Analisar a operação do amplificador diferencial. Entender o significado de tensão de modo diferencial e de modo comum

1

ELETRÔNICA

ELETRÔNICA

ELETRÔNICA

ELETRÔNICA

ANAL

ANAL

ANAL

ANALÓ

Ó

ÓGICA II

Ó

GICA II

GICA II

GICA II

1 1 1

1 –––– PLANO DE ENSINOPLANO DE ENSINOPLANO DE ENSINOPLANO DE ENSINO 2

2 2

2 –––– MATERIAL DE APOIOMATERIAL DE APOIOMATERIAL DE APOIOMATERIAL DE APOIO 3

3 3

3 –––– PPPPÁÁÁÁGINA DO PROFESSOR: GINA DO PROFESSOR: GINA DO PROFESSOR: GINA DO PROFESSOR:

http://www.joinville.udesc.br/po http://www.joinville.udesc.br/po http://www.joinville.udesc.br/po http://www.joinville.udesc.br/po rtal/professores/raimundo rtal/professores/raimundo rtal/professores/raimundo rtal/professores/raimundo/

OBJETIVOS

• Analisar a operação do amplificador

diferencial

• Entender o significado de tensão de modo

diferencial e de modo comum

• Determinar as características de pequenos

sinais do amplificador diferencial

• Analisar amplificadores diferenciais como

parte integrante dos Amplificadores

1.

1.

1.

1. Amplificadores

Amplificadores

Amplificadores

Amplificadores Diferenciais

Diferenciais

Diferenciais

Diferenciais

O Amplificador Diferencial é um circuito eletrônico capaz de receber dois sinais ao mesmo tempo e fornecer uma saída com o resultado que será a diferença

amplificada destes sinais.

O par diferencial

(idealmente) responde a sinais diferenciais (i.e., a diferença das tensões de entrada) e rejeita o modo comum, i.e., não reage a sinais idênticos.

CARACTERÍSTICAS

Termina TerminaTermina

Terminaççção Simples:ção Simples:ão Simples:ão Simples: é quando um sinal ééé quando um sinal quando um sinal équando um sinal éé aplicado é aplicado aplicado aplicado numa entrada e a outra

numa entrada e a outra numa entrada e a outra

numa entrada e a outra ééé conectada ao terra;é conectada ao terra;conectada ao terra;conectada ao terra;

Termina TerminaTermina

Terminaççção Dupla:ção Dupla:ão Dupla:ão Dupla: éé quando dois sinais de éé quando dois sinais de quando dois sinais de quando dois sinais de polaridades opostas são aplicados nas entradas; polaridades opostas são aplicados nas entradas;polaridades opostas são aplicados nas entradas; polaridades opostas são aplicados nas entradas;

Modo Comum: Modo Comum:Modo Comum:

Modo Comum: éé quando um mesmo sinal, podendo ser éé quando um mesmo sinal, podendo ser quando um mesmo sinal, podendo ser quando um mesmo sinal, podendo ser tamb

tambtamb

tambééém de mesmo potencial e de defasagem 0ém de mesmo potencial e de defasagem 0m de mesmo potencial e de defasagem 0ºm de mesmo potencial e de defasagem 0ºº entre si, º entre si, entre si, éentre si, ééé aplicado nas entradas.

aplicado nas entradas.aplicado nas entradas. aplicado nas entradas.

3

CONSIDERAÇÕES

•Fonte de corrente ideal

•Transistores e resistores

casados

•Transistores na região

ativa

•Resistência de saída do

TJB infinita

PAR DIFERENCIAL

CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA

α ≅

1

Q

1

≡≡≡≡

Q

2

Q

₁

e Q

₂

saturados

Fonte de corrente ideal

V

_A

→

→

→

→ ∞

∞

∞

∞

)

1

(

2 1 2 1 G GS GS id G

v

v

v

v

v

−

=

−

=

(

)

(

2

)

2

1

2 ) 2 ( 1 ) 2 ( 1 n GS t D

v

V

L

W

k

i

=

′

−

)

3

(

2 1

i

I

i

_D

+

_D

=

PAR DIFERENCIAL COM TRANSISTOR MOS

Combinando as equações 1, 2 e 3 e considerando que no

ponto quiescente

GS GS GS D D

v

v

V

I

i

i

₁

=

₂

=

₁

=

₂

=

2

tem-se

(

)

2 ) 2 ( 1 2 1 2 2 _     − − − ± = t GS id id t GS D V V v v V V I I i

5

VARIA

VARIA

VARIA

VARIAÇ

Ç

ÇÃO DAS CORRENTES

Ç

ÃO DAS CORRENTES

ÃO DAS CORRENTES

ÃO DAS CORRENTES

Sendo idênticos os

transistores, como a soma das correntes de emissor é constante, quando se varia a tensão diferencial

vD = vB2 - vB1, a corrente transfere-se de um para o outro transIstor.

Obs.: basta uma entrada

diferencial de cerca de

±100 mV para que um dos

transistores tome

praticamente toda a

corrente.

JFET e MOSFET:

JFET e MOSFET:

JFET e MOSFET:

JFET e MOSFET:

A equação de transferência é a

mesma dos JFETs, embora se

escreva, habitualmente, com a

forma:

Polariza Polariza Polariza

Polarizaçççção DC: as entradas com um potencial de 0V. ão DC: as entradas com um potencial de 0V. ão DC: as entradas com um potencial de 0V. ão DC: as entradas com um potencial de 0V. Ambos os emissores estão conectados ao resistor RE, Ambos os emissores estão conectados ao resistor RE, Ambos os emissores estão conectados ao resistor RE, Ambos os emissores estão conectados ao resistor RE, sendo este o motivo que faz com que a corrente IE seja sendo este o motivo que faz com que a corrente IE seja sendo este o motivo que faz com que a corrente IE seja sendo este o motivo que faz com que a corrente IE seja constante. Se os transistores forem

constante. Se os transistores forem constante. Se os transistores forem

constante. Se os transistores forem perfeitamente perfeitamente perfeitamente perfeitamente iguais

iguais iguais

iguais, a CORRENTE em cada emissor ser, a CORRENTE em cada emissor ser, a CORRENTE em cada emissor ser, a CORRENTE em cada emissor seráááá a mesma (iguais) a mesma (iguais) a mesma (iguais) a mesma (iguais) à

à à

à metade da corrente IE. metade da corrente IE. metade da corrente IE. metade da corrente IE.

POLARIZAÇÃO DC

2

2

2 1 E T E E

I

I

I

I

=

=

=

1 E

I

I

E2 T

I

C C CC C

V

I

R

V

=

−

CC B E BE EE E

R

R

V

V

I

β

.

2

/

)

(

+

−

=

E BE EE E E E

R

V

V

I

I

I

2

)

(

2

2 1

−

=

=

=

Efeito do Resistor de Base na

Efeito do Resistor de Base na

Efeito do Resistor de Base na

Efeito do Resistor de Base na

corrente de cauda

corrente de cauda

corrente de cauda

corrente de cauda

0

=

−

+

E

E

EE

BE

I

R

V

V

An

An

An

7

Quais as correntes e tensões ideais na figura abaixo: Quais as correntes e tensões ideais na figura abaixo: Quais as correntes e tensões ideais na figura abaixo: Quais as correntes e tensões ideais na figura abaixo:

EX. POLARIZAÇÃO DC

E BE EE E E E

R

V

V

I

I

I

2

)

(

2

2 1

−

=

=

=

mA

k

I

I

_{E E}

1

5

,

7

.

2

)

0

15

(

2 1

=

−

=

=

V

k

mA

V

R

I

V

V

_C

=

_CC

−

_{C C}

=

15

−

(

1

).(

5

Ω

)

=

10

Cada coletor tem tensão

Cada coletor tem tensão

Cada coletor tem tensão

Cada coletor tem tensão

quiescente:

quiescente:

quiescente:

quiescente:

V

0

≈

SOLUÇÃO COMPLETA

Recalculando as correntes e tensões para

Recalculando as correntes e tensões para

Recalculando as correntes e tensões para

Recalculando as correntes e tensões para

segunda aproxima

segunda aproxima

segunda aproxima

segunda aproximaç

ç

ç

ção, na figura abaixo:

ão, na figura abaixo:

ão, na figura abaixo:

ão, na figura abaixo:

mA

k

I

I

_{E E}

0

,

953

5

,

7

.

2

)

7

,

0

15

(

2 1

=

−

=

=

V

k

mA

V

R

I

V

V

_C

=

_CC

−

_{C C}

=

15

−

(

0

,

953

).(

5

Ω

)

=

10

,

24

ANÁLISE AC

R

R

R

R

EEEE

grande, corrente de

grande, corrente de

grande, corrente de

grande, corrente de

cauda

cauda

cauda

cauda é

é

é

é quase constante

quase constante

quase constante

quase constante

quando um pequeno sinal

quando um pequeno sinal

quando um pequeno sinal

quando um pequeno sinal

CA

CA

CA

CA é

é

é

é inserido.

inserido.

inserido.

inserido.

V

V

V

9

ANÁLISE AC

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS -

-

- Sedra

-

Sedra

Sedra

Sedra

ANÁLISE AC

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS –

–

– Duas

–

Duas

Duas

Duas

Metades

Metades

Metades

ANÁLISE AC

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS

Equivalente

Equivalente

Equivalente

Equivalente

2

v

_id

−−−−

R_C i_R=0 R_C

r

_ππππ 1

v

_ππππ + -1 m

v

g

_ππππ r_ππππ + 2

v

_ππππ -R vO1 + - vO2 + -2 m

v

g

_ππππ

2

v

_id

2

1

o

o

od

v

v

v

=

−

2

2

2 1 od o od o

v

v

v

v

=

=

−

ANÁLISE AC

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS -

-

-

- Ganho

Ganho

Ganho

Ganho

de modo diferencial

de modo diferencial

de modo diferencial

de modo diferencial

R_C

2

v

_od

+

-1

m

v

g

_ππππ

1

v

_ππππ

+ -r_ππππ

2

v

_id

e C C m id od d

r

R

R

g

V

V

A

=

=

−

=

−

e T T C m

r

V

I

V

I

g

1

2

=

=

=

α

e C C m id o d

r

R

R

g

V

V

A

2

2

1

1

=

−

=

−

=

Sa

Sa

Sa

Saí

í

í

ída em

da em

da em

da em

termina

termina

termina

11

ANÁLISE AC

Termina

Termina

Termina

Terminaç

ç

ç

ção simples

ão simples

ão simples -

ão simples

-

-

-Malvino

Malvino

Malvino

Malvino

e E

r

R

>>

′

C

c

out

i

R

V

=

.

e e e e e e

r

i

r

i

r

i

V

₁

=

.

′

+

.

′

=

2

.

′

e C v

r

R

A

′

=

2

e C v

r

R

A

′

=

Sa

Sa

Sa

Saí

í

í

ída Diferencial

da Diferencial

da Diferencial

da Diferencial

c

i

GANHOS DE TENSÃO DO AMP. DIF.

Obs.:

Obs.:

Obs.:

Obs.:

R

_e

′

=

r

_e

′

Fonte: Fonte: Fonte: Fonte: Malvino Malvino Malvino

Exemplo: Determinar a tensão de saída CA e a impedância

de entrada se β = 300.

An

An

An

Aná

á

álise dc:

á

lise dc:

lise dc:

lise dc:

ANÁLISE AC

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS

PEQUENOS SINAIS -

-

-

- Ganho

Ganho

Ganho

Ganho

de modo comum

de modo comum

de modo comum

de modo comum

icm ocm cm

V

V

A

=

v_icm v_icm R_C R_C Q1 Q2 R -V_EE V_CC I V_CC R_C R_C -V_EE -V_EE 2R 2R v_c1 v_c2 I/2 I/2

v

_c1

=v

_c2

=v

_ocm Fonte: Fonte: Fonte: Fonte: SedraSedraSedraSedra

13

ANÁLISE AC

Modelo equivalente:

Modelo equivalente:

Modelo equivalente:

Modelo equivalente:

Modo comum

Modo comum

Modo comum

Modo comum

r_ππππ v_ππππ g_mv_ππππ RC 2R + -+

-v

_ocm

v

_icm

R

R

R

g

R

g

A

v

v

A

C m C m cm icm ocm cm

2

1

1

2

1

α

β

−

≅

















+

+

−

=

=

Fonte: Fonte: Fonte: Fonte: SedraSedraSedraSedra

ANÁLISE AC

Razão de rejei

Razão de rejei

Razão de rejei

Razão de rejeiç

ç

ç

ção ao

ão ao

ão ao

ão ao

modo comum

modo comum

modo comum

modo comum

Fonte: Fonte: Fonte: Fonte: SedraSedraSedraSedra

cm d dB e m o m cm d

A

A

CMRR

r

R

R

g

R

g

A

A

CMRR

log

20

1

1

2

1

2

1

=

=

≈

























+

+

=

=

β

icm cm id d o icm id

v

A

v

A

v

v

v

v

v

v

v

+

=

+

=

−

=

2

2 1 2 1 Sinais contem Sinais contem Sinais contem Sinais contem usualmente uma usualmente uma usualmente uma usualmente uma componente componente componente componente

diferencial e outra diferencial e outra diferencial e outra diferencial e outra em modo comum:

em modo comum:em modo comum: em modo comum:

Resistência de entrada de modo diferencial e ie v b id id

r

h

r

i

v

R

icm

β

π

2

2

2

0

=

=

=

=

=

Resistência de entrada de modo comum

(

)

[

2

1

]

2

1

2

0

+

+

=

=

=

β

π

R

r

i

v

R

id v b icm icm

As correntes de pequenos sinais que fluem quando tensões diferenciais e de modo comum são aplicadas são

icm icm id id b icm icm id id b

R

v

R

v

i

R

v

R

v

i

+

−

=

+

=

2 1

ANÁLISE AC

ANÁLISE AC

Alternativamente:

Alternativamente:

Alternativamente:

Alternativamente:

Modo comum

Modo comum

Modo comum

Modo comum

Fonte: Fonte: Fonte:

15

ANÁLISE AC

Alternativamente:

Alternativamente:

Alternativamente:

Alternativamente:

Modo comum

Modo comum

Modo comum

Modo comum

Fonte: Fonte: Fonte:

Fonte: MalvinoMalvinoMalvinoMalvino

Ex.: Qual

Ex.: Qual

Ex.: Qual

Ex.: Qual é

é

é

é o ganho de tensão em modo

o ganho de tensão em modo

o ganho de tensão em modo

o ganho de tensão em modo

comum? Qual a tensão de sa

comum? Qual a tensão de sa

comum? Qual a tensão de sa

comum? Qual a tensão de saí

í

í

ída?

da?

da?

da?

Fonte: Fonte: Fonte:

Fonte: MalvinoMalvinoMalvinoMalvino

mV

mV

v

M

M

R

R

A

out C cm

5

,

0

)

1

.(

5

,

0

5

,

0

1

.

2

1

.

1

2

=

=

=

Ω

Ω

=

=

α

OUTRAS CARACTERÍSTICAS NÃO IDEAIS

Tensão de offset (V

_OS

)

-V_EE R_{C1 V} R_C2 OD + -Q1 Q2 V_CC I -V_EE V_OS + -R_C2 R_C1 Q2 Q1 V_CC I VOS VOS VOS

VOS ééé a tensão que deve ser aplicada é a tensão que deve ser aplicada a tensão que deve ser aplicada àa tensão que deve ser aplicada àà entrada de à entrada de entrada de entrada de modo que a tensão na sa

modo que a tensão na samodo que a tensão na sa

modo que a tensão na saííída seja igual a zeroída seja igual a zeroda seja igual a zeroda seja igual a zero

d OD OS

A

V

V

=

V_OSé devida ao descasamento nos resistores e nos transistores

2

2

2 1 C C C C C C

R

R

R

R

R

R

∆

−

=

∆

+

=

ANÁLISE

1) Descasamento nos resistores e transistores casados













∆

−













−

=













∆

+













−

=

2

2

2

2

2 1 C C CC C C C CC C

R

R

I

V

V

R

R

I

V

V

α

α

C C C OD

R

I

V

V

V

=

−

=

∆

2

1 2

α

( )

C m C d OD OS

R

g

R

I

A

V

V

=

=

α

2

∆

C C T OS

R

R

V

V

=

∆

17

2) Descasamento nos transistores e resistores casados

2

2

2 1 S S S S S S

I

I

I

I

I

I

∆

−

=

∆

+

=













_∆

−

=













_∆

+

=

S S E S S E

I

I

I

I

I

I

I

I

2

1

2

2

1

2

2 1 C S S OD

R

I

I

I

V

=

∆

2

α

S S T OS

I

I

V

V

=

∆

2 2 2 2













_∆

+













_∆

=













_∆

+













_∆

=

S S C C T OS S S T C C T OS

I

I

R

R

V

V

I

I

V

R

R

V

V

Correntes de polarização de offset de entrada

1

2

2 1

+

=

=

β

I

I

I

_{B B}

_{Perfeitamente simétrico}

2 1 B B OS

I

I

I

=

−

2

2

2 1

β

β

β

β

β

β

=

+

∆

=

−

∆

Corrente de offset

Descasamento em

ββββ













_∆

+

+

≅

∆

−

+

=













_∆

−

+

≅

∆

+

+

=

β

β

β

β

β

β

β

β

β

β

2

1

1

1

2

2

1

1

2

2

1

1

1

2

2

1

1

2

2 1

I

I

I

I

I

I

B B

(

)

β

β

β

∆

+

=

1

2

I

I

OS

Correntes de polarização I

_B

(

)

β

β

β

∆

=

+

=

+

≡

B OS B B B

I

I

I

I

I

I

1

2

2

2 1

ESPELHOS DE CORRENTE: Fonte de Corrente

Integra

Integra

Integra

Integraç

ç

ção de fontes de correntes (espelhos)

ç

ão de fontes de correntes (espelhos)

ão de fontes de correntes (espelhos)

ão de fontes de correntes (espelhos)

para aumentar o CMRR e cargas ativas,

para aumentar o CMRR e cargas ativas,

para aumentar o CMRR e cargas ativas,

para aumentar o CMRR e cargas ativas,

minimizando erros de descasamentos.

minimizando erros de descasamentos.

minimizando erros de descasamentos.

minimizando erros de descasamentos.

19

ESPELHOS DE CORRENTE: Fonte de Corrente

CARGA ATIVA

CARGA ATIVA

CARGA ATIVA

CARGA ATIVA

FONTE DE

FONTE DE

FONTE DE

FONTE DE

CORRENTE

CORRENTE

CORRENTE

CORRENTE

Q₂ Q₁ -V_EE I_E1 IB1 IB2 I_E2 IC1 IC2=IO IREF VO ESPELHO DE CORRENTE IC1 V_CB=0 V_BE1Q VBE1 I_REF ≈I_C1 Q₁≡≡≡≡Q₂ Q₂ na região ativa

Efeito Early desprezível

I_C1 = I_C2=I_C I_B1= I_B2=I_B

β

2

1

1

+

=

REF O

I

I

Para ββββ>>1

1

≈

REF O

I

I

Considerando o efeito Early

i_C v_CE -V_A 1/r₀ V_CEsat













+

=

A CE V v S C

V

V

e

I

I

T BE

1

Q₂ Q₁ -V_EE I_E1 IB1 IB2 I_E2 IC1 IC2=IO IREF VO A BE A EE O REF O V V 1 V V V 1 2 1 1 I I ++++ ++++ ++++ ⋅⋅⋅⋅ ββββ ++++ ====       _{++++ −−−−} ++++ ⋅⋅⋅⋅ ββββ ++++ ≅≅≅≅ A BE EE O REF O V V V V 1 2 1 1 I I

Uma fonte de corrente simples

R

V

V

V

V

V

I

CC BE A BE O O

−













₋

+

⋅

+

=

1

2

1

1

β

R

V

V

I

CC BE REF

−

=

R V_BE + -I_REF Q₁ Q₂ I_O V_O V_CC O A o V I r ≈≈≈≈ IO

Modelo equivalente CC,

válido para Q

2

na região

21

Circuitos guias de corrente

R

V

V

V

V

I

CC EE EB BE REF 2 1

−

−

+

=

Considerando todos os

transistores idênticos e

ββββ

muito alto:

REF REF REF

I

I

I

I

I

I

I

3

2

4 3 2 1

=

=

=

=

CONFIGURAÇÃO DARLINGTON

Mostre que

ββββ

_D

=

ββββ

₁

ββββ

₂

Espelho de corrente de Wilson

Q₂ Q₁ IREF Q₃ IO

1

2

(

β

2

β

)

1

2

+

+

=

REF O

I

I

2

2

1

1

β

+

≅

REF O

I

I

A vantagem deste espelho de corrente é sua maior resistência de saída RO

2

o O

r

R

=

β

Problema: erro devido ao

efeito Early _{CE BE} BE CE

V

V

V

V

2

2 1

=

=

Q₁ Q₂ Q₃ Q₄ IO IREF V_BE V_BE V_BE+ + + - -BE CE CE

V

V

V

₁

=

₂

=

MELHORADO:

MELHORADO:

MELHORADO:

MELHORADO:

Exemplo:V

_CC

=10V;I

_O

=10

µµµµ

A

a) Fonte de corrente simples Assumindo VBE=0.6V

b)Fonte de corrente de Widlar Escolhendo IREF=1mA

11.5KΩ 10 10 ln A 10 25mV R 9.3KΩ 1 0.7 10 R 3 2 1 ==== µµµµ ==== ==== −−−− ≅≅≅≅ Q₁ Q₂ VBE2 + -VBE1 -+ R₂ R₁ I1 I_O V_CC Q1≡Q2 R V_BE + -I_REF Q₁ Q₂ I_O V_O

Ω

=

−

=

940

k

µ

10

6

0

10

R

A

.

23

r_ππππ v_ππππ g_mv_ππππ r_o R E + --

v

x

Resistência de saída da fonte de corrente de Widlar

(

m E

)

o E O E o E m x x O E m m x o E m x

r

R

g

R

R

R

r

R

g

i

v

R

v

R

g

v

g

i

r

v

R

g

v

v

′

+

+

′

=

′













′

+

=

≡













′

+

−

=













′

+

−

−

=

π π π π

1

1

1

1

1

o E m O

g

R

r

R

≅

(

1

+

′

)

POR HOJE...

POR HOJE...

POR HOJE...