Appunti di Elettronica analogica con applicazioni

AB.

Gain-Boosting

gain-boosting

Il aumenta il guadagno ma aggiunge una coppia di poli complessi coniugati

common-gate

legati all’anello di reazione interna che si crea tra il e l’amplificatore ausiliario

che vanno compensati mantenendo il fattore basso al fine di garantire la stabilità del

sistema.

Si crea inoltre uno zero negativo che apparentemente potrebbe aiutare per la stabilità,

tuttavia, i poli complessi possono produrre attraversamenti multipli del cerchio unitario e

dar luogo a instabilità. gain-

La compensazione dei poli complessi non è però una pratica ardua e l’utilizzo del

boosting è una strategia vincente per aumentare il guadagno dell’amplificatore.

gain-boosting

Il più classico dei consiste nell’aggiunta di uno stadio cascode ausiliario.

Cascodare lo stadio ausiliario aumenta il guadagno dell’amplificatore di e introduce

un polo nello stadio ausiliario alla frequenza che modifica la risposta in frequenza dello

stadio.

Vengono generati inoltre due zeri (uno positivo e l’altro negativo) e tre poli parassiti ad alta

.

frequenza, oltre al solito polo dominante con frequenza di guadagno unitario

Lo schema appena descritto è del tipo: 3

La capacità compensa il loop esterno, il guadagno è del tipo .

3

≈

La frequenza del primo polo è data da: 1

=

1 3

2

Questo ci dà una pulsazione :

1

= ∗ = =

1

La presenza di è necessaria per compensare il loop interno.

→ ∞

Considerando { = 0

Il modello per piccolo segnale si presenta come:

Il nodo si trova a:

( − )

2

=

E questo viene dato da )

( = 0.

−

+

2

I nodi da prendere sono: )

( = ( − )

−

+ + 2

1 3 2

{ )

( = +

−

3

2

Da cui: )

( +

2

= −

−

3 2

Sostituendo al primo nodo: )]

) [

( − + ( +

= +

2 2 3

1 2 2

Da cui: )

( +

2

)]

) [ ∗

+ + ( +

= {( + } ∗

2 2 3

1 2 2

−

3 2

Ottenendo: )

( −

3 2

1

=

)

) (

(

) 2 + ( + )( − )

∗ +

+

+

∗ ( + 2 2 3 2

2

2 3

2 2

Da cui: )

( +

2 + 1)

= − ∗ (

−

3 2

Sostituendo: )

(

∗ +

2 2 2

= ∗ =− ∗ (1 + )∗

−

3 2

+

2 3

=− ∗ ∗

−

3 2 ( − )

1 3 2

∗ )

( 2

− + + ( + +

+

+ ∗ 2 2 2 3 2 3 2 3

2

2 3 2

Dividendo tutto per :

2 3

1+∗

1

3

=− ∗ ( + + )

2 3 2 3

2

2

)

( + ∗

1 + ∗ +

2 3

3 2

Si ricava:

1

=

2 3

= √

+ +

2 2 3 3

+ +

1 2 2 3 3

∗√

=

2

+ 2 3

3 2

3

=

{

Supponendo di avere: = 0

{ → ∞

Si avrebbe:

2 3 2

=√ =√

3 2 3

Per mantenere il fattore basso è dunque necessario avere alta rispetto a e ciò

3 2

comporta l’avere M3 più veloce di M2.

Nel caso di = 0:

Con e alti.

Se ≠ 0:

In questo caso è più basso ma contestualmente lo è anche .

I diagrammi della fase si presentano come:

L’aggiunta di migliora la stabilità e contribuisce dunque alla diminuzione di

.

Se :

≫ ,

2 3

1+∗

1 3

=− ∗ ( + )

2 3

2

1 + ∗ + ∗

2 3

3

E: ( + )

3 2 3

√

=

2

2 3

= √

( + )

2 3

{

Dunque, si abbassa e contestualmente lo fa anche e quest’ultimo è uno svantaggio.

gain-boost

L’idea del può essere iterata per realizzare guadagni elevatissimi ad esempio nel

gain-boosting annidato:

Però realizzare un dispositivo a guadagno elevato può non essere sempre una scelta sensata

poiché, qualora stessimo lavorando ad una pulsazione superiore alla pulsazione del polo

dominante, la funzione di trasferimento inizia ad essere tagliata con una certa pendenza con

contestuale crescita della funzione d’errore.

gain-boost annidato

Un esempio di è il seguente:

CAPITOLO 3: Stadi di uscita CMOS

Gli stadi di uscita sono caratterizzati dall’avere tensioni, correnti e dissipazioni di potenza

maggiore rispetto agli altri circuiti elettronici perché, essendo collocati all’uscita di un

sistema di amplificazione, e dovendo pilotare un carico, dovranno lavorare con tensioni

superiori e/o correnti superiori rispetto agli altri stadi.

Gli stadi di uscita come il classe A, il classe B e il classe AB sono già stati analizzati nel corso

folded-

di Elettronica 2, motivo per cui in questo capitolo verranno trattati nel dettaglio il

Darlington Darlington Compound,

e l’FVF, visti come varianti del e del spesso anche chiamato

SSF (super-source-follower).

Compound-Sziklai-SSF compound

Il tipico circuito che realizza un in classe A è il seguente:

Che realizza uno schema di reazione di tipo serie-parallelo e di conseguenza porta ad un

aumento di , ad una diminuzione di e fa tendere il guadagno

≈ 1.

Lo stadio in questione controreazionato può in un certo senso essere visto in questo modo:

source

Con la reazione che viene chiusa sul di M1 e M2 che fa da stadio amplificatore.

L‘impedenza d’uscita viene fissata dunque da M1:

1

≈

1 2

Si ricorda che un aumento dell’impedenza comporta una diminuzione della capacità e una

diminuzione dell’impedenza comporta un aumento della capacità.

Si ricorda che la controreazione è in grado di migliorare soltanto se la resistenza

feedback.

d’ingresso è messa tra ingresso e chiusura del ramo di Se la resistenza fosse messa

verso massa per polarizzare, non si riscontra alcun aumento della .

È il caso di un collettore comune polarizzato in base:

Nonostante la presenza di una resistenza di degenerazione che preleva la effettuando

dunque uno schema di reazione, l’impedenza di ingresso non è , come auspicato,

bensì che abbatte totalmente i benefici della degenerazione, confermando anche

∥

1 2

quanto accennato prima.

compound

Lo stadio è migliorabile adottando la tecnica dell’FVF, sapendo che dal punto di

vista del segnale un PMOS e un NMOS sono esattamente uguali e posso intercambiarli a

seconda della convenienza.

compound

Partendo dunque dal classico:

è possibile cambiare polarità a M2: compound

Il comportamento del circuito di sopra è totalmente uguale a quello di un classico,

ma attraverso la tecnica del FVF, si ha una differenza molto più bassa di quanto era

−

possibile ottenere nel caso classico.

Di fatto però, l’SSF e l’FVF realizzano delle ottime prestazioni come buffer di tensione.

La tecnologia FVF porta con sé dei problemi di dinamica:

Con il nodo d’uscita che non si siede sull’alimentazione ma che arriva a .

− =

Per migliorare tale aspetto si inserisce una polarizzazione in DC:

Con il nodo d’uscita che si siede a .

= + ∆ − ≤ − 2

Arrivare un valore molto vicino all’alimentazione è parecchio difocile e di fatto non è

Rail-to-Rail.

possibile avere una dinamica common-gate

Per realizzare il generatore si inserisce un che fa da buffer di corrente per

∆, source,

la corrente e allo stesso tempo fissa la sua tensione di che blocca a sua volta la tensione

:

1

Scegliendo , ci si avvicina alle prestazioni in dinamica auspicate senza

≈ − −

il bisogno di andare ad effettivamente inserire una batteria flottante.

Tra l’altro, M3 consente anche di migliorare il guadagno ad anello aperto della struttura e

dunque le prestazioni della retroazione purchè il generatore di corrente di sotto venga

cascodato.

Darlington Darlington

La configurazione più semplice di consiste nella casc