Amplificadores Cascode
Aula 7
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
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,
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),
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
Amplificador Cascode Simples (5)
• onde i11, i12, i21, i22, e i23 são
Com o nó de saída aberto, de acordo com KCL obtêm-se as seguintes equações,
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
Amplificador Cascode Simples (6)
Ou
Reorganizando a Eq. (14), e substituindo vs2 pela Eq. (12)
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 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 determinados,
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,
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,
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.
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,
Amplificador Cascode com Ganho Aumentado (7)
Note que, como
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),
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 (b).
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<VDD-|VT1|, M1 entra na saturação.
• Quando Vin cai, ID2 decresce, caindo para zero se ID1=I1 (Vin=Vin1). • Se Vin<Vin1, M1 entra na região triodo.
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (3)
Comportamento a pequenos sinais
Fig. 3 Circuito equivalente a pequenos sinais do amplificador cascode dobrado
i) Resistência de saída
ii) Transcondutância (quando a saída é fixada a uma tensão constante CC)
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (4)
Exemplo.
Fig. 1 Exemplo circuito 1
No circuito da figura acima, os parâmetros a pequenos sinais de M1 to M3 são mostrados na tabela abaixo:
1) Desenhe o circuito equivalente a pequenos sinais.
2) Determine o ganho de tensão a pequenos sinais e baixa freqüência vout/vin. 3) Determine a resistência de saída a pequenos sinais.
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (5)
Solução:
1) O circuito equivalente a pequenos sinais é desenhado abaixo.
Fig. 2 Circuito equivalente a pequenos sinais Da Fig. 2, pode-se obter as seguintes equações,
Portanto, ele é equivalente as amplificador cascode com ganho aumentado, descrito na seção anterior com A=gm3/gds3. Assim, o ganho de tensão e a resistência de saída é calculada substituindo A no resultado anterior do ganho do amplificador cascode com ganho aumentado
:
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (6)
Exemplo.
No circuito da figura acima, os parâmetros a pequenos sinais de M1 to M3 são mostrados na tabela abaixo:
1) Desenhe o circuito equivalente a pequenos sinais. 2) Determine a impedância de entrada
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (7)
Solução:
1)
Fig. 2 Circuito equivalente a pequenos sinais 2)
De acordo com KCL, tem-se,
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (8)
Fig. 3 Circuito equivalente a pequenos sinais para cálculo da impedância de entrada Das Fig. 3 e (2), tem-se
Amplificador Cascode Dobrado (Folded) (9)
Simplificando a Eq. (6a), tem-se
Assim
3)
