Amplificadores Diferenciais
Aula 8
Prof. Nobuo Oki
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Projeto Circuito Integrado, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Elétrica
Oitava aula de projeto de circuitos integrados na pos graduacao da faculdade de engenharia eletrica de ilha solteira-sp(FEIS-Unesp).
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
Antes de 2010
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Amplificadores Diferenciais
Aula 8
Prof. Nobuo Oki
Vantagens dos Amplificadores Diferenciais (1)
O amplificadores diferenciais possuem as seguintes vantagens:
Circuitos diferenciais possuem maior imunidade a ruído ambiente e interferências quando
comparado ao circuitos simples.
Circuitos diferenciais tem uma melhor rejeição a ruído da fonte.
Circuitos diferenciais tem maior excursão de saída (duas vezes maior que o circuito
simples) e maior relação sinal ruído (maior que 3 dB).
Circuitos diferenciais possuem menos (idealmente nenhuma) distorção de ordem par.
A figure 4.1 ilustra conceitualmente os sinais simples e diferenciais, sendo o potencial central dossinais diferenciais chamado de nível de modo comum (CM).
Vantagens dos Amplificadores Diferenciais (3)
- Circuitos diferenciais tem uma maior excursão de tensão máxima (duas vezes maior). Na Figura 4.3(b), amáxima excursão na saída para X ou Y é igual a V
DD
– (V
GS
– V
TH
), sendo que para V
X
– V
Y
, a excursão
pico a pico é igual a 2[V
DD
– (V
GS
– V
TH
)].
- Circuitos diferenciais são imunes a distorção par.
Assumindo
e para
, tem-se
A saída diferencial é
Os termos de ordem par desaparecem.
Amplificadores Diferenciais (1)
Poder-se-ia usar circuitos simples na forma diferencial para processar sinais na forma diferencial?
O circuito acima não possui boa rejeição de modo comum e à variação de tensão de alimentação.Um circuito diferencial ideal (v
in,CM
, v
in,DM
, v
out,CM
, v
out,DM
são a tensão de entrada de modo comum e a tensão de
entrada diferencial, tensão de saída de modo comum, tensão de saída diferencial, respectivamente):
v
in,DM
= vi+ – vi- e v
out,DM
= vo+ – vo-
A relação entre
v
out,DM
e
vin,DM
é definida como sendo o ganho ou a função de transferência
v
out,CM
= 0, ou tensão de saída de modo comum é bem definida e não varia com as tensões de modo
comum e diferencial de entrada, ou por variação na tensão de alimentação.
Na realidade, não é possível fazer v
out,CM
= 0, sendo CMRR (razão de rejeição de modo comum) definida
como:
Onde Av,dm é o ganho de tensão de modo diferencial e Av,cm é o ganho de tensão de modo comum.
Amplificadores Diferenciais (3)
Solução
Como mostrado na Fig. 4.9, o ganho começa a aumentar quando V
in, CM
excede V
T
Depois que a corrente de cauda da fonte entra na saturação (V
in, CM
= V
1
), o ganho permanece
relativamente constante. Finalmente, se V
in,CM
é alto suficiente para que o transistor da entrada
entre na região triodo (V
in, CM
= V
2
), o ganho começa a cair.
A Fig. 4.8 mostra a característica de entrada e saída (comportamento de modo comum):
Exemplo
Desenhe o ganho de tensão a pequenos sinais de um para diferencial como função do nível de tensão
de entrada de modo comum (CM).
Amplificadores Diferenciais (4)
Análise quantitativa
Assuma que M1 e M2 tenham a mesma razão de aspecto de (W/L), e seja
Na análise seguinte, por simplicidade, usa-se o modelo simples quadrático sem considerar o efeito deModulação de comprimento de canal.
Tem-se Assim a tensão diferencial, (
VidVin
), é dada por,
Amplificadores Diferenciais (6)
Assim,
A transcondutância a grandes sinais do par diferencial é dada por
Observações:1) As Eqs. (12) e (13) são corretas quando Vid encontra-se dentro de certos limites. Quando a amplitude deé suficientemente grande (quando Vid < -
Vin1 e Vid >
Vin1), um dos transistores conduzirá toda a
corrente de cauda, ISS, enquanto o outro transistor se encontra cortado.2) Quando Vid possui o valor de
Vin1, M1 tem a corrente de dreno igual a ISS, e M2 está cortado. Tem-se
Da Eq. (4) tem-se
, assim
Amplificadores Diferenciais (7)
Exemplo
: Desenhe a característica da saída versus entrada do para diferencial com a variação da largura
do transistor de entrada e da corrente de cauda.
Solução
: Considere a característica mostrada na Fig. 4.13(a). Quando W/L aumenta,
Vin1 decresce,
Estreitando a faixa de entrada de ambos os componentes como mostra a Fig. 4.13(b). Quando ISSAumenta , ambas as faixas de entrada e a excursão da corrente de saída aumentam [Fig. 4.13(c)].Intuitivamente, espera-se que o circuito torne-se mais linear quando ISS aumenta ou W/L decresce.
Amplificadores Diferenciais (9)
Este conceito simplifica bastante a análise a pequenos sinais dos amplificadores diferenciais. Comomostra a Fig. 4.20, desde que Vp não varia com o sinal de modo diferencial, o nó P pode ser consideradoum terra ca e circuito pode ser decomposto em duas metades separadas, daí a denominação meio-circuito.Pode-se escrever que V
X
/V
in
= – g
m
R
D
e V
Y
/(-V
in
) = – g
m
R
D
, onde V
in
e –V
in
denotam a mudança da tensão
em cada lado. Assim, (V
X
-V
Y
)/(2V
in
) = – g
m
R
D
. Assume-se que R
D
=R
D
=R
D
Exemplo
: Calcule o ganho diferencial do circuito da Fig. 4.20(a) se
λ ≠
Solução
: Aplicando o conceito de meio-circuito como ilustra a Fig. 4.21, tem-se V
X
/V
in
= -g
m
(R
D
||r
o
) e
V
Y
/(-V
in
) = -g
m
(R
D
||r
o
), assim obtêm-se (V
X
-V
Y
)/(2V
in
) = – g
m
(R
D
||r
o
), onde r
o
=r
o
=r
o
Amplificadores Diferenciais (10)
Como mostra as Figs. 4.22(b) e (c), as duas entradas Vin1 e Vin2 podem ser vistas como O que ocorreria se as entradas não forem diferenciais?
Desde que o segundo termo é comum as duas entradas, obtêm-se o circuito equivalente mostrado naFig. 4.22(d), o que mostra que o circuito reconhece um combinação de sinais diferenciais e de modo comum.
Amplificadores Diferenciais (12)
Exemplo:
O circuito da Fig. 4.26 usa um resistor no lugar da fonte de corrente para determinar a corrente
de cauda de 1mA. Assuma (W/L)
1,
= 25/0.5, K
Pn
μ
A/V2, V
T
=0.7V,
λ
γ
=0, e V
DD
=3V.
(a) Qual é tensão de modo comum na entrada requerida para que sobre Rss tenha uma tensão de0.5V?(b) Calcule RD para obter um ganho diferencial de 5.(c) Calcule CMRR=A
v,DM
/A
v,CM
(d) O que ocorre com a saída se o nível de modo comum é 50mV maior do que o calculado em (a)?
Amplificadores Diferenciais (13)
Solução:
(a) Desde que ID1=ID2=0.5mA, tem-seAssim
Note que
(b) A transcondutância de cada componente é
requerendo
para um ganho de 5.
(c) (d) Se
sofrer um aumento de 50mV, o circuito equivalente da Fig. 4.25(c) sugere que Vx e
Vy caiam de
Amplificadores Diferenciais (15)
A Fig 4.28 mostra o efeito do ruído de modo comum na presença de um descasamento deresistores:
Amplificadores Diferenciais (16)
O que acontecerá se M1 e M2 não forem perfeitamente casados?
Da Fig. 4.30, tem-se,
Assim,
A componente diferencial da saída é portanto dada por
O ganho de modo diferencial em relação ao ganho de modo comum é dado por