Appunti sulla terza parte di Elettronica 1: circuiti complessi

V ARIAZIONI DI TRANS CONDUTTANZA 1

= + Δ

1 2

1

= − Δ

2 2 26 | P a g .

Elettronica I: circuiti elettronici, architetture e dimensionamento degli amplificatori

rispetto a massa, a causa dell’asimmetria

I due gate isolati avranno tutti e due la tensione di modo comune

non si può usare il teorema. Ma possiamo scrivere l’equazione delle due maglie, perché uguali.

Δ Δ

= + ( + + − )

2 2

=

1 + 2

Andando a prendere la tensione di uscita differenziale, potremmo dire:

Δ Δ

= 2 =

0

2 1 + 2

Δ

ℎ 2 ≫ 1, = ( )

0

2

L’amplificazione di modo comune viene: Δ

=

2

Nel caso della coppia differenziale di transistori bipolari, il calcolo sarà completamente analogo.

O FFSET DI TENSIONE Figura 45

(a) La coppia differenziale MOS

con entrambi gli ingressi a

massa. A causa del mismatch

dei dispositivi e dei resistori

comare una tensione dc finita,

(b) l’applicazione ai terminali di

ingresso di una tensione eguale

all’offset di tensione di igresso

con polarità oppsota riduce a

zero la tensione precedente

I due gate sono a massa, l’alimentazione è una grandezza elettrica offerta in modo comune ai due rami. Gli

effetti della continua dovrebbero annullarsi, se però le resistenze di carico siano uguali tra loro. Se non sono

avremmo una tensione in continua. Più grande è la tensione di errore più grande sarà l’offset di

uguali,

ingresso. Δ

( + )

2

= −

1 2

Δ

( − )

2

= −

1 2

Δ

= − =

0

2 1 2

Δ Δ Δ

2 2

= = = ( )

2

Possiamo assumere un conto simile usando le dimensioni

D IMENSIONI DEL TRANSISTOR Δ

= +

1 2

Δ

= −

2 2

Vediamo che tra gate e source vi è la stessa differenza di potenziale quindi 27 | P a g .

Elettronica I: circuiti elettronici, architetture e dimensionamento degli amplificatori

1 Δ Δ 2

= + = [ + + − ]

1 2

2 2 2

1

2

=

2 2

1 Δ Δ

2

= ( + ) = (1 + )

1

2 2 2 2

1 Δ Δ

2

= ( − ) = (1 − )

2

2 2 2 2

Le due resistenze producono una caduta di una differenza di potenziale sui drain quindi

Δ

= − = − ( )2

0 2 1 2 2

Δ

( )

| | Δ

2

0

= = = ( )

2

( )

L’errore percentuale va a moltiplicare metà della tensione di over drive

E RRORE DI SOGLIA Δ

= +

1 2

Δ

= −

2 2

= Δ

2

2

Δ Δ

2

√(

= ( )) + ( ( )) + Δ

2 2

Nel caso del transistore BJT troviamo una situazione assolutamente equivalente che però sono proporzionali

= 25

a 2 2

Δ Δ

√(

= ) +( )

O FFSET DI CORRENTE

Se l’operazionale è realizzato con BJT ipotizziamo che le correnti di base siano uguali. Tuttavia potrebbe

esistere un offset di corrente, perché in realtà i transistori non sono uguali tra loro. Con conti simili si può

ricavare un errore. Δ

=

Δ

=

C ONFIGURAZIONI INTEGRATE

U SCITA SINGLE ENDED

Consideriamo tre stadi differenziali, l’ultimo stadio deve avere un’uscita singola riferita a massa. 28 | P a g .

Elettronica I: circuiti elettronici, architetture e dimensionamento degli amplificatori

Figura 46

Amplificatore operazionale uscita single ended: coppia di

transistor con specchio di corrente

Il ruolo dello specchio di corrente è duplice:

 Carico attivo: forte amplificazione

 Percorso aggiuntivo di segnale

P OLARIZZAZIONE

Vediamo la polarizzazione: il generatore di corrente divide la sua corrente per i due rami, la corrente di drain

va nel transistore 3 che è a canale a p e montato a diodo (gate e drain sono montati insieme). Tra source e

gate vi è una corrente uguale a , il 4 ha la stessa differenza del 3. Al carico non dovrebbe dare alcuna corrente.

2

Bisogna vedere che la tensione di uscita: = −

0

3

A MPLIFICAZIONE

Non possiamo applicare il teorema di Bartlett perché dovrebbe essere antisimmetrico, perché il transistore 3

è connesso in maniera diversa rispetto al 4. Lo vediamo meglio con il circuito equivalente (un transistore

montato a diodo equivale ad una resistenza). Il carico è fortemente differente (nel caso del 3 resistenza bassa,

del 4 resistenza alta). Figura 47

Circuito equivalente

Il conto diventa estremamente complesso. Se il nodo centrale fosse a bassa resistenza verso massa, si

potrebbe recuperare l’effetto di simmetria. Consideriamo che il nodo centrale sia caricato con una resistenza

più piccola rispetto a quella dei transistori. Se la resistenza si connette: 29 | P a g .

Elettronica I: circuiti elettronici, architetture e dimensionamento degli amplificatori

Figura 48

Connessione resistenza di carico

),

La corrente non passa per , ( la parte inferiore del sistema diventa simmetrica. Ci

0 0 0

4 2 1

sono solo i generatori di corrente nella parte superiore quindi nella parte inferiore può essere usato il teorema.

Attraversando la resistenza si crea una differenza tra gate e source:

1

1

= ( )

3 2

3

Il verso del transistore sarebbe verso l’alto. =

4 4 4

2

=

2 2

2

=

0

2

=

0

Lo schema produce un’amplificazione doppia rispetto a quella che si otterrebbe sulla normale resistenza di

carico.

Lo stesso schema col carico attivo può essere realizzato con i transistori BJT.

Figura 49

Un amplificatore differenziale a transistori

bipolari con carico attivo che utilizza uno stadio

Folded cascode ed uno specchio di corrente di

Wilson come carico

Folded cascode aumenta il guadagno intrinseco a causa della resistenza di uscita (lungo la linea tratteggiata)

nell’uscita single ended vi è un carico attivo realizzato con lo specchio di Wilson. La lunga sequenza di

transistor spiega la Folded. Le resistenze di uscita sono estremamente elevate. 30 | P a g .

Elettronica I: circuiti elettronici, architetture e dimensionamento degli amplificatori

O PERAZIONALE A DUE STADI Figura 50

Configurazione di un amplificatore operazionale

MOS a due stadi

La corrente di riferimento produce la polarizzazione tra due rami, uno attraverso il e uno attraverso il ,

5 7

per riconoscere il comportamento dei due stadi bisogna tornare alla struttura dello slew rate:



Abbiamo bisogno di una coppia differenziale: i transistori e a canale p (per ottenere un

1 2

operazionale bisogna alternare i transistori a canale p ed n)



Ci serve un single ended, è uno specchio di corrente e fa da carico attivo a fornendogli

1 2 4 2

l’uscita single ended. Essendo

a canale p, sarà a canale n.

2 4

 E’ necessario avere uno

stadio a guadagno in tensione e questo è dato dalla coppia , il

6 7 6

riceve in ingresso dal drain del e si comporta come un transistore a source comune, ha un carico

2

che darà luogo ad un’amplificazione elevata. Il

attivo è pilotato dalla linea di distribuzione dello

7 7

specchio di corrente

 Necessitiamo di una capacità per questioni di stabilità, capacità di miller, forte capacità in parallelo.

 La polarizzazione presenta vari aspetti:

o

La distribuzione di corrente: la corrente si divide equamente tra e , a sua volta deve

1 2

passare tra il gate e source del , la cui polarizzazione verrà applicata al . La

3 4

polarizzazione del transistore 7 deve venire dal 6, per cui ci serve la figura 46

Figura 51

Comprensione della

polarizzazione del transistore

la caratteristica è l’insieme

6,

dei due

Nel grafico l’aumento della caratteristica in saturazione non c’è: forte resistenza equivalente sul source, quindi

resistenza molto elevata e caratteristica di uscita piatta. Come curva di carico vediamo la curva del transistore

3. Interseca il blocco del transistore. La curva è più sollevata perché deve intersecare la retta rosso quando

ha un valore basso perché è montata a diodo. 31 | P a g .

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La differenza di potenziale è applicata anche al transistore 4 tra gate e source, che è polarizzato esattamente

come il tre, ma quindi anche il 2 è polarizzato come l’1 e quindi la loro caratteristica è la stessa. Il transistore

a 4 non è montato a diodo ma è alla stessa situazione del 3.

La differenza di potenziale tra gate e source del tra