amplificadores con transistores
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TEMA 6: Amplificadores con Transistores Electrónica
Tr. 6.1© los autores
TEMA 6: Amplificadores con Transistores
Contenidos del tema:
El transistor como amplificador. Característica de gran señal
Polarización. Parámetros de pequeña señal
Configuraciones de amplificadores con BJT y MOSFET
Polarización en Circuitos Integrados: Espejos de Coriente
Amplificadores Integrados MOS: configuraciones básicas
Respuesta en frecuencia de los amplificadores
Amplificadores diferenciales
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Uso de Transistores: conceptos básicos
vo=kvivi
vsvs
k > 1
Interruptor (llave):
Linealidad (peq. señal)Suministro de energíavi << 1Necesidad PolarizaciónZona “activa”
Amplificador:
No-lineal (gran señal)
Suministro de energíavi --> VDD
Necesidad PolarizaciónZonas de operación diferenciadas
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El transistor como amplificador (I)
Vo
VI
VCC Vo–
RC------------------------- iC VI( )=
VI vBE VBE vbe+==
componente en DC
componente AC de pequeña señal
Ecuación característica Vo-Vi de gran señal
Zona de amplificación
iC IsevBE UT⁄
IseVBE UT⁄
evbe UT⁄
⋅==
VI
Vo
VCC
VCEsat
CorteConducción
Saturación
0 VCC
IC evbe UT⁄
=
LinealizacióniC IC 1
vbeUT--------+
⎝ ⎠⎜ ⎟⎛ ⎞
≈
para vbe < 10mV
VBE
VCC-ICRC Q
Zonas de conmutación (llave OFF o ON)VI pequeña: BJT en corte, Vo = VCC
VI grande: iC grande, BJT en saturación, Vo = VCE(sat)
BJT
punto de operación
, OFF
, ON
ZAD
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VDD Vo–
RD---------------------- iD VI Vo,( )= Ecuación característica Vo-Vi de gran señal
MOSFET
Vo
VI
El transistor como amplificador (II)
VI
Vo
VDD
Corte
Lineal o Triodo
Saturación
0 VDD
Q
VT VI Vo VT+≈
Zona de amplificación
iDK2---- VI VT–( )2 1 λVo+( )=
punto de operación
iDK2---- 2 VI VT–( )Vo Vo
2–[ ]=
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Polarización (I)
Técnica de polarización = técnica para fijar el punto de operación en la zona de amplificaciónVarias maneras de polarizar dependiendo de: tipo de transistor
tipo de circuito tipo de amplificadorEjemplo:
??
?
fijar IC o fijar IB?
VBB VCC
VCCVCC VCC
VCC
-VEE
Tres objetivos generales:
- situar al ttor en zona de amplificación- obtener valor deseado de ganancia- disminuir distorsión
recta de carga
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Polarización (II)
Esquema práctico para polarización (BJT y MOS):VCC
VCC RC
RE
R1
R2
VB VCCR2
R1 R2+--------------------=
ICβF VB VBE on( )–( )
R1 R2||( ) βF 1+( )RE+-----------------------------------------------------------
VBRE-------≈=
para VB>> VBE(on) y RE >> (R1//R2)/(β+1)
conseguimos independizar IC de la T
Varios problemas de este esquema:
- RE reduce el rango de tensión a la salida- R1 y R2 derivan corriente de la señal de entrada- se necesitan condensadores para desacoplo DC- no apropiado para circuitos integrados
VCCVCC
f
Av rango de fecuencias medias
debido a C’s acoplo debido a C’s del transistor
C’s de acoplo
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Aproximación de Pequeña Señal
Fijada por el
Dada por el
vXY= VXY + vxy
iXY= IXY + ixy
vXY = Valor totalVXY = Valor constantevxy = Variable con t
Variables en el circuito:VXY
vxy
circuito equivalente
punto de operacióny la red de polarización
de pequeña señal
aquí el equiv. de peq. señal del ttor
equiv. peq. s. de VCC
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Parámetros de pequeña señal de un Amplificador
Para todo Amplificador se debe conocer: ganancia impedancia de entradaimpedancia de salidaancho de banda
todos los parámetros se miden en Pequeña Señal en el Punto de Operación
se obtienen analizando el circuito equivalente de pequeña señal del Amplificador
vi
vo
equivalente de pequeña señal del ttor
Avvovi-----= ganacia en tensión
imp. entrada
imp. salida
ii
ioZi
viii----=
Zovoio-----
vi 0=
=
Definición:
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Configuraciones básicas de Amplificadores
VCC
-VEE
Existen tres configuraciones básicas
BJT
X
Y
Z
Emisor común: X entradaZ salidaY tierra
Base común: Y entrada
X tierraZ salida
Colector común: X entradaY salidaZ tierra
VDD
-VSS
MOS
X
Y
Z
Fuente común: X entradaZ salidaY tierra
Puerta común: Y entrada
X tierraZ salida
Drenador común: X entradaY salidaZ tierra
RC
RBRE
RD
RS
RG
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Amplificador a Emisor ComúnAnálisis a frecuencias medias
RB
RC
VCCvI VI Q
vi t( )+=
v0 V0 Qv0 t( )+=
vI
v0
icib
r0gmvberπ
1gµ------
Circuito Equivalente en Pequeña Señal en ZAD:
RC
RB
vi t( )
v0 t( )
vbe
-
+
Ganancia en tensión: v0 t( ) gm RC//r0( )vbe–=
vberπ
RB rπ+--------------------vi t( )=
⎝⎜⎜⎜⎛ v0 t( )
vi t( )------------⇒ gm–
rπRB rπ+-------------------- RC//r0( )=
AV0v0 t( )
vi t( )------------= β0
RC//r0RB rπ+--------------------–=
Impedancia de entrada:
Zi Zo
Ziviib
---- RB rπ+==
Impedancia de salida: Zo
voio-----
vi 0=
RC//r0==Propiedades:
Alta ganancia (máximo valor -VA/UT= 5x103)
Alta resistencia de salidaModerada impedancia de entrada
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Polarización en Circuitos Integrados (I)
En los CIs se evita el uso de Resistencias y Condensadores para polarizar
Existen dos formas básicas de polarización: a) con resistencias activas b) con fuentes de corriente
En cualquiera de ellas se utiliza también el nivel de DC de la entrada para fijar el punto de operación
Resistencias Activas:Son resistencias nolineales que se realizan con ttres. en configuración diodo
V V
I I
I I
MOS en Saturación
I k '2-----W
L----- V VT–( )2 1 λV+( )
λ 0≈k '2-----W
L----- V VT–( )2==
I
VVT
resistencia en pequeña señal,
D
S
G
v
i
+
_ gmvrds
r vi--
rds1 gmrds+------------------------- 1
gm-------≈= =NMOS PMOS
caso VBS=0
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VSS
VDD
Fuentes de Corriente: Se realizan con ttres MOS en Saturación o BJT en ZADTipo FuenteTipo Sumidero
V
IBIAS
VGGIBIAS
VSS
IBIAS
V
VGG
VDD
V
IBIAS
VSS VDD
VGS = VGG - VSS
V
IBIAS
VSS VDD
VGS = VGG - VDD
para VBS = 0
Resistencia de salida en pequeña señal ro rds1 λVDS+
λIBIAS------------------------ 1
λIBIAS-------------------≈= =
Polarización en Circuitos Integrados (II)
VBBV
IBIASVBB
MOS
VEE
VCC
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Polarización: Espejos de CorrienteLos Espejos de Corriente se utilizan para obtener corrientes a partir de una corriente de referencia
ID1kn'
2------ W
L-----⎝ ⎠
⎛ ⎞1
VGS VT–( )2 1 λVDS1+( ) IREF= =
ID2kn'
2------ W
L-----⎝ ⎠
⎛ ⎞2
VGS VT–( )2 1 λVDS2+( ) Io= =
Io
WL-----⎝ ⎠
⎛ ⎞2
1 λVDS2+( )
WL-----⎝ ⎠
⎛ ⎞1
1 λVDS1+( )-----------------------------------------------IREF
WL-----
2WL-----
1
--------IREF≈=
Espejo NMOS simple
Existen además: a) versiones PMOS y BJTb) espejos múltiples o copiadores de corrientec) configuraciones mejoradas (mayor resistencia de salida)
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Modelo en AC del Espejo de Corriente NMOS
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Modelo en ac del Espejo de Corriente NMOS
ro
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Modificaciones al Espejo de Corriente NMOS
Cascode
Wilson Wilson modificado
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VDD VDD
IBIAS
IBIASvi
vivo
vo
Polarizados con corriente:
VSS VSS
Fuente ComúnDrenador Común= seguidor por fuente
VDD
IBIAS
VSS
vo
vi
VDD
IBIAS
VSS
vovi
Con carga activa: configuraciones fuente común
vi
vo
VSS
VDD VDD
vo
vi
VSS
vi
vo
VSS
VDD
NMOS CMOS CMOS
VDD
vo
vi
PMOSVSS
Ao g– mI go⁄≅
Ao g– mI gmL⁄≅
Ao 1≅
Amplificadores Integrados MOS: Configuraciones Básicas
se suelen obtener con espejos de corriente
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Técnicas de Polarización: Fuente Común
ro2VA2
IREF--------------- rds2
1λIREF------------------≈= =
Con corriente
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D1, D2
S1, S2
Técnicas de Polarización: Fuente Común
equiv. pequeña señal
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Amplificadores CMOS a Fuente Común
M2VGG
rds1
gm1vi
vi
v0
rds2
G1 D1 D2
S1 S2
Equivalente en pequeña señal
Aovovi-----=
g– m1gds1 gds2+------------------------------=
Ganancia en tensión:
Resistencia de salida:Resistencia de entrada: infinita
ro1
gds1 gds2+------------------------------=
vi
vo
VSS
VDD
vi
vo
VSS
VDD
M1
rds1
gm1vivi
v0
rds2
G1 D1 D2
S1 S2
Equivalente en pequeña señal
gm2vo
Aovovi-----= g– m1
rds1rds2rds1 1 gm2rds2+( ) rds2+-------------------------------------------------------------------=
Ganancia en tensión:
Ao g– m1 gm2⁄≅
Resistencia de salida:
Resistencia de entrada: infinita
ro1
gm2------------≅
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Técnicas de Polarización: Puerta Común
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Técnicas de Polarización: Drenador Común
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Amplificador sólo con MOS de canal n
Av
WL-----⎝ ⎠
⎛ ⎞1
WL-----⎝ ⎠
⎛ ⎞2
--------------–=
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Dada por la función de transferencia del amplificador en pequeña señal, obtenida usando el modelo dinámico de los transistores en su región de operación
Cdb
Csb
B
Cgs
Cgd
Teorema de Miller
V1 V2
YI1 I2
KV2V1------=
I1 I2
V1 V2= KV1
+ ++ +
____ Y1 Y2
Y1 Y 1 K–( )=
Y2 Y 1 1K----–⎝ ⎠
⎛ ⎞=
K>1 Y1 Y K–( )≈ Y2 Y≈,
Respuesta en frecuencia de amplificadores (I)
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vo
VDD
viCL
CgdPCgdN
CdbP
CdbN CT = CL+ CdbN+CdbP+CgdP
VSS
VGG
CgsP
CgsN
rdsNgmNvivi
v0
rdsP
CT
CgdN
CgsN
gmNvivi
v0
CR
R = (gdsN+ gdsP)-1
C = CT + CgdN
Avvovi----- gmN–( )R
ω1s ω1+----------------= =
ω1= (RC)-1
Amplificador CMOS a fuente común
f
lAvldB
0
A0
f1
-3dB
20dB/dec
GBW=A0f1
Respuesta en frecuencia de amplificadores (II)
usando Tma de Miller
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Aovovi-----= g– m1rsd3≅
vi
vo
VDD
vB M2
M1
M3VGG
A1v1vi-----=
g– m1gm2
---------------------≅v1
Con ella se pretende desacoplar la entrada con la salida en AC, evitando de ese modo la alta capacidad de entrada que cargaría las etapas precedentes
se puede hacer pequeña para disminuir la capacidadMiller a la entrada Cin1= cgd1(1-A1)n1
Amplificador CMOS a Fuente Común: Configuración Cascode
Avvovi----- Ao
ω1s ω1+----------------= =
CT = CL+ Cgd3+Cgd2+Cdb2+Cdb3
ω1= (RC)-1
R = rsd3
Respuesta en frecuencia:
,
aparece un segundo polo asociado a la impedancia en el nudo n1, peroes bastante mayor que ω1 y apenas afecta.
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VCCVCC
f
rango de frecuencias medias
debido a C’s acoplo debido a C’s del transistor
rango infinito de frecuencias
gmNvivi
v0
CR
f
lAvldB
0
A0
f1
-3dB
20dB/dec
GBW=A0f1
M2VGG
vi
vo
VSS
VDD
M1
C’s acoplolAvldB
lAvldB
Respuesta Típica en Frecuencia
caso ideal
caso real