Lezione III Amplificatori a singolo stadio

L'amplificatore ideale  Un amplificatore ideale è un circuito lineare V out =A v V in  Le tensione di ingresso può assumere qualsiasi valore  La tensione di uscita può assumere qualsiasi valore

..nella realtà Un amplificatore è un circuito fortemente non lineare  Un amplificatore a singolo stadio è composto da un dispositivo che funge da amplificatore ed un carico lineare (resistivo) o non lineare (attivo o passivo)  Le proprietà di un amplificatore non sono tutte modificabili indipendentemente ma…

L’ottagono  Le grandezze da considerare nel progetto sono: Dissipazione di potenza RumoreLinearità Guadagno Impedenza di ingresso/uscita VelocitàEscursione di tensione Tensione di alimentazione

L’amplificatore a source comune  Dal momento che il MOSFET converte una variazione della tensione V in in una variazione di corrente, possiamo convertire quest’ultima in una variazione di tensione attraverso l’uso di un resistore R D posto sul drain.  Per cominciare a comprendere alcune delle problematiche di progetto è utile andare a studiare il comportamento ad ampi segnali di questo semplice stadio amplificatore M1 RD Vin Vout Vdd

La caratteristica di trasferimento  Facendo variare V in da 0 a V dd si ottiene la caratteristica ingresso-uscita  Se V in <V TH, M 1 è spento e quindi la tensione di uscita vale V dd  Successivamente M 1 si accende e se V dd è sufficientemente alta, passa in saturazione per cui, in pinch-off:

(continua)  Non appena la differenza tra V in e V out diviene V th, M 1 si trova al limite della zona di pinch-off. In questo punto si ha: Che risolta fornisce il valore di Vin e Vout

0.0V0.6V1.2V1.8V2.4V3.0V -0.8V -0.4V 0.0V 0.4V 0.8V 1.2V 1.6V 2.0V 2.4V 2.8V 3.2V 3.6V V(vout)V(vin)-0.7 (continua)  Un successivo aumenti di V in riduce ulteriormente la caduta V DS e quindi M 1 entra dapprima in zona di triodo e poi in zona lineare. In questa zona si ha:

(continua)  Al solito, si cerca di lavorare nella zona che ci consente guadagni più elevati, ovvero quando M1 si trova in pinch-off.  In questa regione possiamo definire il guadagno a piccolo segnale come la pendenza della caratteristica ingresso- uscita:

(continua)  Come ci aspettiamo, il guadagno ad ampi segnali sarà funzione del segnale di ingresso.  In particolare, osservando l’andamento del guadagno, si nota come non esistano praticamente zone approssimabili con un andamento costante.

Progetto  Come fare per massimizzare l’amplificazione dell stadio appena esaminato? Possiamo riscrivere l’espressione di Av:

(continua)  Quindi aumentando W/L o V RD oppure diminuendo I D, in teoria, è possibile aumentare A v.  E’ però importante comprendere che, ognuna di queste scelte porta inevitabilmente a dei compromessi.  Ad esempio aumentare le dimensioni porta inevitabilmente ad un aumento delle capacità.  D’altra parte un aumento di V RD diminuisce l’escursione possibile della tensione in uscita

In funzione dell’overdrive…  Il guadagno aumenta in maniera inversamente proporzionale alla tensione di overdrive.  Per aumentare il guadagno basterà, a parità di corrente, diminuire l’overdrive (aumentando il rapporto W/L)  Quest’operazione massimizza guadagno e swing ma penalizza la dinamica

Effetti di ordine superiore  Se si considera la modulazione della lunghezza di canale allora: E quindi

(continua)  Se consideriamo che, nonostante tutto, la corrente ID si mantiene pressoché costante otteniamo  Dal momento che possiamo riscrivere:

Esercizio  Progettare un amplificatore a source comune con carico resisitivo che, polarizzato con I D =100uA presenti A v =20. Si provi a massimizzare l’escursione della tensione di uscita.  Per il MOSFET si consideri V T =0.7, KP=100uA/V 2. Si trascuri la modulazione della lunghezza di canale. Il circuito è alimentato a 3.3V

I carichi non lineari  E’ molto difficile realizzare, in tecnologia CMOS, dei resistori di valore controllabile con una determinata accuratezza  Se fosse possibile, l’occupazione di area su chip sarebbe intollerabile  Il MOSFET, se GATE e DRAIN sono in corto circuito, funziona come un resistore non lineare. Questa connessione si chiama “a diodo”.

Calcolo della resistenza equivalente  Dimostriamo rapidamente che un NMOS connesso a diodo presenta, tra i terminali di DRAIN e SOURCE, un impedenza pari all’inverso della somma tra le transconduttanze del MOSFET stesso e quella dovuta all’effetto Body.

L’amplificatore CS con carico a diodo  Sostituendo il resistore di carico con un n-mos connesso a diodo si ottiene un nuovo stadio amplficatore  Lo stesso stadio può essere realizzato utilizzando un p-mos

Calcolo del guadagno  Da quanto detto in precedenza segue immediatamente che:  E’ utile esprimere tutto in funzione dei parametri geometrici W,L

Analisi ad ampi segnali  Se ipotizziamo M1 in pinch-off allora possiamo eguagliare le correnti che scorrono in M1 e M2 Il legame tra ingresso e uscita è lineare!

Esempio Possiamo utilizzare SwitcherCad per calcolare la caratteristica di trasferimento di un amplificatore NMOS con carico a diodo Si vede chiaramente che, all’accensione di M1, il legame tra ingresso e uscita è praticamente lineare 0.0V0.3V0.6V0.9V1.2V1.5V1.8V2.1V2.4V2.7V3.0V3.3V 0.2V 0.4V 0.6V 0.8V 1.0V 1.2V 1.4V 1.6V 1.8V 2.0V 2.2V 2.4V 2.6V V(n003)

Ampiezza della zona lineare  Il legame tra ingresso e uscita è lineare finchè il mosfet amplificatore M1 permane in regione di pinch-off.  Il valore di tensione di uscita per il quale il mosfet entra in regione di triodo è esattamente pari alla sua tensione di overdrive 0.0V0.3V0.6V0.9V1.2V1.5V1.8V2.1V2.4V2.7V3.0V3.3V 0.2V 0.4V 0.6V 0.8V 1.0V 1.2V 1.4V 1.6V 1.8V 2.0V 2.2V 2.4V 2.6V V(n003)

Layout del circuito  Un possibile layout (per nulla curato o ottimizzato) mostra come il mosfet amplificatore è molto più largo del mosfet di carico.  Questo garantisce che il guadagno sia superiore all’unità