amplificadores con transistores

TEMA 6: Amplificadores con Transistores Electrónica

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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



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



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



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–[ ]=



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



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



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



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:



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



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



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



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



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)



Modelo en AC del Espejo de Corriente NMOS



Modelo en ac del Espejo de Corriente NMOS

ro



Modificaciones al Espejo de Corriente NMOS

Cascode

Wilson Wilson modificado



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



Técnicas de Polarización: Fuente Común

ro2VA2

IREF--------------- rds2

1λIREF------------------≈= =

Con corriente



D1, D2

S1, S2

Técnicas de Polarización: Fuente Común

equiv. pequeña señal



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------------≅



Técnicas de Polarización: Puerta Común



Técnicas de Polarización: Drenador Común



Amplificador sólo con MOS de canal n

Av

WL-----⎝ ⎠

⎛ ⎞1

WL-----⎝ ⎠

⎛ ⎞2

--------------–=



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)



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



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.



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

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