Elettronica Analogica con Applicazioni

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1 Elettronica Analogica con Applicazioni Docente: Alessandro Trifiletti CFU: 6 E mail: [email protected] 1) Presentazione del corso, cenni sulle problematiche di progetto a RF, problematiche sui circuiti VLSI. Retroazione, sintesi di un buffer attraverso retroazioni annidate. 2) Figure di merito di un OpAmp. LʹOpAmp come rete 3 porte, e lʹapprossimazione di rete 2 porte. Amplificazione differenziale, amplificazione di modo comune, desensibilizzazione rispetto alle tensioni di alimentazione, dinamica di modo comune (ICMR), impedenza di ingresso/uscita, tensioni di offset, prodotto banda guadagno. Considerazioni generali sullʹamplificatore di transconduttanza (OTA) due stadi. 3) Calcolo della funzione di trasferimento dellʹota due stadi single ended, valutazione sui poli e sugli zeri, diagrammi di Bode associati. Ipotesi di polo dominante, rulo della capacità di compensazione (effetto Miller). 4) Valutazioni sulla stabilità dellʹota due stadi singleended(approssimazione trascurando capacità parassite fra Gate e Drain). Frequenza di attraversamento, diagramma di Nyquist. Metodi per il miglioramento del margine di fase, compensazione di Miller (problematiche relative allo zero positivo introdotto). Criteri di dimensionamento di un OTA due stadi single ended(frequenza di attraversamento, frequenza di polo dominante, frequenza dello zero positivo, consumo di potenza).

2 5) Confronto critico fra BJT e MOSFET (guadagno di transconduttanza e resistenza di uscita, deriva rispetto alle correnti di polarizzazione), problematiche relative ai circuiti VLSI (basso guadagno). Conti sullo stadio common source (CS) di tipo cascode, analisi ʺa spanneʺ delle figure di merito (stabilizzazione della tensione del source del common gate (CM)). Problematiche di dinamica e plarizzazione in un OTA due stadi cascode. 6) Calcolo della funzione di trasferimento di uno stadio cascode e le funzioni di impendenza di ingresso/uscita. Analisi del cascode attivo (Gain Boosting). Conti sul cascode attivo nellʹipotesi che lʹopamp non introduca poli e non abbia effetti di carico. 7) Cascode telescopico (folded cascode o cascode ripiegato), schema a blocchi corrispondente, analisi delle tensioni di polrizzazione, problematiche di modo comune, problematiche di dinamica di ingresso e di uscita. Retrazione del modo comune (Common Mode FeedBack o CMFB), analisi dei nodi su cui è possibile applicare il CMFB. Introduzione ai Double Differential Amplifier (DDA), sintetizzati con folded cascode. Quesito sul modello di retrazione per la realizzazione di un buffer differenziale, problematiche relative a un buffer con retroazione di tipo resistivo. Esempio di circuito RF con schema a blocchi e amplificazione fuori anello. 8) Conti sul cascode attivo. Sintesi mediante lʹutilizzo di un CS, e conti di dimensionamento trascurando le resistenze di uscita dei mos e le capacità fra Gate e Drain (si è introdotta una capacità parassita fra Gate e Drain del transistor di retroazione). Valutazione dei poli e degli zeri della funzione di trasferimento. Dimensionamento di M3 sulla base di considerazioni circa la stabilità del circuito (analisi secondo Nyquist), e consumo di potenza. Vantaggi del cascode attivo. Realizzazione di un cascode telescopico attivo.

3 Problematiche circa la risposta in frequenza, dinamica e il dimensionamento della capacità parassita aggiunta. Realizzazione di un cascode attivo mediante coppia differenziale. Confronto fra lʹamplificatore di Miller e il cascode attivo. 9) Ripresa dei conti sul buffer DDA. Valutazione delle due soluzioni proposte a lezione, con analisi delle rispettive problematiche. OTA due stadi di tipo differenziale. Problematiche sullʹamplificazione di modo comune, individuazione di un nodo di controllo per il CMFB. Dinamica di modo comune in ingresso e in uscita. Schema a blocchi del CMFB applicato al suddetto circuito. 10) OTA due stadi (OTA2S), modello di modo comune. Realizzazione dellʹamplificatore per il CMFB. Problemi legati alla stabilità dovuta allʹelevato guadagno ad anello del modo comune. Cenni sulla compensazione di ʺpuroʺ modo comune (compensazione sulla Vctrl) in alternativa alla diminuzione del guadagno ad anello aperto. Studio di alcuni circuiti per la rivelazione del modo comune (Common Mode Estimator o CME): partitore resistivo, partitore resistivo/capacitivo. Problematiche relative allʹinserimento del carico resistivo/capacitivo nellʹota2s. Struttura di CME con buffer (Common Drain), CME con eliminazione della Vgs di offset del buffer, vincolo della dinamica di uscita. Applicazione del CMFB allʹamplificatore folded cascode, e studio di un CMFB in corrente. 11) Esercitazione Spwin. 12) Stadi di uscita con BJT: Classe A, Classe B, Classe AB e relative efficienze.

4 Problematiche di stadi di uscita MOSFET in classe AB. Finale MOSFET ʺinverterʺ (Common Source), e problematiche di aggancio del gate. 13) Stadi finali MOSFET affacciati di drain retroazionati. Schema a blocchi di un finale con Error Amplifier (EA). Valutazioni di piccolo segnale, polarizzazione e dinamica. 14) Valutazioni di grande segnale sul finale MOSFET con EA. Studio di un finale commerciale con EA, valutazioni sulla protezione dei dispositivi (funzionamento non lineare, MOSFET in triodo), controllo delle problematiche di offset di tensione, generatori di corrente ausiliari per il circuito analizzato (M3H, M4H). Studio di un finale MOSFET a doppio transconduttore (DT). 15) Stadio finale NMOS, studio della retroazione e dimensionamento dei parammetri Beta degli NMOS utilizzati. Introduzione ai Current Operational Amplifier (COA). Versione elementare (specchio di corrente). Problematiche di controreazione. Problematiche circa il ʺmescolamentoʺ fra componenti di segnale e componenti statiche. Presentazione di un COA che lavori interamente in corrente, e che non faccia quindi uso di nodi ad alta impedenza per sviluppare guadagno. Modello di un COA, e schema di reazione classico. Schema a blocchi di un COA con finale sbilanciato. Schema a blocchi di un finale che faccia uso di un DDA. 16) Stadio di uscita di un COA, con riferimento alle pubblicazioni del dipartimento (CMOS High CMRR current Output Stages, IEEE Circuits & Systems II, vol. 54, sept. 2007). Implementazione mediante cella differenziale. Implementazione mediante cella di Arbel. Realizzazione di un COA retroazionato V V che sintetizzi il funzionamento di un VOA e problematiche relative alla dipendenza della banda passante (BW) dal carico.

5 17) Stadio di ingresso di un COA. Il Current Conveyor di seconda generazione (CCII), definizione, possibili realizzazioni, applicazioni sullo studio di correnti. Utilizzo nella lettura di correnti in modo non perturbativo. Utilizzo per la sintesi di una architettura programmabile che simuli una rete N porte qualsiasi. Realizzazione base di un CCII (con 4 specchi e due dispositivi MOS), figure di merito e funzioni di trasferimento ai nodi X, Y e Z. 18) Il CCII come componente ʺstand aloneʺ. Realizzazione di un CCII invertente ( ), tramite lʹutilizzo di uno specchio semplice. CCII+ basati su coppia differenziale, effetti delle partizioni di corrente sul trasferimento totale, struttura complementare CCII. Miglioramento dellʹimpedenza al nodo X. Miglioramenti sul trasferimento a buffer di tensione (BV). Strutture di CCII+ con ingresso in classe AB. Struttura equivalente di tipo folded CCIIcon limitazione della corrente di uscita e miglioramento della impedenza al nodo Z. 19) First COA solution, realizzata mediante lʹausilio del nodo ad alta impedenza del CCII. Figure di merito e vincoli di statica. Cascoding della First COA solution, vincoli di dinamica. Realizzazione di un CCII con trasferimento non unitario. Cenni sulla realizzazione di blocchi precisi di transimpedenza e transconduttanza. Motivazione dellʹutilizzo del classe AB allʹingresso del COA (invece che allʹuscita come in un VOA). COA con Gain Boosting e HSCC come miglior BV nei CCII. Foglio PSpice per la valutazione del guadagno limite di un dispositivo. 20) Realizzazione di un COA con controllo del modo comune in un uscita, attraverso lʹutilizzo di una coppia differenziale (DP) ʺsdoppiataʺ e di un blocco transconduttore con controllo su un MOS in triodo. Realizzazione equivalente con doppio specchio, in grado di influenzare meno il guadagno

6 ad anello. Problematiche relative al pilotaggio sbilanciato della DP (impedenza di ingresso). Analisi di un COA completo di CMFB (scheda data in aula), schema a blocchi. Sintesi di VOA mediante lʹutlizzo di COA (CFVOA). 21) Esercitazione con foglio PSpice per il calcolo dellʹimpedenza di uscita di un dispositivo MOS e BJT. Studio di un CS, Cascode, Gain Boosting, e valutazione delle figure di merito (guadagno limite e resistenza di uscita). 22) Studio di COA con interfaccia di uscita in classe AB. Studio di vari schemi per il miglioramento della precisione nel trasferimento di corrente degli specchi, agendo su un trasferimento a buffer sulle Vds. Implementazione tramite Gain Boosting. Studio di un Voltage Feedback COA. Studio di un COA con lʹutilizzo di 4 celle a doppio transcondottore, figure di merito dei tre blocchi componenti (transresistenza, transconduttanza e guadagno di corrente). 23) Simulazione di OPA a due poli e uno zero con PSpice e Matlab. Comportamenti non ideali delle impedenze di ingresso e uscita. Studio di blocchi transconduttori ad alta precisione: coppia differenziale con resistenza di emettitore. Problematiche relative alla non linearità della Vbe, e studio di alcuni schemi (su foglio) per il miglioramento delle esigenze di fedeltà.