Folded cascode  Non è necessario che i due MOSFET di una struttura cascode siano dello stesso tipo.  Utilizzando un PMOS e un NMOS polarizzati attraverso un generatore di corrente si realizza il cosiddetto amplificatore folded cascode  E’ possibile utilizzare sia il PMOS che l’NMOS come dispositivi di ingresso M1 M2 R I1 Ibias Vdd Vin Vout Vdd Vb

Folded cascode  Il funzionamento di questo circuito non è dissimile da un amplificatore differenziale nella configurazione in cui l’ingresso è applicato solo ad uno dei due MOS  Si tratta sempre della cascata di uno stadio a source comune e di uno a gate comune  Il dispositivo carico può essere a sua volta realizzato nella versione cascode M1 M2 R I1 Ibias Vdd Vin Vout Vdd Vb

Caratteristica di trasferimento  Per tensioni di ingresso tali che M1 sia interdetto si ha: V out =V dd -R D I bias  La scelta del valore di resistenza (o della corrente di polarizzazione) può essere fatta affinchè Vout=0 (funzionamento rail-to-rail) 0.0V0.6V1.2V1.8V2.4V3.0V 0.0V 1.5V 3.3V V(out)

…  Non appena M 1 entra in conduzione (in pinch-off), la corrente avrà il solito legame quadratico con la tensione e di conseguenza anche la tensione di uscita sarà legata a quella di ingresso da un tale legame funzionale.  Non appena I D1 =I bias, M 2 si spegne e la tensione di uscita si porta al valore Vdd  In questa zona M1 si trova a funzionare in regione di triodo 0.0V0.6V1.2V1.8V2.4V3.0V 0.0V 1.5V 3.3V V(out)

Considerazioni  La versione folded-cascode consente il risparmio di un overdrive nel dispositivo amplificatore  Tale migliramento lo noteremo però soltanto in una configurazione differenziale  È necessario però progettare un generatore di corrente di polarizzazione per cui la potenza dissipata dovrà essere maggiore rispetto ad uno stadio cascode standard

Esercizio Dimensionare i mosfet di un amplificatore folded- cascode affinche: 1. La tensione minima sul nodo di uscita sia 0.3V 2. Il guadagno sia 20dB al centro della caratteristica di trasferimento Si assuma R=30k e si consideri che il generatore di corrente Ibias necessita di almeno 200mV di caduta per funzionare correttamente M1 M2 R I1 Ibias Vdd Vin Vout Vdd Vb

Soluzione 1. Per imporre Vout,min=0.3V è necessario scegliere una corrente di polarizzazione pari a 2. Tenendo conto che per far funzionare il generatore di corrente servono 200mV, bisognerà progettare l’NMOS per un overdrive pari a

…  Al centro della caratteristica di trasferimento la corrente di polarizzazione di dividerà in parti uguali tra I due rami. Per imporre il guadagno ricordiamo che

…  Ricordando che il guadagno deve essere pari a 20dB ovvero pari a 10 si avrà

Lezione VI Specchi di corrente passivi

Motivazioni  In un circuito integrato c’è necessità di avere a disposizione correnti di polarizzazione che: Siano poco dipendenti dalla tensione di alimentazione Siano poco dipendenti da temperatura e parametri di processo Siano “a basso rumore”

Il semplice generatore di corrente NMOS  Il circuito in figura mostra una dipendenza della corrente di uscita del tipo  Le dipendenza da processo e temperatura diventano critiche quando l’overdrive è piccolo M1 R2 R1 Vdd Iout

Lo specchio di corrente  Gli specchi si basano sul principio di “copia” di una corrente di riferimento. E’ facile dimostrare che:  Nella realizzazione si cerca di mantenere uguali tutte le L per minimizzare gli errori dovuti alla differenza tra le lunghezze “disegnate” e quelle “reali” M2 M1 Iref I Vdd Iout

La caratteristica di uscita  E’ ovviamente la caratteristica di un MOS polarizzato a Vgs costante. La tensione Vgs è data dal MOS di riferimento che è polarizzato sempre in pinch-off. La pendenza in pinch-off è proprio la resistenza di carico che lo specchio presenterà al circuito. In questo semplice caso sarà proprio la r 0  Ovviamente la minima tensione accettabile sul nodo di uscita è quella che mantiene il mosfet M2 in zona di pinch-off (ancora l’overdrive!)

Sistemi di specchi A partire da una corrente di riferimento, si possono generare a piacimento correnti che viaggiano in zone diverse del circuito

Specchi di corrente come amplificatori (o carichi attivi)  Uno specchio di corrente può anche essere utilizzato per amplficare un segnale  Nel circuito in figura la corrente di drain di M 1 (I REF ) è data da g m1 V in  LA corrente di drain di M3 è legata a IREF tramite la relazione per cui la presenza dello specchio può aggiungere un ulteriore fattore all’amplificazione del circuito M1 M2 M3 RL Vin Vout Vdd

Lo specchio cascode  In quello che abbiamo detto si è sempre trascurata la dipendenza della corrente di drain dalla modulazione di L  L’introduzione della configurazione cascode riduce la dipendenza della corrente di uscita dall’effetto di modulazione della lunghezza del canale

Specchio cascode  Si realizza a partire da uno specchio semplice implementando la configurazione cascode sul ramo di uscita  Se Vb è scelta in modo che V X =V Y allora M 1 e M 2 lavorano alla stessa tensione V DS e quindi alla stessa corrente di drain  Questo viene ottenuto sacrificando la caduta di tensione (al fine di garantirne la sua permanenza in pinch- off) su M 3 che riduce l’output swing sul nodo di uscita M2 M1 Iref M3 Vdd Vb Iout X Y

Versione completa  Siccome deve essere V X =V Y allora V b -V GS3 =V X quindi per ottenere V b bisogna aggiungere una V GS a V x  La generazione di V b la si può fare attraverso l’aggiunta di un altro MOSFET nel ramo di riferimento  Attraverso la scelta delle dimensioni di M0 si fa in modo che V GS0 =V GS3  Dimostrare che deve essere (W/L) 3 (W/L) 0 = (W/L) 2 (W/L) 1 M2 M1 Iref M3M0 Vdd Iout X Y

Layout  Si vedono chiaramente i quattro mosfet le cui gate sono connesse tra loro attraverso linee di polisilicio orizzontali  Le dimensioni dei mosfet sono tutte uguali tra loro (W=10λ, L=2 λ)  Ovviamente manca il generatore della corrente di riferimento e di conseguenza anche la linea di alimentazione

Caratteristica di uscita  In figura è riportato il confronto tra uno specchio semplice (curva blu) ed uno cascode (curva rossa) progettati per erogare la stessa corrente. Come si vede la configurazione cascode “scherma” l’effetto di modulazione del canale  Il problema di questa configurazione risiede nel ramo di polarizzazione che ha bisogno di due soglie di tensione in più oltre agli overdrive 0.0V0.6V1.2V1.8V2.4V3.0V 0uA 3uA 6uA 9uA 12uA 15uA 18uA 21uA 24uA 27uA 30uA 33uA cascodesemplice

Specchio cascode modificato (low-power)  Per limitare la caduta di tensione sullo specchio, ovvero eliminare il compromesso tra accuratezza e output swing, cominciamo a studiare una versione modificata del circuito cascode.  In pratica bisognerà fare in modo che la tensione sul nodo di uscita sia data dalla somma degli overdrive dei due mosfet  Ci preoccupiamo di stabilire quale valore di Vb garantisce che M0 e M1 funzionino in pinch-off M1 Iref M0 Vdd Vb

(continua)  Affinché M1 ed M2 siano in saturazione deve essere Ovvero mettendo insieme le due disuguaglianze Che ha soluzione solo se: Bisognerà dunque, data Iref, dimensionare M2 in maniera il suo overdrive non superi una soglia X M1 Iref M2 Vdd Vb x

(continua)  Mettiamo altri due mosfet in parallelo ad M0 e M1 e supponiamo che le dimensioni dei dispositivi impongano Vgs0=Vgs3 (ovvero VA=VB)  Se Vb=Vgs0+Vgs1-VTH allora Vb=vgs2+Vgs3-VTH e quindi il generatore cascode realizzato da M2 e M3 si trova polarizzato alla minima Vout necessaria a mantenere M3 e M4 in zona attiva (ovvero la somma degli overdrive di M2 e M3). Inoltre M1 ed M2 lavorano alla stessa Vds consentendo un’esatta replica di Iref A out B

Dimensionamento 1. Si sceglie l’overdrive complessivo del ramo di uscita e lo si suddivide tra I mosfet M2 e M3 2. Del momento che Vx=Vy allora anche l’overdrive su M1 sarà pari all’overdrive su M2 3. L’overdrive su M0 sarà pari all’overdrive su M3 im namiera da garantire che Vgs0=Vgs3 4. Infine si sceglie la tensione Vb pari alla soma degli overdrive più una soglia

Caratteristica di trasferimento  La caratteristica di trasferimento mostra l’assenza della zona in cui uno solo dei due mosfet era in zona di triodo.  Infatti, essendo polarizzati alla Vds minima, i dispositivi entrano simultaneamente in zona di triodo e rendono così minima la spesa in termini di caduta di tensione sullo specchio 0.0V0.6V1.2V1.8V2.4V3.0V 0uA 3uA 6uA 9uA 12uA 15uA 18uA 21uA 24uA 27uA 30uA 33uA Id(M3) Quando Vout supera la somma degli overdrive di M2, M3 entrambi I mosfet di uscita si trovano in pinch- off