Etapas Básicas de Amplificación - desi.iteso.mx · Compuerta Común (GC) !! Drenaje Común (DC,...
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Dr. J.E. Rayas Sánchez2
Etapas Básicas de Amplificación
! Emisor Común (EC) !! Base Común (BC) !! Colector Común (CC, Seguidor de Emisor) !! Degeneración de Emisor (DE) !! Fuente Común (SC) !! Compuerta Común (GC) !! Drenaje Común (DC, Seguidor de Fuente) !! CC-EC, CC-CC y Darlington! Cascode! Diferenciales
Dr. J.E. Rayas Sánchez3
CC-EC, CC-CC y Darlington
Ibias
Q1
Q2
VCC
EntradaSalida
Ibias
Q1
Q2
VCC
Entrada
Salida
CC-EC CC-CC
Darlington
Ibias
Q1
Q2 Darlington en CC ≡ CC-CCDarlington en EC ≈ CC-EC
Dr. J.E. Rayas Sánchez5
CC-EC, CC-CC y Darlington - Señal Pequeña
rπ1gm1vπ1
rο
Ee
Ce
Be
vπ1
vπ2rπ2
gm2vπ2
*oe
o rr =
211 )1( πππ β rrr e ++=
21
22
ππ
π
vvvgg me
m +=
12
122 /1
/ππ
ππ
vvvvgg m
em +
=
211112 )/( πππππ rvgrvv m+=
)/1(/ 11212 mgrrvv += ππππ
)1()1(
1121
1122
πππ
ππ rgrr
rgrggm
mm
em ++
+=
)1()1(
121
12 β
ββππ +++=
rrg e
m
Dr. J.E. Rayas Sánchez6
CC-EC, CC-CC y Darlington – S. P. (cont.)
rπ1gm1vπ1
rο
Ee
Ce
Be
vπ1
vπ2rπ2
gm2vπ2
)1()1(
121
12 β
ββππ +++=
rrg e
m
TCm VIgr
/2
2
2
22
ββπ ==
TCTCm VIVIgr
/)/(/ 22
1
1
1
1
11 β
βββπ ≈==
211 ππ β rr ≈
222
2
2 mem
gr
g =≈π
β
Dr. J.E. Rayas Sánchez7
rπ1gm1vπ1
rο
Ee
Ce
Be
vπ1
vπ2rπ2
gm2vπ2
112 )1( bb ii β+=
112222 )1( bbc iii βββ +==
)1( 121
2 βββ +==b
ce
ii
CC-EC, CC-CC y Darlington – S. P. (cont.)
Dr. J.E. Rayas Sánchez8
222
2
2 mem
gr
g =≈π
β
Ibias
Q1
VCC
Be
Q2
Ce
Ee
211 )1( πππ β rrr e ++=
)1( 121
2 βββ +==b
ce
ii
CC-EC, CC-CC y Darlington – S. P. (cont.)
*oe
o rr =
Dr. J.E. Rayas Sánchez11
Cascode – Señal Pequeña
rο2vπ2rπ2
gm2vπ2
rπ1gm1vπ1vπ1 rο1
vi
vo 1ππ rr e =
1me
m gg ≈
?=eor
Dr. J.E. Rayas Sánchez12
Degeneración de Emisor – Señal Peq. (repaso)
rL vovi Re
)]||(1[ emoo RrgrZ π+≈
βπ −=−== rgiiA m
i
Li
em
Lm
i
ov Rg
rgvvA
+−==
1
ei
iin Rr
ivZ βπ +==
Dr. J.E. Rayas Sánchez13
Cascode – Señal Pequeña (cont.)
rο2vπ2rπ2
gm2vπ2
rπ1gm1vπ1vπ1 rο1
vi
vo 1ππ rr e =
1me
m gg ≈
)]||(1[ 1222 omoe
o rrgrr π+≈
)1( 22 β+≈ oe
o rr
La alta ro se explota en:! amplificadores de muy alta ganancia! referencias de voltaje
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Amplificador Diferencial – Señal Grande
TEB VvvSE eIi /)(
11−=
αTEB VvvS
E eIi /)(2
2 −=α
TBB Vvv
E
E eii /)(
2
1 21−=
Iii EE =+ 21
TBB VvvE eIi /)(2 211 −+
=
TBB VvvE eIi /)(1 121 −+
=
vC1 vC2
vB2vB1
I
VCC
VEE
RCRC
iE2iE1
Dr. J.E. Rayas Sánchez17
Amp. Diferencial – Señal Grande (cont.)
)()()( 2121 CCCCCCCCCCO RiVRiVvvv −−−=−=vC1 vC2
vB2vB1
I
VCC
VEE
RCRC
iE2iE1
TBB VvvE eIi /)(2 211 −+
=TBB VvvE e
Ii /)(1 121 −+=
CCCO Riiv )( 12 −=
+−
+= −− TBBTBB VvvVvvCO ee
IRv /)(/)( 1221 11
11α
−=
+−= −
−
T
BBCVvv
Vvv
CO VvvIR
eeIRv
TBB
TBB
2tanh
11 12
/)(
/)(
12
12
αα
−=
T
IDCO V
vIRv2
tanhα 21 BBID vvv −=
Dr. J.E. Rayas Sánchez18
Amp. Diferencial – Señal Grande (cont.)
−=
T
IDCO V
vIRv2
tanhα
I
VCC
RCRC
vID
+ vO
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6-5
0
5
Voltaje de Entrada (V)
Vol
taje
de S
alida
(V)
RC = 1KΩI = 5 mAVT = 25mVα = 1
Dr. J.E. Rayas Sánchez19
Amp. Diferencial – Señal Grande (cont.)
I
VCC
RCRC
vID
+ vO
Simulación en Spice:
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6-5
0
5
Voltaje de Entrada (V)
Vol
taje
de S
alida
(V)
VCC = 12VI = 5mARC = 1KΩQ: 2N2222
Dr. J.E. Rayas Sánchez20
Amp. Diferencial – Señal Grande (cont.)
Spice (−) VS modelo analítico (o):
I
VCC
RCRC
vID
+ vO
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6-5
0
5
Voltaje de Entrada (V)
Vol
taje
de S
alida
(V)
Dr. J.E. Rayas Sánchez21
Amp. Diferencial - Señal Pequeña
vC1 vC2
I
VCC
VEE
RCRC
iE2iE1vd
Td VvC eII /1 1 −+
= αTd VvC e
II /2 1+= α
)2/()2/(
)2/(
1 TdTd
Td
VvVv
Vv
C eeIeI −+
= α
L++++=!3!2
132 xxxexusando
y suponiendo que Td Vv 2<<
222)2/1()2/1()2/1(
1d
TTdTd
TdC
vVII
VvVvVvII ααα +=−++
+=
221d
mCvgII +=α
, similarmente 222d
mCvgII −=α
Dr. J.E. Rayas Sánchez24
Análisis en Señal Pequeña (otro punto de vista)
eid rR 2)1( += β
πr2=
d
ccd v
vvA 21 −=
Ce
d Rr
A α−=
CmRg−=
Dr. J.E. Rayas Sánchez25
Amp. Dif. en Degeneración de Emisor
d
ccd v
vvA 21 −=
)( Ee
Cd Rr
RA+
−= α
)(2)1( Eeid RrR ++= β
1ysi >>>> βeE rR
E
Cd R
RA −=
])1([2 Eid RrR ++= βπ
Dr. J.E. Rayas Sánchez26
Ganancia de Modo Común
CMc
c vRRv
21−=
CMc
c vRRv
22−=
CM
c
CM
cc v
vvvA 21 ==
RRA c
c 2−=
Dr. J.E. Rayas Sánchez27
Razón de Rechazo de Modo Común (CMRR)
c
d
AACMRR = Rgm=
)dB(log20c
d
AACMRR =
RR
Rg
c
cm
2
21
−
−=
Dr. J.E. Rayas Sánchez28
Par Diferencial JFET
vD1 vD2
vG2vG1
I
VDD
VSS
RDRD
iD2iD1
211 )( tGSD VvKi −=
idDD vKii =− 21
222 )( tGSD VvKi −=
21 GSGSid vvv −=
Iii DD =+ 21
resolviendo simultáneamente,
)2/()2/(1)
2(2
2
2
1 KIvvKIIi idid
D −+=
)2/()2/(1)
2(2
2
2
2 KIvvKIIi idid
D −−=
Dr. J.E. Rayas Sánchez29
Par Diferencial JFET (cont.)
)2/()2/(1)
2(2
2
2
1 KIvvKIIi idid
D −+=)2/(
)2/(1)2
(22
2
2 KIvvKIIi idid
D −−=
,)(2
2tGS VVKI −=
2
2
1 )()2/(1)
2)((
2 tGS
idid
tGSD VV
vvVV
IIi−
−−
+=
como 2)(2/ tGS VVKI −=
2
2
2 )()2/(1)
2)((
2 tGS
idid
tGSD VV
vvVV
IIi−
−−
−=
,)(
2 2tGS VV
IK−
=
Dr. J.E. Rayas Sánchez31
Par Diferencial E-MOS
2
2
1 )()2/(1)
2)((
2 tGS
idid
tGSD VV
vvVV
IIi−
−−
+=
2
2
2 )()2/(1)
2)((
2 tGS
idid
tGSD VV
vvVV
IIi−
−−
−=
Dr. J.E. Rayas Sánchez32
Análisis en Señal Pequeña (Modo Diferencial)
vD1 vD2
I
VDD
VSS
RDRD
iD2iD1
vd
vd1 vd2
0 V(signal)
RDRD
id2id1+vd /2 -vd /2
221III DD ==
21d
DmdvRgv −=
22d
DmdvRgv =
d
ddd v
vvA 21 −= DmRg−=
GD
vgs
S
gmvgs
Dr. J.E. Rayas Sánchez33
Asimetría en el Amplificador Diferencial
I
VCC
RC2RC1
+ VOQ2Q1
I
VCC
RC2RC1
+ 0VQ2Q1
VOS
I
VCC
RCRC
QQVOS
+ VO
VOS Input offsetvoltage
Dr. J.E. Rayas Sánchez34
VOS en Función de la Asimetría en RC
21C
CCRRR ∆+=
22C
CCRRR ∆−=
+−=
221C
CCCCRRIVv ∆α
−−=
222C
CCCCRRIVv ∆α
CO RIV ∆α2
−= dCOS ARIV /2
∆α−=
CT
Cmd RVIRgA 2/α−=−=
C
CTOS R
RVV ∆= )Tol(2CRTOS VV =
I
VCC
RC2RC1
+ VOQ2Q1
Dr. J.E. Rayas Sánchez35
VOS en Función de la Asimetría en IS
I
VCC
RC2RC1
+ VOQ2Q1
21S
SSIII ∆+=
22S
SSIII ∆−=
TBE VVSC eII /
11 = TBE VVSC eII /
22 =
)()( 21 CCCCCCCCO RIVRIVV −−−=
2
1
2
1
S
S
C
C
II
II = 21 CC III +=α
Resolviendo simultáneamente:
+=
S
SC I
III2
121
∆α
−=
S
SC I
III2
122
∆α
CS
SO R
IIIV
−= ∆α
2 S
STOS I
IVV ∆=
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VOS en Función de la Asimetría en RC y en IS
I
VCC
RC2RC1
+ VOQ2Q1
S
STOS I
IVV ∆=C
CTOS R
RVV ∆=
+=
S
S
C
CTOS I
IRRVV ∆∆
TV
TV OSOS =∂
∂
Ej.: Si VOS = 3mV a temperatura ambiente, la deriva en VOS con la temperatura es de 10µV/°C
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Efectos de la Asimetría en β
I
VCC
RC2RC1
+ VOQ2Q1
βββ == 21si1
2/21 +
==βIII BB
IOS Input offset current
|| 21 BBOS III −≡
21β∆ββ +=
22β∆ββ −=
2/11
212/
11 β∆ββ ++
=+
= IIIB
2/11
212/
22 β∆ββ −+
=+
= IIIB
Dr. J.E. Rayas Sánchez38
Efectos de la Asimetría en β (cont.)
2/11
212/
11 β∆ββ ++
=+
= IIIB
)1(21
11
12
++
+=
ββ∆β
I
+++
+=
β∆ββ
β )1(2)1(2
11
21IIB
++−
+=
β∆ββ∆
β )1(21
11
2I
,)1(2Si β∆β >>+
+−
+=
)1(21
11
21 ββ∆
βIIB
++
+=
)1(21
11
22 ββ∆
βIIBSimilarmente