Amplificatori operazionali II Lezione X Amplificatori operazionali II

Abbiamo visto che: Gli operazionali a singolo stadio presentano delle limitazioni nello swing dell’uscita. Precisamente, se per aumentare il guadagno sono necessarie delle configurazioni “cascode” allora lo swing è limitato dal numero di mosfet che compongono i rami del differenziale Con topologie più complesse lo swing può essere aumentato ma non ottimizzato

Gli operazionali a due stadi Separando tra due diversi stadi in cascata le specifiche relative allo swing e al guadagno di tensione si riescono a superare con più agilità gli eventuali compromessi Attenzione però se c’e’ un vincolo sulla potenza Stadio 1 Stadio 2 Elevato guadagno Elevato swing

Esempio M1 NMOS M2 M3 PMOS M4 Iss M5 M6 M7 M8 Vdd b in1 in2 Vb1 Vout1

Considerazioni Nel circuito appena visto il guadagno e’ il prodotto del guadagno del differenziale con carico in pinch-off (gm r0n||r0p) moltiplicato il guadagno dello stadio a source comune (gm r0n||r0p) ed è quindi comparabile con un operazionale telescopico “cascode” Stavolta però l’output swing è limitato soltanto dagli overdrive di due soli mosfet. Sappiamo che swing e guadagno non sono indipendenti Nessuno poi vieta di utilizzare topologie “telescopiche” nello stadio a monte per raggiungere guadagni più elevati

Uscita “single end” M1 NMOS M2 M3 PMOS M4 Iss M5 M6 M7 M8 Vdd b in1 Vout

Progetto di uno stadio CS I parametri che abbiamo a nostra disposizione sono: la corrente di polarizzazione (che lega Vb e W/L di M1) Se vogliamo che lo swing sia simmetrico allora Wp e Wn sono legate dal rapporto dei K Quindi data la corrente il parametro è unico (Wn) e quindi guadagno e swing non possono essere imposti indipendentemente

In dettaglio Se la corrente e’ un dato, non e’ possibile imporre indipendentemente swing e guadagno

Tecniche di gain-boosting Le topologie a singolo stadio hanno un guadagno limitato In ogni stadio amplificatore il guadagno è quasi sempre funzione dell’impedenza di uscita Le tecniche di gain-boosting hanno proprio l’obiettivo di massimizzare il guadagno aumentando l’impedenza di uscita senza però aggiungere altri dispositivi cascode

Esempi Quanto vale l’impedenza al nodo di uscita di ciascuno di questi circuiti? M1 NMOS M2 M3 M4 A1 Vb Vb1

Il singolo mosfet in pinch-off Vb Banale, r01

..e la coppia cascode? M1 NMOS M2 Vb Vb1 Con un po’ di sforzo abbiamo calcolato che Rout è circa gm2r01r02 La coppia cascode può essere vista cone un amplificatore CS retroazionato sul source. A piccolo segnale la corrente di uscita che scorre anche in r01 provoca una diminuzione della tensione di ingresso a M2

…e allora Se retroazionamo M4 in modo da prelevare parte delle corrente di uscita per poi sottrarre una tensione in ingresso (serie-serie), l’impedenza di uscita di M4 aumenterà di conseguenza!!! Proviamo che in ipotesi che tutti i mosfet siano in pinch-off: M3 NMOS M4 A1 Vb Vb1

Modello small-signal (I) Rout

Modello small-signal (2) R1 Vgs2 r02 gm2vgs2 Rout R2 r01

Modello small-signal (III) R1 Vgs2 r02 gm2vgs2 Rout R2 r01

Regulated cascode [Hosticka, 1976] Vout La struttura in figura è il primo esempio di gain-boosting storicamente presentato. La resistenza di uscita è pari a gm2r01r02 dello stadio cascode moltiplicata per gm3r03 dello stadio in retroazione. Lo swing ammissibile sul nodo di uscita sarà limitato dall’overdrive di M2 più la Vgs di M3 ed è maggiore di un semplice stadio cascode

Gain boosting differenziale Applichiamo il concetto di gain boosting ad un singolo stadio differenziale cascode. Dal momento che i nodi di uscita del differenziale si muovono in maniera opposta, si può utilizzare un altro differenziale in retroazione al posto dei due singoli amplificatori. M1 NMOS M3 A1 M2 M4 A2 ISS A Vin1

Realizzazione circuitale Sostituendo all’amplificatore differenziale di retroazione la coppia realizzata con M5-M6 polarizzati da ISS2 si ottiene un differenziale cascode gain-boosted. La minima tensione Vout, presa al nodo di drain di M3, sarà data dall’overdrive di M3 più la VGS di M5 più la tensione che deve cadere su generatore ISS2. Anche stavolta, rispetto al semplice stadio cascode ci stiamo perdendo una soglia. Anche in questo caso ci viene in aiuto la topologia “folded cascode” M1 M3 M2 M4 ISS1 M5 M6 ISS2 I1 I2 Vin1 Vdd Vout

Low-voltage Gain boosting M1 M2 ISS1 M3 M4 ISS2 M5 PMOS M6 I1 I I2 M7 NMOS M8 I3 I4 Vdd Vb

Valutazione dello swing La minima tensione che possiamo raggiungere sul nodo X sarà data dall’overdrive di M1 più la minima tensione che serve a mantenere acceso il generatore di corrente Iss1. Il ramo del differenziale “folded”, avendo come ingresso un PMOS, funziona per tensioni di ingresso che possono diventare piccole a piacere (anche 0V) M1 M3 M5 PMOS I1 I M7 NMOS I3 Vdd Vb

Full Gain Boosting E’ chiaro che, quanto detto per la coppia cascode amplificatore può essere riportato per il carico cascode di un amplificatore telescopico Anche sui PMOS possiamo realizzare il gain boosting ottenendo così guadagni elevatissimi (fino a 100 dB ed oltre) Ovviamente gli amplificatori differenziali che realizzano il feedback saranno realizzati con NMOS come dispositivi di ingresso per non limitare lo swing

Operazionale telescopico “gain-boosted” I differenziali U1 e U2 sono realizzati entrambi in modalità “folded” per non limitare gli swing Lo stesso concetto si può utilizzare se lo stadio amplificatore M1-M3 viene realizzato in configurazione “folded” Ovviamente tutto quanto vale anche per topologie in cui i mosfet amplificatori siano a canale P

Confronto tra le diverse topolgie di OP-AMP Guadagno Swing Velocità Dissipazione Rumore Telescopico Medio Massima Bassa Basso Folded-cascode Alta Media Due stadi Alto Massimo Gain-boosted