Specchio cascode low-voltage  Per limitare la caduta di tensione sullo specchio, ovvero eliminare il compromesso tra accuratezza e output swing, abbiamo.

Presentazione sul tema: "Specchio cascode low-voltage  Per limitare la caduta di tensione sullo specchio, ovvero eliminare il compromesso tra accuratezza e output swing, abbiamo."— Transcript della presentazione:

1 Specchio cascode low-voltage  Per limitare la caduta di tensione sullo specchio, ovvero eliminare il compromesso tra accuratezza e output swing, abbiamo studiato la rete di polarizzazione del circuito cascode illustrata in figura.  Abbiamo anche stabilito che M 1 e M 2 funzionano in saturazione se l’overdrive su M 2 è inferiore ad una soglia  Rimane da introdurre un’ulteriore ramo di polarizzazione per la generazione della tensione V b M1 NMOSEN W,L M2 NMOSEN W,L I1 Vdd b

2 Caratteristica di trasferimento  La caratteristica di trasferimento, confrontata con quella di uno specchio cascode semplice, 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

3 Generazione di V b  La tensione Vb, che deve garantire gli overdrive dei mosfet di uscita ed anche la soglia del mosfet cascode, la si genera con un ulteriore ramo di autopolarizzazione  Sul mosfet M1 la tensione V DS =V GS  Sul mosfet M2 la tensione V DS <V GS dal momento che va tenuta in conto anche la caduta su M3 M1 NMOSEN W,L M2 NMOSEN W,L I1 M3 NMOSEN W,L Vdd

4 M1 NMOSEN W,L M2 NMOSEN W,L I1 M3 NMOSEN W,L Vdd (continua)  In particolare si dimensiona M3 in maniera che la sua V GS =V DS sia circa pari a V T (come?)  In questo modo M2 è polarizzato al bordo della zona di pinch-off e si ha: Vb

5 Il circuito complessivo

6 Lezione IX Amplificatori differenziali

7 Premessa  Nel corso di Elettronica analogica avete appreso le modalità di funzionamento ad ampi e piccoli segnali dell’amplificatore differenziale realizzato con mosfet.  Ne conoscete le versioni a carico resistivo e carico attivo (specchio di corrente)  Avete anche usato il circuito differenziale come elemento fondamentale per la realizzazione di un amplificatore operazionale CMOS  Con queste basi, svilupperemo l’analisi di questo circuito con una maggiore attenzione riguardo ai criteri di progettazione e dimensionamento dei mosfet

8 Amplificatore Differenziale con carico resistivo Carico resistivo

9 Analisi ad ampi segnali La tensione differenziale di ingresso è data dalla differenza tra le tensioni gate-source di M1 e M2

10 Analisi ad ampi segnali Se M1 e M2 sono polarizzati in pinch-off possiamo scrivere le note equazioni delle correnti e risolverle per Vgs1 e Vgs2

11 … Sottraendo entrambi I membri, possiamo quindi valutare la tensione differenziale di ingresso in funzione della corrente di drain di M1 e M2

12 … Il nostro scopo è di valutare le correnti in funzione della tensione differenziale. Eleviamo quindi al quadrato entrambi I membri

13 (continua) Se M1 e M2 sono uguali e sviluppiamo il secondo membro Ricordando che

14 In definitiva Possiamo quindi scrivere le due equazioni che legano le correnti di drain alla tensione differenziale di ingresso e che, risolte, forniscono la caratteristica di trasferimento per ampi segnali del nostro amplificatore differenziale

15 Caratteristica di trasferimento Zona di funzionamento lineare -500mV-300mV-100mV100mV300mV500mV 0uA 5uA 10uA 15uA 20uA 25uA 30uA 35uA 40uA 45uA 50uA 55uA I(M2)I(M1)

16 (continua)  E’ anche utile vedere a quale tensione Vgs si mettono a lavorare M1 e M2 se ΔVin=0  Ancora ricordiamo che l’amplificatore differenziale con carico resistivo guadagna come un equivalente stadio a source comune

17 Risposta al modo comune  Il circuito in figura rappresenta un AD in configurazione di modo comune  La polarizzazione viene effettuata attraverso un generatore di corrente di cui, a piccolo segnale, consideriamo la sola resistenza differenziale di uscita  Vogliamo determinare il guadagno di questo stadio

18 Mezzo circuito equivalente  La simmetria del circuito ci consente di analizzarne solo la metà  La corrente di polarizzazione si dimezza mentre la resistenza di uscita del generatore di corrente deve raddoppiare  Il guadagno di questo stadio è dato da:

19 Esempio  Supponiamo che R ss sia scelto in maniera da garantire una corrente di polarizzazione dello specchio pari ad 1 mA.  Se (W/L)=20/0.5, μ n C ox =50uA/V 2, V TH =0.6V e V DD =3V Qual è il minimo valore di modo comune che garantisce una caduta su R ss pari a 0.5V? Determinare Rd che impone un guadagno differenziale pari a 5 Cosa succede al circuito se il valore di modo comune aumenta di 50 mV?

20 (a)  Dal momento che su Rss devono cadere 0.5V il valore di Rss è pari a 1mA/0.5V=500Ω  Per avere su Rss una caduta di 0.5V si deve avere che:

21 (b)  Il guadagno è dato da:  Il livello di continua sui nodi di uscita è dato da

22 (c)  Se il valore di modo comune aumenta di 50mV, anche il valore del potenziale di source dovrà variare di conseguenza e quindi i dispositivi vedranno ridotta la loro tensione Vds  Di conseguenza i due mosfet si avvicinano alla zona di triodo

23 Amplificatore asimmetrico  Le variazioni di modo comune risultano essere molto dannose rispetto all’amplificazione di modo differenziale se, come è nella realtà, i due rami del differenziale non sono proprio uguali  Supponiamo ad esempio che R1=Rd e R2=Rd+ΔRd e che il differenziale sia polarizzato con un generatore la cui impedenza di uscita è proprio Rss

24 (continua)  Si avrà: Ovvero nasce una componente di modo differenziale in risposta ad un segnale dei modo comune!!

25 (continua)  Anche differenze tra i mosfet, che si manifestano come differenze di gm, portano a segnali differenziali dovuti a componenti di modo comune.  E’ possibile provare che: Guadagno di conversione CM-DM

26 Definizione  Si definisce rapporto di reiezione di modo comune, o anche CMRR, il rapporto tra l’amplificazione di modo differenziale e l’amplificazione di conversione da modo comune a modo differenziale dovuta alle asimmetrie del circuito