aula-07-2013-26-03-2013

Prévia do material em texto

Amplificadores Cascode
Aula 7
Prof. Nobuo Oki
Amplificador Cascode Simples(1)
• Serão consideradas diferentes topologias do amplificador cascode, incluindo 
– 1. Amplificador cascode simples 
– 2. Amplificador cascode multi-nível 
– 3. Amplificador cascode com ganho aumentado 
– 4. Amplificador cascode dobrado (folded) 
1. Amplificador cascode simples
Comportamento a grandes sinais (Vin determinado por VG1, Vout (VDS) variando de 0 to 3V) 
Amplificador Cascode Simples (2)
• Análise a pequenos sinais 
• Calcula-se utilizando análise a pequenos sinais 
– i) resistência de saída, 
– ii) transcondutância (quando a saída é curto circuitada para uma tensão CC fixa.) 
– iii) Ganho de tensão CC (quando a saída está aberta). 
i) Resistência de saída 
Como derivado anteriormente,
ii) transcondutância (quando a saída é curto circuitada para uma tensão CC fixa.)
Curto-circuito da saída para um terra CA e desenha-se o diagrama equivalente a
pequenos sinais como mostrado abaixo. De acordo com KCL obtêm-se, 
onde 
Amplificador Cascode Simples (3)
Da Eq. (1), tem-se 
Substituindo-se as Eqs. (2c)-(2e) na Eq. (3a), obtêm-se,
Da Eq. (1), tem-se
Substituindo-se as Eqs. (2a)-(2e) na Eq. (4a), obtêm-se,
Resolvendo a Eq. (4b), obtêm-se
Substituindo-se a Eq. (5) na Eq. (3b), 
Assim a transcondutância do amplificador cascode é
Amplificador Cascode Simples (4)
• Observação: Comparado com um amplificador fonte comum com um transistor
simples que possui transcondutância de |Gm|=gm1 (Note que Gm é a
transcondutânica do amplificador, e gm é a transcondutância do transistor), a
transcondutância do amplificador cascode é ligeiramente menor, sendo Gm dada por
iii) O ganho de tensão CC (quando a saída está aberta) 
Amplificador Cascode Simples (5)
• onde i11, i12, i21, i22, e i23 são 
Com o nó de saída aberto, de acordo com KCL obtêm-se as seguintes equações, 
Da Eq. (8), tem-se
Substituindo as Eqs. (9a) e (9b) na Eq. (10), tem-se
Reorganizando as equações acima,
Da Eq. (8), tem-se 
Substituindo as Eqs. (9c) e (9e) na Eq. (13), 
Amplificador Cascode Simples (6)
Ou
Reorganizando a Eq. (14), e substituindo vs2 pela Eq. (12) 
Note that, , e a Eq. (15b) pode ser escrita como 
Observação: Assumindo que a carga do amplificador cascode seja uma fonte de corrente ideal, 
o ganho de tensão do amplificador cascode é melhorado quando comparado com um 
amplificador fonte comum composto de um único transistor.
Amplificador Cascode Multi-nível 
Análise a pequenos sinais
i) Resistência de saída 
ii) Transcondutância 
iii) Ganho de tensão
Observação: Assumindo que a carga do amplificador seja uma fonte de corrente ideal, o
ganho de tensão do amplificador cascode multi-nível de três transistores é muito maior
quando comparado com o amplificador cascode com transistor simples. 
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (1)
Comportamento a grandes sinais (Vin é fixado em VG1, Vout (VDS) variando de 0 a 3V) 
Região I: M1C e M2C ambos na região triodo; Região II, M1C na saturação, M2C na triodo;
Região III, M1C e M2C ambos na saturação 
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (2)
Vista ampliada da corrente de dreno versus VDS do amplificador simples, do 
amplificador cascode e do amplificador cascode com ganho aumentado
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (3)
Análise a pequenos sinais 
Serão determinados, 
i) Resistência de saída, 
ii) Transcondutância (quando a saída é fixada em uma tensão CC), 
iii) O ganho de tensão CC (quando a saída é aberta) do amplificador cascode com 
ganho aumentado. 
. 
i) Determinando a resistência de saída a pequenos sinais, rout. 
a) Faça a tensão de entrada igual a zero (ou curto-circuite vin ao terra). 
b) Desenhe o circuito equivalente a pequenos sinais. 
c) Aplique itst ao nó de saída. 
d) Calcule a tensão de saída vtst. 
Note que a corrente através de gds1, i12, é igual a itst, 
Circuito equivalente a pequenos sinais para cálculo da resistência de saída
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (4)
Note que, vs2 é aplicado na entrada do amplificador A. A tensão de saída do amplificador A é, 
A tensão vgs de M2, vgs2, é dada por, 
Assim, i21 é dado por,
A tensão vbs de M2, vbs2, é
Assim, i22 é dada por,
De acordo com KCL, i21+i22+i23 = itst. Tem-se,
Assim a tensão dreno fonte de M2, vds2, é dada por, 
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (5)
Note que, a tensão no nó de saída, vtst, é dada por, 
Assim, a impedância de saída (resistência) é dada por, 
ii) Transcondutância (quando a saída é fixada a uma tensão constante CC) 
Curto-circuitando a nó de saída ao terra, obtêm-se o circuito equivalente a pequenos sinais. 
Circuito equivalente a pequenos sinais para cálculo da transcondutância Gm
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (6)
Da figura acima pode-se obter a seguinte equação,
Copiando as Eqs. (4), e (6) para facilitar o equacionamento,
Da figura acima, pode-se obter as equações para i11, i12, e i23,
Substituindo as Eqs. (12)-(16) em Eq. (11), tem-se,
Resolvendo a Eq. (17), obtêm-se,
Assim 
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (7)
Note que, como
Assim a Eq. (19) pode ser reescrita como, 
iii) O ganho de tensão CC (quando a saída é aberta). 
O ganho de tensão a pequenos sinais, Av = Gm rout. 
Multiplicando a Eq. (10) e Eq. (20), 
A Eq. (21) pode ser escrita como,
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (1)
4. Amplificador cascode dobrado 
Amplificador cascode dobrado básico:
Fig. 1 Circuito do cascode dobrado com polarização apropriada sendo o terminal de fonte
de M1 conectado a VDD (a) e com uma fonte de tensão de polarização VB (b). 
Por que escolher um amplificador cascode dobrado no lugar da configuração telescópica? 
• Maior liberdade para escolha da tensão CC junto a tensão de entrada vin (tal como 
mostra a Fig. 1(a)). 
• Tensão de excursão permitida alta. 
• Conveniência para configurações realimentadas onde deseja-se curto-circuitar a 
entrada com a saída. 
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (2)
Comportamento a grandes sinais
Fig. 2 Característica a grande sinais do cascode dobrado
Na Fig. 2, I1 é a corrente fluindo através de M3 e é igual a soma de ID1 e ID2, 
VTH1=VT1. 
• Vin > VDD-|VT1|, M1 está cortado e M2 transporta todo o I1, produzindo 
Vout=VDD-I1RD. 
• Para Vin<VDD-|VT1|, M1 entra na saturação. 
• Quando Vin cai, ID2 decresce, caindo para zero se ID1=I1 (Vin=Vin1). 
• Se Vin<Vin1, M1 entra na região triodo. 
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (3)
Comportamento a pequenos sinais
Fig. 3 Circuito equivalente a pequenos sinais 
do amplificador cascode dobrado
i) Resistência de saída
ii) Transcondutância (quando a saída é fixada a uma tensão constante CC) 
iii) O ganho de tensão CC (quando a saída é aberta). 
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (4)
Exemplo.
Fig. 1 Exemplo circuito 1 
No circuito da figura acima, os parâmetros a pequenos sinais de M1 to M3 são mostrados 
na tabela abaixo: 
1) Desenhe o circuito equivalente a pequenos sinais. 
2) Determine o ganho de tensão a pequenos sinais e baixa freqüência vout/vin. 
3) Determine a resistência de saída a pequenos sinais. 
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (5)
Solução:
1) O circuito equivalente a pequenos sinais é desenhado abaixo. 
Fig. 2 Circuito equivalente a pequenos sinais
Da Fig. 2, pode-se obter as seguintes equações, 
Portanto, ele é equivalente as amplificador cascode com ganho aumentado, descrito 
na seção anterior com A=gm3/gds3. Assim, o ganho de tensão e a resistência de 
saída é calculada substituindo A no resultado anterior do ganho do amplificador 
cascode com ganho aumentado: 
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (6)
Exemplo.
No circuito da figura acima, os parâmetros a pequenos sinais de M1 to M3 são 
mostrados na tabela abaixo:
1) Desenhe o circuito equivalente a pequenos sinais. 
2) Determine a impedância de entrada
3) Determine o ganho de transimpedância vout/iin. 
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (7)Solução:
1)
Fig. 2 Circuito equivalente a pequenos sinais
2)
De acordo com KCL, tem-se, 
Das discussões anteriores, tem-se
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (8)
Fig. 3 Circuito equivalente a pequenos sinais para cálculo da impedância de entrada
Das Fig. 3 e (2), tem-se
Substituindo as Eqs. (3)-(5) na Eq. (1), obtêm-se
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (9)
Simplificando a Eq. (6a), tem-se
Assim 
3)
A transimpedância é dada por