Lezione IX Amplificatori operazionali

L’amplificatore operazionale ideale  Ha guadagno infinito  Resistenza di ingresso infinita  Resistenza di uscita nulla  Guadagno indipendente dalla frequenza

Gli operazionali reali  Negli anni 70 si cercava di ottenere simultaneamente ottime prestazioni per ciascuna delle proprietà viste  Non sono più “general purpose”  Si cerca di massimizzare l’aspetto che interessa (Banda passante, slew rate, impedenze…)

Tipologie di operazionale  Singolo stadio (progettazione complessa se è richesto guadagno di anello elevato)  Doppio stadio (Circuito di Miller)  Triplo stadio (Agevole raggiungere guadagni elevati senza penalizzare la banda, difficile stabilizzazione)

L’operazionale a singolo stadio  Tutti i tipi di amplificatori differenziali possono essere considerati come amplificatori a singolo stadio  Ad esempio il carico può essere sostituito con un carico in pinch-off restituendo simmetria al circuito W1, L1 M1 W2, L2 M2 Iss1 I M4 W4,L4 M3 W3,L3 Vin1Vin2 Vdd

Esempio  In figura è riportato un buffer a guadagno unitario. Determiniamo il range ammissibile di modo comune e l’impedenza di uscita ad anello chiuso.  Il valore minimo di Vin è dato dalla somma del minimo valore ammissibile sullo specchio e dalla VGS necessaria a sostenere la corrente di polarizzazione  Il valore massimo è quello che porta M1 al bordo del triodo ovvero VDD-VGS3+VT

Valutazione resistenza di uscita  Dal momento che in uscita campioniamo tensione l’impedenza sarà quella del differenziale ad anello aperto divisa per il tasso di feedback W1, L1 M1 W2, L2 M2 Iss1 I M4 W4,L4 M3 W3,L3 Vin1 Vdd

L’operazionale di Miller

(continua)  E’ un circuito a due stadi  Lo stadio di ingresso è un differenziale CMOS. Il carico può essere a specchio, in pinch-off o anche a diodo con (o senza) generatori di corrente in parallelo.  Lo stadio di uscita è un amplificatore a source comune  I generatori di corrente li possiamo realizzare con un sistema cascode (ad esempio low-voltage)

(continua)  La tensione sul nodo di uscita Vout del differenziale determina la tensione di ingresso allo stadio successivo e sarà funzione della tensione di ingresso di modo comune  I mosfet di carico andranno dimensionati in funzione della corrente di polarizzazione e della allocazione dei loro overdrive W1, L1 M1 W2, L2 M2 Iss1 I M4 W4,L4 M3 W3,L3 Vin1Vin2 Vdd Vout

Come si progetta un operazionale?  Non esiste una metodologia unica per tutti i tipi di operazionale che ci proponiamo di progettare (ad esempio se vorremo privilegiare il guadagno la strategia potrà essere differente rispetto ad un progetto low- noise)  In ogni caso l’attenzione agli swing di tensione (overdrive) e al guadagno ad anello aperto gioca quasi sempre un ruolo primario

L’operazionale telescopico (cascode)