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Amplificadores Cascode
Aula 7 Prof. Nobuo Oki
Amplificador Cascode Simples(1) •
Serão consideradas diferentes topologias do amplificador cascode, incluindo – 1. Amplificador cascode simples – 2. Amplificador cascode multi-nível – 3. Amplificador cascode com ganho aumentado – 4. Amplificador cascode dobrado (folded) 1. Amplificador cascode simples
Comportamento a grandes sinais (Vin determinado por VG1, Vout (VDS) variando de 0 to 3V)
Amplificador Cascode Simples (2) • •
Análise a pequenos sinais Calcula-se utilizando análise a pequenos sinais – i) resistência de saída, – ii) transcondutância (quando a saída é curto circuitada para uma tensão CC fixa.) – iii) Ganho de tensão CC (quando a saída está aberta). i) Resistência de saída Como derivado anteriormente,
ii) transcondutância (quando a saída é curto circuitada para uma tensão CC fixa.) Curto-circuito da saída para um terra CA e desenha-se o diagrama equivalente a pequenos sinais como mostrado abaixo. De acordo com KCL obtêm-se,
onde
Amplificador Cascode Simples (3) Da Eq. (1), tem-se
Substituindo-se as Eqs. (2c)-(2e) na Eq. (3a), obtêm-se,
Da Eq. (1), tem-se Substituindo-se as Eqs. (2a)-(2e) na Eq. (4a), obtêm-se,
Resolvendo a Eq. (4b), obtêm-se
Substituindo-se a Eq. (5) na Eq. (3b),
Assim a transcondutância do amplificador cascode é
Amplificador Cascode Simples (4) •
Observação: Comparado com um amplificador fonte comum com um transistor simples que possui transcondutância de |Gm|=gm1 (Note que Gm é a transcondutânica do amplificador, e gm é a transcondutância do transistor), a transcondutância do amplificador cascode é ligeiramente menor, sendo Gm dada por
iii) O ganho de tensão CC (quando a saída está aberta)
Amplificador Cascode Simples (5) Com o nó de saída aberto, de acordo com KCL obtêm-se as seguintes equações, •
onde i11, i12, i21, i22, e i23 são
Da Eq. (8), tem-se Substituindo as Eqs. (9a) e (9b) na Eq. (10), tem-se
Reorganizando as equações acima, Da Eq. (8), tem-se Substituindo as Eqs. (9c) e (9e) na Eq. (13),
Amplificador Cascode Simples (6) Reorganizando a Eq. (14), e substituindo vs2 pela Eq. (12)
Ou
Note that,
, e a Eq. (15b) pode ser escrita como
Observação: Assumindo que a carga do amplificador cascode seja uma fonte de corrente ideal, o ganho de tensão do amplificador cascode é melhorado quando comparado com um amplificador fonte comum composto de um único transistor.
Amplificador Cascode Multi-nível
Análise a pequenos sinais i) Resistência de saída
ii) Transcondutância iii) Ganho de tensão Observação: Assumindo que a carga do amplificador seja uma fonte de corrente ideal, o Ganho de tensão do amplificador cascode multi-nível de três transistores é muito maior Quando comparado com o amplificador cascode com transistor simples.
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (1)
Comportamento a grandes sinais (Vin é fixado em VG1, Vout (VDS) variando de 0 a 3V)
Região I: M1C e M2C ambos na região triodo; Região II, M1C na saturação, M2C na triodo; Região III, M1C e M2C ambos na saturação
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (2)
Vista ampliada da corrente de dreno versus VDS do amplificador simples, do amplificador cascode e do amplificador cascode com ganho aumentado
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (3) Análise a pequenos sinais Serão deteminados, i) Resistência de saída, ii) Transcondutância (quando a saída é fixada em uma tensão CC), iii) O ganho de tensão CC (quando a saída é aberta) do amplificador cascode com ganho aumentado. . i) Determinando a resistência de saída a pequenos sinais, rout. a) Faça a tensão de entrada igual a zero (ou curto-circuite vin ao terra). b) Desenhe o circuito equivalente a pequenos sinais. c) Aplique itst ao nó de saída. d) Calcule a tensão de saída vtst. Note que a corrente através de gds1, i12, é igual a itst,
Circuito equivalente a pequenos sinais para cálculo da resistência de saída
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (4)
Note que, vs2 é aplicado na entrada do amplificador A. A tensão de saída do amplificador A é,
A tensão vgs de M2, vgs2, é dada por, Assim, i21 é dado por, A tensão vbs de M2, vbs2, é Assim, i22 é dada por, De acordo com KCL, i21+i22+i23 = itst. Tem-se,
Assim a tensão dreno fonte de M2, vds2, é dada por,
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (5) Note que, a tensão no nó de saída, vtst, é dada por,
Assim, a impedância de saída (resistência) é dada por,
ii) Transcondutância (quando a saída é fixada a uma tensão constante CC) Curto-circuitando a nó de saída ao terra, obtêm-se o circuito equivalente a pequenos sinais.
Circuito equivalente a pequenos sinais para cálculo da transcondutância Gm
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (6) Da figura acima pode-se obter a seguinte equação, Copiando as Eqs. (4), e (6) para facilitar o equacionamento,
Da figura acima, pode-se obter as equações para i11, i12, e i23,
Substituindo as Eqs. (12)-(16) em Eq. (11), tem-se,
Resolvendo a Eq. (17), obtêm-se,
Assim
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (7) como
Note que,
Assim a Eq. (19) pode ser reescrita como,
iii) O ganho de tensão CC (quando a saída é aberta). O ganho de tensão a pequenos sinais, Av = Gm rout. Multiplicando a Eq. (10) e Eq. (20),
A Eq. (21) pode ser escrita como,
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (1) 4. Amplificador cascode dobrado Amplificador cascode dobrado básico:
Fig. 1 Circuito do cascode dobrado com polarização apropriada sendo o terminal de fonte de M1 conectado a VDD (a) e com uma fonte de tensão de polarização VB. Por que escolher um amplificador cascode dobrado no lugar da configuração telescópica? • Maior liberdade para escolha da tensão CC junto a tensão de entrada vin (tal como mostra a Fig. 1(a)). • Tensão de excursão permitida alta. • Conveniência para configurações realimentadas onde deseja-se curto-circuitar a entrada com a saída.
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (2) Comportamento a grandes sinais
Fig. 2 Característica a grande sinais do cascode dobrado Na Fig. 2, I1 é a corrente fluindo através de M3 e é igual a soma de ID1 e ID2, VTH1=VT1. • Vin > VDD-|VT1|, M1 está cortado e M2 transporta todo o I1, produzindo Vout=VDD-I1RD. • Para Vin
