Progettazione Analogica e Blocchi Base

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1 Progettazione Analogica e Blocchi Base Lucidi del Corso di Circuiti Integrati Università di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Laboratorio di Elettronica (EOLAB)

2 Blocchi base Università di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica Laboratorio di Elettronica (EOLAB)

3 Blocchi Base: Specchio di Corrente Lo specchio di corrente è un blocco elementare utilizzato per copiare una corrente da un punto all altro del circuito (distribuire una corrente di polarizzazione) o come carica attivo di amplificatori. La corrente in M1 è uguale alla corrente in M2 perché i MOS sono in saturazione ed hanno la stessa tensione di gate. Q2 DEVE essere in saturazione quindi la tensione di uscita (Vout) deve essere: Vout > Veff2

4 Blocchi Base: Specchi di Corrente Il parametro più importante per giudicare uno specchio è la resistenza di uscita, ossia quanto la corrente d uscita rimane stabile ed uguale a quella di ingresso al variare della tensione di uscita. v gs2 =0 R out =r ds2 La resistenza d uscita di uno specchio semplice è limitata dall effetto di modulazione della lunghezza di canale. 1/g m1 r ds2 La resistenza d uscita coincide con la resistenza r ds di Q2. R out =r ds2

5 Blocchi Base: Specchio di Corrente Per i discorsi fatti sulle tecniche di layout: se si vogliono ottenere correnti d uscita in un qualsiasi rapporto con la corrente di ingresso: I OUT = K I IN = N/M I IN Si utilizzano N+M transistor tutti uguali e se ne mettono M in parallelo in ingresso e N in parallelo in uscita. Infatti se volessi facessi semplicemente W 2 =NW 1 e L 2 =NL 1 l effetto delle variazioni effettive delle dimensioni (dimensioni efficaci) avrebbe risultati diversi su M1 e M2. W L eff W 2 L W L NW 1 ML W L M W eff 1 N L

6 Specchio di corrente: rapporti I IN I OUT =I Oj =N I IN I Oj N N correnti in uscita uguali a quella in ingresso si sommano I IN =I in,j =MI in,j I in,j M I OUT =I in,j =I IN /M La corrente in ingresso si divide in M correnti uguali, una sola di queste è copiata in uscita

7 Blocchi Base: Specchio di Corrente Per realizzare rapporti molto elevati si possono usare M transistor in serie in ingresso e N in parallelo in uscita, in questo caso: I OUT =N*M I IN Così posso realizzare un rapporto pari a 16 con soli 8 transistor anziché 17. I IN Equivalente ad un solo MOS con L1=ML2 M I Oj I OUT =I Oj =N I Oj =N(M I IN ) N

8 Specchio di Corrente Cascode Obiettivo: aumentare la resistenza di uscita dello specchio semplice. Sfrutta il fatto che il transistor Q4 mantiene il drain Q2 ad una tensione poco variabile (isola il drain di Q2 dal nodo di uscita). Resistenza di uscita: Rout=r ds4 *(1+r ds2 g m4 ) Controindicazione: aumenta la tensione minima che deve essere presente in uscita: Vmin=2(Vgs-V Tn )+Vtn = 2V eff +V Tn

9 Tensione di Alimentazione L uso di cofigurazioni cascode è limitato dalle tensioni di alimentazione: con lo scaling dei processi CMOS anche le tensioni di alimentazioni sono diminuite (3.3V, 1.8V, 1.2V). Con basse tensioni di alimentazioni è impossibile riuscire ad impilare troppi transistor l uno sull altra mantenendoli tutti in saturazione. Per questo motivo si passa dalle configurazioni cascode alle folded-cascode (cascode ripiegato). Un altro problema è legato alla tensione minima che deve essere presente all uscita di uno specchio cascode: essa è molto maggiore che nel caso di uno specchio semplice. E necessario allora ricorrere all uso di specchi cascode modificati in modo che la loro tensione minima di uscita sia molto minore (specchi wide-swing).

10 Specchio Wide-Swing Cascode Si ricava che, perché Q2 (nel caso che Ibias=Iin) resti in saturazione deve essere: Vout>(n+1)Veff2 Se si sceglie n=1 Vout>2 Veff2 Tale valore è significativamente minore che nel caso di un cascode classico. Se Iin non è costante si sceglierà per Ibias il valore massimo assunto dalla Iin. La resistenza di uscita resta quella di un cascode.

11 Esempio: Wide-Swing per Due Stadi

12 Altissima Resistenza d Uscita Per aumentare ulteriormente la resistenza dello specchio si può introdurre un ulteriore stadio di amplificazione. In questo caso: R out =g m1 r ds1 r ds2 (1+A)

13 Implementazione L implementazione pratica dello specchio ad altissima impedenza di uscita prevede di realizzare l amplificatore A per mezzo di un amplificatore singolo stadio a source comune (Q3 e IB1). In questo caso: Rout=(g m1 g m3 r ds1 r ds2 r ds3 )/2

14 Altissima Resistenza & Wide-Swing Per unire l altissima impedenza ed il wide-swing si usa il circuito in Figura. V out >2V eff

15 Amplificatore a Source Comune Amplificatore con guadagno in tensione e carico attivo: M3 M2 V OUT Carico Guadagno: Av= -g m1 (r ds1 //r ds2 ) Resistenza di ingresso infinita V IN M1 Rout= (r ds1 //r ds2 ) Amplificatore

16 Amplificatore Source Comune Modello a piccoli segnali per il calcolo del guadagno.

17 Amplificatore a Drain Comune Guadagno in tensione prossimo all unità (è usato come buffer visto che ha un guadagno in corrente, oppure come level shifter ossia traslatore di livello). E chiamato anche source follower perché riporta sul drain le variazioni di tensione del source. I B M3 V IN Amplificatore M1 Guadagno: M2 V OUT Carico Av=gm1/(gm1+gs1+gds1+gds2) Essendo in genere gds1 e gds2 molto minori di gm1 in pratica l errore nel guadagno (che si vorrebbe unitario) è introdotto da gs1 che modella l effetto body. Si può eliminare mettendo Q1 in una well e cortocircuitando S e B ma ciò è impossibile in un processo nwell.