) Onde
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O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA
2
v IDI
-VEE
Q1
Q4
Q2
Q3
VCC
+
- VO iC2 iC1
iO iC3
iC4
2
v ID
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O AMPLIFICADOR DIFERENCIAL COM CARGA ATIVA
Q1 Q2 e Q3 Q4
Vo é tal que Q2 e Q4 operam na região ativa
IB desprezível
2
v ID
2
v IDI
-VEE
Q1
Q4
Q2
Q3
VCC
+
- VO iC2 iC1
iO iC3
iC4
22
22
2
1
id
mC
id
mC
vg
Ii
vg
Ii
idmCCO
CCC
vgiii
iii
24
431
m
id
o
mg
v
iG
Transcondutância em curto-circuito
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Ganho de tensão em circuito aberto
Modelo para pequenos sinais
+
-
Vid
Gm vid
RO vO
+
-
Ri
om
id
oRG
v
v
42 ooorrR
T
m
pAn
o
V
Ig
I
Vr
2
2
)(
)4(2
ApAn
T
vo
VVV
A
11
1
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2
)2(1
21
22
tGS
idid
tGS
D
VV
vv
VV
IIi
M1 = M2
M1 e M2 saturados
Fonte de corrente ideal
VA
Realizando-se análise de grandes sinais
Vamos determinar :
1 , 2( )
D Di f v
1 2 1 2G G G S G S idv v v v v
2
1( 2 ) 1 ( 2 )
1
2D n G S t
Wi k v V
L
1 2D Di i I
n n o xk C
2
id
G S t
vV V linear
Função não linear
Quadrática
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Para grandes sinais
DC AC
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Característica de transferência normalizada do par diferencial MOS
Para grandes sinais
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+VDD
vo1 vo2
+ - vod
RD
Q 1 Q
2
-VSS
I
v2 v1
RD
OPERAÇÃO COM PEQUENOS SINAIS DO AMP. DIF. MOS
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Operação em pequenos sinais do amp. dif. MOS
2
)2(1
21
22
tGS
idid
tGS
D
VV
vv
VV
IIi
tGS
idVV
v
2
22)2(1
id
tGS
D
v
VV
IIi
2
id
md
vgi Corrente diferencial
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Ganho de modo diferencial
Dm
id
od
dRg
v
vA
v id
2
R D
Vod/2
Q1
Considerando saída simples: Dm
id
od
dRg
v
vA
2
1
Vod/2
+
-
gmvid/2 RD
Vid/2 +
-
Ganho de modo comum (considerando saída simples)
viCM
R D
2 R R
RA
D
cm
2
Vocm
+
-
gmvg
s
RD Vicm
2R
+
-
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CMRR (considerando saída simples)
RgCMRRm
Resistência de entrada de modo diferencial
id
R
Resistência de entrada de modo comum
icm
R
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Amplificador diferencial CMOS com carga ativa
VSS
VG1
I
M4
M1 M2 VG2
iD1 iD2
+ +
- -
M3
iO
VDD +
- Gmvd
vO
RO
vid
m
id
o
mg
v
iG
om
id
o
vRG
v
vA
42 ooorrR
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CARACTERÍSTICAS NÃO IDEAIS DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
Desequilíbrios DC do amplificador Diferencial BJT
- Tensão de Offset Vos RC IS
- Correntes de Offset Ios β
- Correntes de Polarização Ip
d
OD
OS
A
VV
2
21
21
BB
PP
IIII
21 BBOS
III
Desequilíbrios DC do amplificador Diferencial MOSFET
- Tensão de Offset Vos RD VT e W/L
- Correntes de Offset Ios Não existe
- Correntes de Polarização Ip
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CARACTERÍSTICAS NÃO IDEAIS DO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
A- Tensão de offset (VOS)
-VEE
VOS
+
-
RC2 RC1
Q2 Q1
VCC
0V
-VEE
RC1 RC2 VOD + -
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
OD
OS
A
VV
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VOS é devida ao descasamento nos resistores e nos transistores
2
2
2
1
C
CC
C
CC
RRR
RRR
ANÁLISE
1) Descasamento nos resistores
(transistores casados)
22
22
2
1
C
CCCC
C
CCCC
RR
IVV
RR
IVV
CCCODR
IVVV
212
Cm
C
d
OD
OS
Rg
RI
A
VV
2
C
C
TOS
R
RVV
Resistor de 1k com 1% de tolerância (variação de ±1%) significa que
Varia de 1010 para 990 (ΔR = 20ohm)
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2) Descasamento nos transistores
(resistores casados)
2
2
2
1
S
SS
S
SS
III
III
S S
E 1 E 2
S S
I II II 1 I 1
2 2 I 2 2 I
C
S
S
ODR
I
IIV
2
S
S
TOS
I
IVV
2 2
C S
O S T T
C S
R IV V V
R I
S
S1 S
S
II I 1
2 I
Significa que a variação na corrente
de emissor será a mesma variação
na corrente Is, isto é:
2 2
C S
O S T
C S
R IV V
R I
S
S1 S
S
II I 1
2 I
B E Tv V
E 1 Si I .e
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B - Correntes offset de entrada
1
2
21
III
BB Perfeitamente simétrico
21 BBOSIII
2221
Corrente de offset
Descasamento em
21
1
1
2
21
1
2
21
1
1
2
21
1
2
2
1
III
III
B
B
22
O S
II
1
11
xx
Quando x << 1
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______________________________________________________________________
C - Correntes de polarização IP
1 2
2 2 1
B B
B
I I II
Exercício: Para um amplificador diferencial com TBJ utilizando
transistores com =100, com descasamento máximo de 10%, e
descasamento de áreas de 10% ou melhor, e resistores de coletor
com descasamento de 2% ou melhor, encontre os valores de VOS,
IB e IOS. A corrente de polarização CC é de 100 uA.
O descasamento em β, para as correntes de
Polarização, não aparece.
Podemos representas o descasamento na corrente de offset
Em função da corrente de polarização IB.
22
O S
II
O S BI I
Da equação de
BI 0 , 5 u A
O SI 5 0 n A
O SV 2 , 5 5 m V
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______________________________________________________________________ Eletrônica Analógica - II Prof. Volney C. Vincence
______________________________________________________________________
Tensão de offset - Descasamento em RD, W/L e Vt
+VDD
vo1 vo2
+ - vod
RD2
Q 1 Q 2
-VSS
I
RD1 2
2
2
1
D
DD
D
DD
RRR
RRR
1. Descasamento em RD
DODR
IV
2
Dividindo pelo ganho gmRD
D
DtGS
OS
R
RVVV
2
2D
G S t
Ig m
V V
2D
II
G S t
Ig m
V V
Desequilíbrios DC do amplificador Diferencial MOSFET
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______________________________________________________________________
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
tGS
OS
2
3. Descasamento em Vt
2
2
2
1
t
tt
t
tt
VVV
VVV
tGS
t
tGSnD
tGS
t
tGSnD
VV
VVV
L
WkI
VV
VVV
L
WkI
12
1
12
1
2
2
2
1
tGS
t
VV
VII
2tOS
VV
Considerando
Pode ser desprezado o termo quadrático, assim:
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______________________________________________________________________
CONFIGURAÇÃO DARLINGTON
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Mostre que D = 1 2
CONFIGURAÇÃO DARLINGTON
Outras configurações Darlington
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Seguidor de tensão usando a Configuração Darlington
Fonte I para garantir 1 elevado
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CASCode + anODE = CASCODE
Vantagens: - Aumenta a resistência de saída ( bom para fontes e espelhos de corrente)
- Reduz capacitâncias de realimentação permitindo operações em alta
freqüências.
- Deslocamento de nível DC sem deslocar nível AC.
Amplificador Cascode
Foi primeiramente usado para circuitos à válvula.
Tipos de configurações cascode: EC-BC
EC-BC complementar
CC-BC complementar
EC-GC – emissor comum-porta comum
SC-BC – fonte comum – base comum
SC-GC – fonte comum – porta comum
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Ex.: Determinar a resistência de saída
Amplificador Cascode com BJT
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AMPLIFICADOR CASCODE
AMPLIFICADOR CASCODE MOS
Modelo de pequenos sinais
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Modelo de pequenos sinais para determinação de Ro
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AMPLIFICADOR “FOLDED” CASCODE
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Amplificador diferencial cascode
r3 v3 gm3v3 ro3
ro1
+
- vx
ix
33 oorR
3333
11 omoo
rrgrR
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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
= 200
VA= 100 V
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Exemplo de um Amplificador Operacional Completo
Estágio Saída
1º Estágio
2º Estágio
Polarização
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AMPLIFICADOR OPERACIONAL BIPOLAR
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Exemplo 6.3 – Sedra Smith (p. 484)
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1.9 AMPLIFICADOR OPERACIONAL CMOS