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ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificadores Diferenciais
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Introdução
• O amplificador diferencial é um subcircuito composto de um conjunto de transistores (1 ou +) que amplifica a diferença de tensão entre suas duas entradas.
• É normalmente utilizado como estágio de entrada.
• É facilmente cascateado sem necessidade de desacoplamento
Inserção do Amplificador Diferencial na Hierarquia de Projeto de um
Módulo Analógico
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Amplificador Diferencial – Conceito
• Ganho diferencial de tensão – AVD (1000)
• Ganho de modo comum de tensão - AVC (1)
Definições:
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador Diferencial – Conceito
• Vantagens intrínsecas e características
– Ganho diferencial elevado
– Ganho de modo comum baixo
– Facilmente cascateável sem capacitores de
acoplamento
• O objetivo do uso de um amplificador diferencial
é eliminar (minimizar) a tensão de modo comum
no sinal de entrada
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Amplificador Diferencial – Conceito
• Métrica de desempenho– Ganho diferencial de tensão – AVD
– Ganho de modo comum de tensão – AVC
– Taxa de rejeição de modo comum – CMRR
– Resistência de entrada – Rin
– Resistência de saída - Rout
– Faixa de tensão de modo comum de entrada - VICMR
– Excursão máxima de saída
– Tensão de offset de entrada
– Rejeição de variações na fonte de alimentação – PSRR
– Ruído
VC
VD
A
ACMRR
VD
os
edosA
outvinv
)()(
0
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Amplificador Diferencial – Conceito
Valores típicos
AVD 100
AVC 0.1
CMRR 1000
VOS(in) 2-10 mV
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Amplificador Diferencial – Conceito
Solução possível
Utilizar dois amplificadores simples (fonte comum – FC, por
exemplo) um para cada fase do sinal de entrada.
•A alteração da tensão Vin,CM
• muda a corrente de polarização de
cada ramo, alterando a
transcondutância de cada xtor e a
tensão de modo comum da saída.
• O AVC é alto.
Como amplificar sinais diferenciais?
Esta solução é adequada? Qual o efeito da tensão de modo comum?
Conclusão: a corrente de polarização deve depender minimamente de Vin,CM!
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Amplificador Diferencial
Uma solução possível para minimizar o efeito de
Vin,CM é polarizar os transistores utilizando uma
fonte de corrente.
Par diferencial com
transistores com fonte
acoplada.
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Amplificador Diferencial – Análise
• Assumindo que M1 e M2 estão em saturação
• (W/L)1 = (W/L)2
Assumindo que: e
Tensão de Modo Comum
O que varia na saída é a corrente:
Como a corrente de polarização ISS
é dada por:
Resultando em: Quanto maior forem as impedâncias
conectadas nos drenos de M1 e M2,
maior o ganho de tensão
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Amplificador Diferencial – Análise
Modelo para pequenos sinais
Como:
gm
Assim:
A presença de um sinal de modo comum na entrada implica em:
ri
i
CM
im
CMmCM
r
v
rg
vgi
221
Assim o CMRR pode ser obtido por:
Resistência da
fonte de corrente.
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Amplificador Diferencial – Análise
Comportamento da corrente em função da tensão diferencial
Modelo de grandes sinais
Resolvendo para iD1 e iD2
e
A tensão diferencial pode ser expressa em
função das correntes em cada xtor.
Onde:
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Amplificador Diferencial – Análise
Comportamento da corrente em função da tensão diferencial
Modelo de grandes sinais
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Amplificador Diferencial
Par diferencial com entrada nMOS Par diferencial com entrada pMOS
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Amplificador Diferencial – Análise
Curva de transferência de tensão – Entrada nMOS
Tensão positiva de entrada – [V]
Te
nsã
o d
e s
aíd
a –
[V]
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Amplificador Diferencial – Análise
Curva de transferência de tensão
Tensão positiva de entrada – [V]
Te
nsã
o d
e s
aíd
a –
[V]
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Amplificador Diferencial – Análise
Avaliação da máxima excursão de modo comum de entrada
Menor tensão em VG1 (VG2)
Em saturação, o menor VDS1 é:
Assim:
Ou
Maior tensão em VG1 (VG2)
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Amplificador Diferencial – Análise
Modelo de pequenos sinais
Modelo exato
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Modelo de pequenos sinais simplificado
usando as simetrias existentes no circuito
e
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Amplificador Diferencial – Análise
Ganho de transcondutância para o amplificador não carregado (RL = 0)
Se e então
ou
Ganho de tensão para o amplificador não carregado (RL = ∞)
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Amplificador Diferencial – Análise
Ganho de Modo Comum
O amplificador empregando um espelho de corrente como carga,
teoricamente deveria ter ganho de modo comum igual a zero.
VOUT
devido a
VICM
CM devido ao
caminho
M1-M3-M4
CM devido
ao caminho
M1-M2
= -
Devido ao descasamento entre os dois
caminhos o ganho de modo comum não é
nulo, mas aproxima-se de zero.
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Projeto de um Amplificador Diferencial
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Amplificador Diferencial - Projeto
Observações iniciais
• Projetar analiticamente as correntes de polarização e os valores de W/L de todos os transistores de um amplificador diferencial com carga ativa
• Simular o projeto para verificar o atendimento das especificações (DC, AC e TRAN).
• Ajustar o projeto até atender o desempenho pedido
• A topologia de entrada do par diferencial é com transistores PMOS!
• A tecnologia alvo é a AMIS 0,5 μm
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Amplificador Diferencial - Projeto
Especificações
• VDD = - VSS = 1.65V
• CL = 2 pF
• Slew-Rate (SR) ≥ 30 V/μs (CL)
• Avd ≥ 100 V/V
• 0V ≥ ICMR ≥ -1,0V
• f-3dB ≥ 250 kHz (CL)
• PDis ≤ 1,5 mW
• Vin1 = VG1, Vin2 = VG2 e Vd = Vin1-Vin2
Parâmetros da tecnologia AMIS 0,5μm
• VTN = 0,63V
• VTP = -0,99V
• kN = 37,4 μA/V2
• kP = 13,9 μA/V2
• λN = 0,0091 1/V (L = 1,5μm)
• λP = 0,022 1/V (L = 1,5μm)
M5 VBB
CL
ID5
Figura I
M5 VBB
CL
ID5
M5 VBB
CLCL
ID5
Figura I
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Escolha do modelo do dispositivo
• Até aqui, foi feita uma série de análises de
circuitos com MOST chegando a expressões
para
– Ganho
– Impedância de saída
– Limites de excursão de sinal
• Como se escolhe um modelo suficientemente
preciso para o MOST?
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Escolha do modelo do dispositivo
• A escolha do modelo não uma tarefa muito simples
• Alguns princípios gerais podem ser seguidos– Quebrar o circuito em topologias semelhantes
• Utilizar o modelo mais simples possível para cada topologia (FCCC)
– Observar os blocos que o efeito de corpo precisa ser considerado
– Para o cálculo da polarização pode-se desconsiderar CLM e efeito de corpo
• Isto pode ser considerado depois – depois que comportamento básico foi entendido
– A simulação é uma ferramenta essencial • Os efeitos de canal curto não são facilmente modelados para uso em
cálculos manuais
– A utilização de modelos simples • permite uma melhor compreensão das relações causa x efeito
• auxilia na interpretação dos resultados de simulação
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Determinação da Corrente de Polarização
Limite inferior• Definido pela maior taxa de variação da tensão
na saída• Depende da carga capacitiva - CL
– SR = (ID5 / CL) ≥ 30 (V / μs)– ID5 ≥ 30 x CL
– ID5 ≥ 60 μA
Limite superior• Limitada pela potência máxima dissipada
– PDISS ≤ 1,5 mW– PDISS = ID5 x (VDD – VSS)– ID5 ≤ 450 μA
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M5 VBB
CL
ID5
Figura I
M5 VBB
CL
ID5
M5 VBB
CLCL
ID5
Figura I
Determinação da Corrente de Polarização
• A freqüência de corte depende da carga capacitiva (CL) e da resistência de saída (ro)
– ω-3dB = 1 / (rO x CL)
– f-3dB ≥ 250 kHz
– f-3dB = 1 / (2 x pi x rO x CL) ≥ 250 kHz
– rO ≤ 318 kΩ
• ro depende da corrente de polarização
– gds = λ x ID ⇒ rds = 1 / gds
– ro = = 2 / [ (λP + λN) x ID5] ≤ 318 kΩ
Novo Limite Inferior de ID5
– ID5 = 2 / [ (λP + λN) x rOUT ]
– ID5 ≥ 202 μA
• 450 μA ≥ID5 ≥ 202 μA
ID5 = 250 μA (Escolha)
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M5 VBB
CL
ID5
Figura I
M5 VBB
CL
ID5
M5 VBB
CLCL
ID5
Figura I
Dimensionamento de M3 e M4
• A menor tensão de modo comum de entrada define os tamanhos de M3 e M4
• (W/L)3 = (W/L)4 ⇒ Menor ganho de modo comum
• Em M1 ⇒ VG1 = VICMR(min) = -1,0 V
• Para M1 estar saturadoVSD1min = VSG1 - |VTP1|
• Menor tensão em VG1VG1(min) = VSS + VGS3 + VSD1 – VSG1
• LogoVG1(min) = VSS + VGS3 + VSG1 - |VTP1| - VSG1
VGS3 = VG1(min) - VSS + |VTP1| = - 1 + 1.65 + 0.99
VGS3 = 1,64 V
• Assim,ID3 = ID5 / 2 = (KN / 2) x (W/L)3 x (VGS3 – VTN3)
2
(W/L)3 = ID5 / [KN x (VGS3 – VTN3)2]
(W/L)3 = 6,55 ⇒ (W/L)3 = (W/L)4 = 7
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Dimensionamento de M1 e M2
• O ganho diferencial define o tamanho de M1 e M2
• O requisito de ganho é
– Avd = 100
• Como
– ID1 = ID5 / 2 e
• (W/L)1 = [Avdx(λP+λN)x(ID5/2)]^2/(2 x ID1 x KP)
(W/L)1 = 43,25 ⇒ (W/L)1 = (W/L)2 = 44
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Dimensionamento de M5
• A tensão de modo comum máxima define o tamanho de M5
• O tamanho de M1 e sua corrente de polarização definem VGS1
VGS1 = - sqrt[(ID5 / (KP x (W/L)1)] - |VTP|
VGS1(max) = - 1.63 V
• Por especificação VICMR(max) = 0 VVG1(max) = VDD + VDS5(min) + VGS1
VDS5(min) = VG1(max) - VDD - VGS1
VSD5(min) = 0.02 V!!!!
A tensão de overdrive mínima em M5 é
muito pequena.
O circuito deve ser redimensionado!
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Dimensionamento de M5
• A tensão de overdrive de M1/M2 é relativamente grande
|VOV1| = |VGS1| - |VTP| = 0,64 V
• Etratégia:– Reduzir esta tensão para aumentar a margem de
tensão em M5
– Para reduzi-la pela metade, é necessário quadruplicar (W/L)1,2
(W/L)1 = 44 ⇒ (W/L)’1 = (W/L)’2 = 176
– Novo V’GS1(max) = - 1,31 V
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Redimensionamento de M5
• Por especificação VICMR(max) = 0 V
VG1(max) = VDD + VDS5(min) + VGS1
VDS5(min) = VG1(max) - VDD - VGS1
VSD5(min) = 0,34 V
• (W/L)5 = (2 x ID5) / [KP x (VDS5)2]
(W/L)5 = 311
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Circuito final
• Próximo passo é
conferir o projeto
através da simulação
elétrica
• Redimensionar...
M5 VBB
CL
ID5
Figura I
M5 VBB
CL
ID5
M5 VBB
CLCL
ID5
Figura I
(474/1,5)
(264/1,5)
(10,5/1,5)
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Arquivo Spice
Titulo: Amplificador Diferncial - DC
.include amis_c5n.txt
***Fontes de entrada
vin vin 0 dc 0
vip vip vin dc 0 AC 1 PULSE -100m 100m .01us .001us 0.001us .5us
***Fontes de alimentação
vdd vdd 0 dc 1.65
vss vss 0 dc -1.65
***Polarização
ibb ibb vss dc 250e-6
***Par diferencial
M1 ds1 vip 1 vdd CMOSP l=1.5u w=264u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p
M2 ds2 vin 1 vdd CMOSP l=1.5u w=264u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p
***Carga ativa
M3 ds1 ds1 vss vss CMOSN l=1.5u w=10.5u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p
M4 ds2 ds1 vss vss CMOSN l=1.5u w=10.5u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p
***Fonte de corrente de polarização
M5 1 ibb vdd vdd CMOSP l=1.5u w=474u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p
M6 ibb ibb vdd vdd CMOSP l=1.5u w=474u pd=4.2u ad=0.6p ps=4.2u as=0.6p
vaux ds2 out 0
CL out 0 2pF
.control
dc vip -50mV 50mV 0.001V vin -1V 0V .2
let vo0 = v(ds2)[0, 99]
let vo1 = v(ds2)[100, 199]
let vo2 = v(ds2)[200, 299]
let vo3 = v(ds2)[300, 399]
let vo4 = v(ds2)[400, 499]
let vo5 = v(ds2)[500, 599]
**Tensão de saída para diferentes tensões de modo comum
plot vo0 vo1 vo2 vo3 vo4 vo5
**Ganho diferencial
plot deriv(vo0) deriv(vo1) deriv(vo2) deriv(vo3) deriv(vo4) deriv(vo5)
**Modo Comum
dc vin -1.65V 1.65V .05
plot v(ds2) v(1) deriv(v(ds2))
**Resposta em frequencia
set units=degree
ac dec 50 100 10meg
plot db(v(ds2)) ph(v(ds2))
**Transiente
tran 0.001us 1us
plot v(vip) v(ds2)
plot i(vaux)
.endc
.end
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Simulação Inicial
Vid [V]
Vid [V]
Vcm [V]
f [Hz]
t [s]
t [s]
Vout [V]Vs1 [V]
Vds2
Acm
Vout [V]
Vid
Avd Icl [A]
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Segunda Versão - Simulação
• Alternativa– Dobrar o L de M1 e M2 mantendo W/L constante
• Aumento da resistência de saída de M1 e M2 ⇒Aumento de ganho
Vid [V]Vid [V]
Vout [V]Avd
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Exercício
• Projete as correntes de polarização e os valores de W/L de um par diferencial com espelho de corrente como carga, conforme o esquemático ao lado.
• Especificações:
– VDD = - VSS = 2,5V
– CL = 5 pF
– Slew-Rate (SR)≥ 10 V/μs (CL)
– Avd = 100 V/V
– 1,5V ≥ ICMR ≥ -0.7V
– f-3dB ≥ 100 kHz (CL)
– PDis = 2 mW
Tecnologia AMIS 0,5μm
• VTN = 0,63V
• VTP = -0,99V
• kN = 37,4 μA/V2
• kP = 13,9 μA/V2
• λN = 0,0091 1/V
• λP = 0,022 1/V