estagios dos amplificadores

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ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Amplificador de 2 Estágios
Amplificador Operacional 
OTA Miller
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O que é um Amplificador Operacional?
• O OPAMP é um amplificador de alto ganho, 
acoplado em DC projetado para operar em 
realimentação negativa de forma a definir uma 
função de transferência precisa em laço 
fechado.
• Característica:
– Ganho suficientemente elevado (aplicação define 
isto)
– Entrada diferencial
– Resposta em Freqüência que garante operação 
estável em laço fechado e realimentação negativa.
– Alta impedância de entrada
– Baixa impedância de saída
– Resposta em freqüência ampla e alta velocidade
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Op Amp
• O OpAmp é projetado para ser empregado sob 
realimentação negativa para processar de forma precisa 
um sinal.
)(
1
)(
)(
:1 quemaior muitofor F(s) A(s) produto o Se
)()(1
)(
)(
)(
sFsv
sv
sFsA
sA
sv
sv
in
out
in
out
≈
+
=
A função de transferência é determinada da seguinte forma:
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Amplificador Operacional Ideal
Características:
• Ganho Diferencial Infinito
• Impedância de Entrada Infinita
• Impedância de Saída Zero
• Ganho de Modo Comum Zero
Infelizmente OPAMP ideal não existe!
A busca no sentido de alcançar a idealidade nos parâmetros de 
desempenho leva a uma relação de compromisso entre potência, área, 
excursão de sinal, etc.
Os OPAMP serão tratado como “amplificadores diferencial de alto 
ganho” projetados para atender uma dada condição de performance.
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Parâmetros de Interesse – Ganho de Laço Aberto
OPAMPs invariavelmente operam com realimentação!
Razão: Fixar a relação entrada – saída através de componentes externos.
Para um OPAMP ideal (Av = ∞) o 
ganho pode ser ajustado pela razão 
de R2 e R1
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Parâmetros de Interesse
Porque BW e a margem de fase (PM) são importantes? 
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Resposta em Freqüência
• Se o A(0) é muito grande e os 
polos p1 e p2 estão próximos, 
então é provável que em algum 
freqüência ωx a fase será 180
o, 
mas o ganho ainda será maior 
que a unidade.
• Realimentando este sistema 
possivelmente o levará a 
instabilidade.
• A MF e MG é negativa 
(Realimentação Unitária).
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Reposta em Freqüência
Sistema com 3 polos – Realimentação Unitária
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Resposta em Freqüência
GB
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Reposta em Freqüência
Um zero no SPD (positivo) pode ser mais perigoso!
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Reposta em Freqüência
Um zero no SPE (negativo) poder ser bom!
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Amplificador Operacional CMOS
Especificações chave:
• Precisa ser estável para realimentação unitária
• Utilizar o menor número de estágios
– Área, potência, ruído...
Blocos básicos que compõem um OPAMP 
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Tipos de OpAmp
Classificação
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Amplificador Operacional CMOS
OPAMP
• Uso geral
• VCVS
• Baixa impedância de 
saída
• A carga pode ser C ou R
• É um OTA com buffer de 
saída
– Maior potência dissipada
OTA
• Empregado mais 
comumente como 
amplificador integrado
• VCCS
• Alta impedância de saída
• A carga pode ser C, mas 
NÃO R
• Uso comum com 
realimentação à capacitor 
chaveado (SC)
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OPAMP CMOS Básico Clássico
OpAmp Clássico segmentado em blocos conversores 
corrente-tensão e tensão-corrente.
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Especificações Típicas de um OpAmp
Dependente da tecnologia
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Projeto de um OpAmp
• Saída típicas do projeto
– Topologia do OpAmp
– Correntes DC (polarização)
– Dimensionamento dos transistores (W e L)
– Valores dos componentes
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Ciclo de Projeto do OPAMP
Especificações típicas
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Estratégia de Projeto
Duas etapas
• Desenvolvimento da arquitetura
– Escolha da arquitetura que atenda as especificações
– Criação de uma nova topologia mais apropriada, 
caso necessário.
• Projeto dos componentes
– Dimensionamento dos transistores
– Projeto da rede compensação
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Compensação
Razões
• Os OPAMP normalmente são utilizados empregando realimentação.
• Resposta estável requer que o OPAMP seja compensado.
Idéia
• Garantir que para um desvio de fase de 135o, ou maior, o ganho do 
OPAMP em laço aberto seja menor que 1.
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Compensação
• Porque projetar uma boa estabilidade?
– Abaixo temos a resposta de um OpAmp, representado por um 
modelo de segunda ordem, na condição de realimentação 
unitária.
– Uma boa resposta é a que estabiliza rapidamente na resposta 
ao salto.
– Regra prática: estabilizar em no máximo 3 ciclos.
• Margem de fase maior ou igual a 45° (preferencialmente acima de 
60°).
• Nem sempre a resposta com maior slew rate é a mais satisfatória.
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Setling Time
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Resposta em Freqüência - Sem compensação
Ganho de Laço - Aβ
Giro de fase de 180o.
Ganho maior que 1.
Sistema instável
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Tipos de Compensação
• Compensação Miller – Uso de uma realimentação 
capacitiva ao redor de um amplificador inversor de alto 
ganho.
– Tipos
• Capacitor Miller somente
• Capacitor Miller + Buffer (G ~ 1) – Bloquear o caminho direto 
através do Ccomp. Elimina o “zero” no SPD.
• Capacitor Miller + Resistor. 
• Auto-compensação – O capacitor de carga age como 
capacitor de compensação.
• Feedforward
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Modelo do MOSFET - Alta Freqüência
Modelo Capacitivo Completo
Capacitância 
de Gate-Fonte
Capacitância 
Dreno-Corpo (Bulk)
Capacitância 
Fonte-Corpo (Bulk)
Capacitância de Overlap
Gate-Dreno
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Modelo do MOSFET - Alta Freqüência
Modelo Capacitivo Simplificado I
Fonte e Bulk conectados
Modelo Capacitivo Simplificado II
Fonte e Bulk conectados
Capacitância Cdb negligenciada
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Compensação Miller
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Compensação Miller - Modelo de pequenos sinais
Modelo de Pequenos sinais
Modelo de Pequenos sinais simplificado
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Compensação Miller - Análise
• Escrevendo as equações de nós para o modelo de pequenos sinais simplificado
• Achando a função de transferência do ganho
• p1 deve ser projetado para ser o polo
dominante
• z1 deve-se tomar cuidado, pois é um 
zero no SPD. Impacto na 
estabilidade. 
Onde:
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Efeito da compensação Miller
Objetivo
• Forçar uma 
característica na 
resposta em freqüência 
do OpAmp de 1a ordem 
até GB (ganho unitário)
– -20dB/dec
– Giro de fase 90o
– Característica de pólo 
dominante
Antes da Compensação
Depois da 
Compensação
Antes da 
Compensação
Depois daCompensação
Realimentação Unitária
0 dB
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Compensação Miller – Estabilidade
• A freqüência de ganho unitário (0 dB) GB é dada por:
• Para uma margem de fase de 45o temos:
• Para ω0dB = GB e assumindo que z ≥ 10 GB temos
Para uma margem de fase de 60o:
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Compensação Miller – Estabilidade
• Sendo necessário uma PM de 60o: 
c
mI
c
mII
C
g
GB
C
g
z == e 
LC
C
mI
L
mII
L
mII
CC
C
g
C
g
GB
C
g
p
22,0
2,22,22
>
>⇒>=
Observação
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Efeito da PM
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Amplificador de 2 estágios - Projeto
Relações importantes
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Amplificador de 2 estágios - Projeto
As relações acima presumem todos os transistores operando em saturação!
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Amplificador de 2 estágios - Especificações
• Para o projeto de um amplificador de 
compensação Miller assume-se a seguinte 
especificação como dada:
– Ganho em DC, Av(0)
– Largura de Banda, GB
– Faixa de tensão de modo comum, ICMR
– Capacitância de carga, CL
– Slew-rate, SR
– Excursão de tensão de saída
– Potência dissipada, Pdiss
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Amplificador de 2 estágios - Projeto
Visão geral do procedimento de projeto
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Amplificador de 2 Estágios - Projeto
• Escolha o L a ser utilizado a fim de obter o parâmetro λ
(CLM)
• Determine o valor do Cc
– Polo p2 2,2 x GB fornece uma MF ≥ 60o
– Zero z1 (SPD) colocado a pelo menos 10 x GB
– Cc ≥ 0,22 CL
• Determine I5 utilizando o SR requerido
– I5 = SR(Cc)
– Se o SR não for fornecido, empregue informações relacionadas 
ao settling time. 
• 10 vezes mais rápido que o ts requerido para 50% da excursão.
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Amplificador 2 estágios - Projeto
• Determinação da dimensão de M3
– Excursão máxima de CM de entrada
• O dimensionamento de M1 e M2 obedece os 
requisitos dados por pelo ganho e GB
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Amplificador 2 estágios - Projeto
• Dimensionamento de M5
– Requisitos de ICMR mínimo
• Se o VDS5 resultante for muito baixo (<100mV) resulta em 
transistores muito grandes.
• Se VDS5 <0, ICMR mínimo não pode ser atingido.
• Solução: Aumentar o tamanho de M1 e M2.
– Isto reduz VGS de M1 e M2. Sobra mais espaço de tensão para 
excursão de M5.
– Isto impacta nos passos anteriores
– Passos anteriores devem ser revistos 
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Amplificador 2 estágios - Projeto
• Dimensionamento de M6
– Define a posição do polo p2
– MF 60o implica em p2 ≥ 2,2GB
– O tamanho de M3 é conhecido
– Para uma condição balanceada
– I6 é definida pelo espelhamento da corrente do 
primeiro estágio para a carga e pela excursão de 
saída.
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Amplificador de 2 estágios - Projeto
• A corrente I6 e o tamanho de M6 devem 
satisfazer a questão de excursão de saída 
também
– A potência dissipada deve ser verificada, pois 
normalmente o segundo estágio é que consome mais
• Dimensionamento de M7
– Balanceamento de corrente
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Amplificador de 2 estágios - Projeto
• Aqui fecha a primeira rodada de projeto, ou 
seja, de definição dos W/L dos transistores
• Agora vem a parte de verificação do projeto
– Atende ou não as especificações
• Checagem do ganho 
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Amplificador de 2 estágios - Projeto
• Se o ganho estiver muito baixo
– Vários pontos podem ser alterados para melhorá-lo
Correlação entre as características dos dispositivos e o desempenho global
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Tipos de Amplificadores
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Tipos de Amplificadores
Single Input - Single Output
Fonte Comum Cascode Regulado Folded Cascode
Pseudo Diferenciais
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Tipos de Amplificadores
Diferenciais completos
Fonte Comum Cascode Regulado Folded Cascode
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Fontes Referência
Tensão e Corrente
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Definição
• O que é uma fonte de 
referência?
– É uma fonte independente 
de tensão ou corrente que 
tem alto grau de 
estabilidade e exatidão.
• Requisitos de uma fonte 
de referência
– Deve ser independente
• fonte de alimentação
• da temperatura
• de variações do processo
• de ruído e outras 
interferências.
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Exemplos de Variações
• Processo
– Altera K’, Vt e λ
• Esta variações alteram o regime de corrente e tensão dos 
xtores.
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Exemplos de Variações
• Fonte alimentação