Amplificatori elementari con carico attivo MOSFET E connesso a diodo

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1 Amplificatori elementari con carico attio MOSFET E connesso a diodo i ( ) = K g = µ C W L I V t m n OX G. Martines

2 MOSFET DE connesso a diodo GS = 0, il transistore può funzionare in regione di triodo o di pinch off ma su una sola cura i = K( V ) td i = KV = I in regione di pinch off td DSS in regione di triodo ed in questo caso i KV td + V = A G. Martines

3 Generatore di Corrente Elettronico La corrente attraerso il generatore ideale è indipendente dalla tensione ai suoi capi e la resistenza di uscita è infinita Nei generatori di corrente elettronici, la corrente dipende dalla tensione ai terminali ed essi hanno una resistenza di uscita finita. I generatori di corrente a singolo transistore funzionano solo in un quadrante del piano i- e hanno una eleata resistenza di uscita. La figura di merito V CS è definita da V CS =I O R out ; per un resistore ale V CS = V EE R R=V EE per un transistore V CS =I D r o =I D /λ+v DS I D = λ +V DS G. Martines 3

4 Generatore di Corrente di Widlar (Eleata Resistenza di Uscita) Le equazioni di progetto sono quelle iste per la polarizzazione a quattro resistenze: V G = R 4 (R 3 +R 4 ) V SS e V GS =V TN + I O K N quindi R S = V G+V SS V GS I O V G+V SS I O Per la resistenza di uscita, dal modello equialente a piccolo segnale del transistore si ottiene: R out =R S +r o (+g m R S )=r o +(+g m r o ) R S µ f R S V Allora V CS µ ss f 3 cioè I O R S V SS /3 se si applica il criterio del /3, G. Martines 4

5 Generatore di corrente costante a specchio di corrente Principio di funzionamento Le correnti di uscita sono uguali se i transistori sono uguali, ma possono aere alori significatiamente diersi se, ad esempio, è dierso il rapporto W/L in M ed M. G. Martines 5

6 Generatore di corrente costante a specchio di corrente Le equazioni di progetto per effetto della iniezione di corrente in M V GS =V TN+ I REF ma V GS =V GS K N (+λv DS ) e quindi I O = K N (V GS V TN ) (+λ V DS ) il rapporto di riflessione (mirror ratio) per transistori uguali è MR= I O = (+λv DS) I REF (+λ V DS ) poiché per un FET connesso a diodo ale la i ed il generatore g m di I REF è ideale. G. Martines 6

7 Circuiti per la distribuzione della corrente di polarizzazione Tutti i transistori hanno i gate connessi ad un unico nodo ed i drain possono essere connessi a tensioni di alimentazione dierse. Le correnti di drain dipenderanno dai rapporti di riflessione di ciascuno specchio e da MR i = I Oi = (W / L) i(+λv DSi ) I ref (W / L) (+λv DS ). G. Martines 7

8 Lo specchio di corrente di Widlar Per determinare il rapporto di riflessione = I REF I O = V V GS GS K N R R Da cui I O K N I O = R I REF K N ( I O I REF (W / L) (W / L) ) ed infine I O = I REF R I REF K N( I O I REF (W / L) (W / L) ) Per la resistenza di uscita R out, dal modello equialente a piccolo segnale del transistore connesso a diodo, si ottiene: R out =R+r o (+g m R)=r o +(+g m r o ) R µ f R G. Martines 8

9 Specchio di corrente di Wilson Principio di funzionamento Tutti i transistori sono in saturazione e I D3 =I D =I O ed I D =I REF. Se i transistori sono tutti uguali, allora anche V GS3 =V GS e dee essere Quindi I D = (+λ V GS) I D (+λv GS ) (+λv I O =I GS ) REF (+λ V GS ) con V GS V TN+ I REF K N Il antaggio non è nel rapporto di riflessione ma nel alore della resistenza di uscita. G. Martines 9

10 Specchio di corrente di Wilson La resistenza di uscita. x = 3 + =(i x g m3 gs )r o3 + i x g m con gs = = g m r o = (+µ f ) i x g m quindi: R out =r o3 [+ g m3 (+µ g f )]+ m g m Se i transistori sono uguali, allora g m =g m =g m3 e si può scriere R out r o3 (+µ f + µ f ) µ f r o3 Infine V CS µ f λ 3 G. Martines 0

11 Il generatore di corrente cascode per le correnti si ha I D3 =I D =I REF e I O =I D4 =I D mentre V DS =V GS +V GS3 V GS4 Inoltre, se tutti i transistori sono uguali, allora V DS =V GS =V DS e ne consegue che dee essere esattamente I O=I REF nello specchio costituito da M ed M. Il circuito equialente per la determinazione della resistenza di uscita presenta /g m al posto dei MOS connessi a diodo. Il generatore controllato è nullo, quindi R out =r o4 (+g m4 r o ) µ f4 r o G. Martines

12 Stadio CS con carico MFOSFET E connesso a diodo ( ) ( ) e t GS D t I D V K i V K i = = oero ( ) t O DD D V V K i = G. Martines

13 Transcaratteristica del CS con carico connesso a diodo O = V DD K Vt K K K I G. Martines 3

14 Modello equialente a piccolo segnale A = g A m ( g m // ro ro ) g m g m // K O = = I K ( W L) ( W L) G. Martines 4

15 BODY EFFECT nei FET Nota : generalmente si ha 0 < η < G. Martines 5

16 Effetto Body e degrado della prestazione Il bulk di Q non può essere connesso al source ma alla massa e quindi nasce l effetto body: A = g m g m // g mb // ro // ro g m g m + ( ) ( g ) mb potendo porre gmb = χ gm con χ tipicamente compreso fra 0. e 0.3, si ottiene: gm A gm + χ cioè una significatia riduzione del guadagno di tensione. G. Martines 6

17 Stadio CS con MOSFET E e carico MOSFET DE connesso a diodo il modello equialente a piccolo segnale di Q si riduce Con 0 GS = alla sola r o e quindi nella regione III: A = g ( r r ) m o // o G. Martines 7

18 Stadio CS con MOSFET E e carico MOSFET DE connesso a diodo Modello equialente a piccolo segnale in presenza di effetto body A = g m // ro // g mb A gm g Nota: la corrente di polarizzazione è necessariamente la I DSS del MOSFET DE e può essere ariata solo cambiando il layout del transistore DE. m r χ o g g m mb G. Martines 8

19 Generatore di corrente costante a specchio di corrente con MOSFET Poiché I = K ( V V ) ed I K ( V V ) REF GS t O = in regione di saturazione, allora: GS t I O I REF = K ( W L) ( W L) K = I REF ed O = ro R = I V A REF G. Martines 9

20 Amplificatore CMOS (carico attio a specchio di corrente) G. Martines 0

21 Trans-caratteristica dell amplificatore CMOS ( r r ) m o // o REF G. Martines A = g K o i = g = m n I REF e A = V A r = I o = ro K n I V A REF