Amplificador Operacional OTA Miller

(1)

ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris

Amplificador de 2 Estágios

Amplificador Operacional

OTA Miller

O que é um Amplificador Operacional?

• O OPAMP é um amplificador de alto ganho,

acoplado em DC projetado para operar em

realimentação negativa de forma a definir uma

função de transferência precisa em laço

fechado.

• Característica:

– Ganho suficientemente elevado (aplicação define isto)

– Entrada diferencial

– Resposta em Freqüência que garante operação estável em laço fechado e realimentação negativa. – Alta impedância de entrada

(2)

Op Amp • O OpAmp é projetado para ser empregado sob

realimentação negativa para processar de forma precisa um sinal. ) ( 1 ) ( ) ( : 1 que maior muito for F(s) A(s) produto o Se ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) ( s F s v s v s F s A s A s v s v in out in out ≈ + =

A função de transferência é determinada da seguinte forma:

Amplificador Operacional Ideal

Características:

• Ganho Diferencial Infinito • Impedância de Entrada Infinita • Impedância de Saída Zero • Ganho de Modo Comum Zero

Infelizmente OPAMP ideal não existe!

A busca no sentido de alcançar a idealidade nos parâmetros de desempenho leva a uma relação de compromisso entre potência, área, excursão de sinal, etc.

(3)

Parâmetros de Interesse – Ganho de Laço Aberto

OPAMPs invariavelmente operam com realimentação!

Razão: Fixar a relação entrada – saída através de componentes externos. Para um OPAMP ideal (Av = ∞) o ganho pode ser ajustado pela razão de R2 e R1

Parâmetros de Interesse

(4)

Resposta em Freqüência

• Se o A(0) é muito grande e os polos p1 e p2 estão próximos, então é provável que em algum freqüência ωxa fase será 180o,

mas o ganho ainda será maior que a unidade.

• Realimentando este sistema possivelmente o levará a instabilidade.

• A MF e MG é negativa (Realimentação Unitária).

Reposta em Freqüência

(5)

Resposta em Freqüência

GB

Reposta em Freqüência

(6)

Reposta em Freqüência

Um zero no SPE (negativo) poder ser bom!

Amplificador Operacional CMOS

Especificações chave:

• Precisa ser estável para realimentação unitária

• Utilizar o menor número de estágios

– Área, potência, ruído...

(7)

Tipos de OpAmp Classificação

Amplificador Operacional CMOS

OPAMP • Uso geral

• VCVS

• Baixa impedância de saída

• A carga pode ser Cou R

• É um OTA com buffer de saída

– Maior potência dissipada

OTA • Empregado mais

comumente como amplificador integrado • VCCS

• Alta impedância de saída • A carga pode ser C, mas

NÃO R

• Uso comum com

realimentação à capacitor chaveado (SC)

(8)

OPAMP CMOS Básico Clássico

OpAmp Clássico segmentado em blocos conversores corrente-tensão e tensão-corrente.

Especificações Típicas de um OpAmp

(9)

Projeto de um OpAmp

• Saída típicas do projeto

– Topologia do OpAmp – Correntes DC (polarização)

– Dimensionamento dos transistores (W e L) – Valores dos componentes

Ciclo de Projeto do OPAMP

(10)

Estratégia de Projeto

Duas etapas

• Desenvolvimento da arquitetura

– Escolha da arquitetura que atenda as especificações – Criação de uma nova topologia mais apropriada,

caso necessário.

• Projeto dos componentes

– Dimensionamento dos transistores – Projeto da rede compensação

Compensação

Razões

• Os OPAMP normalmente são utilizados empregando realimentação. • Resposta estável requer que o OPAMP seja compensado.

Idéia

• Garantir que para um desvio de fase de 135o_{, ou maior, o ganho do}

(11)

Compensação • Porque projetar uma boa estabilidade?

– Abaixo temos a resposta de um OpAmp, representado por um modelo de segunda ordem, na condição de realimentação unitária.

– Uma boa resposta é a que estabiliza rapidamente na resposta ao salto.

– Regra prática: estabilizar em no máximo 3 ciclos.

• Margem de fase maior ou igual a 45° (preferencialmente acima de 60°).

• Nem sempre a resposta com maior slew rate é a mais satisfatória.

(12)

Resposta em Freqüência -Sem compensação

Ganho de Laço - Aβ

Giro de fase de 180o_. Ganho maior que 1.

Sistema instável

Tipos de Compensação

• Compensação Miller – Uso de uma realimentação capacitiva ao redor de um amplificador inversor de alto ganho.

– Tipos

• Capacitor Miller somente

• Capacitor Miller + Buffer (G ~ 1) – Bloquear o caminho direto através do Ccomp. Elimina o “zero” no SPD.

• Capacitor Miller + Resistor.

• Auto-compensação – O capacitor de carga age como capacitor de compensação.

(13)

Modelo do MOSFET -Alta Freqüência Modelo Capacitivo Completo

Capacitância de Gate-Fonte Capacitância Dreno-Corpo (Bulk) Capacitância Fonte-Corpo (Bulk) Capacitância de Overlap Gate-Dreno

Modelo do MOSFET -Alta Freqüência Modelo Capacitivo Simplificado I

Fonte e Bulk conectados

Modelo Capacitivo Simplificado II Fonte e Bulk conectados

(14)

Compensação Miller

Compensação Miller -Modelo de pequenos sinais

Modelo de Pequenos sinais

(15)

Compensação Miller -Análise • Escrevendo as equações de nós para o modelo de pequenos sinais simplificado • Achando a função de transferência do ganho

• p1 deve ser projetado para ser o polo dominante

• z1 deve-se tomar cuidado, pois é um zero no SPD. Impacto na

estabilidade. Onde:

Efeito da compensação Miller

Objetivo

• Forçar uma característica na resposta em freqüência do OpAmp de 1a_ordem

atéGB(ganho unitário) – -20dB/dec – Giro de fase 90o – Característica de pólo dominante Antes da Compensação Depois da Compensação Antes da Compensação Depois da Compensação Realimentação Unitária 0 dB

(16)

Compensação Miller – Estabilidade

• A freqüência de ganho unitário (0 dB) GBé dada por:

• Para uma margem de fase de 45o_temos:

• Para ω0dB= GBe assumindo quez ≥ 10 GBtemos

Para uma margem de fase de 60o_:

Compensação Miller – Estabilidade

• Sendo necessário uma

PM

de 60

o

_:

c mI c mII C g GB C g z= _e = L C C mI L mII L mII

C

g

C

g

GB

C

g

p

22 ,

0

2 ,

2

2 ,

2

>

⇒

>

=

(17)

Efeito da PM

Amplificador de 2 estágios - Projeto

(18)

Amplificador de 2 estágios - Projeto

As relações acima presumem todos os transistores operando em saturação!

Amplificador de 2 estágios - Especificações

• Para o projeto de um amplificador de

compensação Miller assume-se a seguinte

especificação como dada:

– Ganho em DC, Av(0)

– Largura de Banda, GB

– Faixa de tensão de modo comum, ICMR

– Capacitância de carga, C_L

– Slew-rate, SR

(19)

Amplificador de 2 estágios - Projeto

Visão geral do procedimento de projeto

Amplificador de 2 Estágios - Projeto

• Escolha o La ser utilizado a fim de obter o parâmetro λ

(CLM)

• Determine o valor do Cc

– Polop2 2,2 x GBfornece uma MF ≥ 60o

– Zero z1(SPD) colocado a pelo menos 10 x GB

– Cc ≥ 0,22 CL

• Determine I5 utilizando o SR requerido – I5 = SR(C_c)

– Se o SR não for fornecido, empregue informações relacionadas ao settling time.

(20)

Amplificador 2 estágios - Projeto

• Determinação da dimensão de M3

– Excursão máxima de CM de entrada

• O dimensionamento de M1 e M2 obedece os

requisitos dados por pelo ganho e GB

Amplificador 2 estágios - Projeto

• Dimensionamento de M5

– Requisitos de ICMR mínimo

• Se o V_DS5resultante for muito baixo (<100mV) resulta em transistores muito grandes.

• Se VDS5<0, ICMR mínimo não pode ser atingido.

• Solução: Aumentar o tamanho de M1 e M2.

– Isto reduz VGSde M1 e M2. Sobra mais espaço de tensão para

excursão de M5.

– Isto impacta nos passos anteriores – Passos anteriores devem ser revistos

(21)

Amplificador 2 estágios - Projeto

• Dimensionamento de M6

– Define a posição do polo p2

– MF 60o_{implica em}_{p2 ≥ 2,2GB}

– O tamanho de M3 é conhecido – Para uma condição balanceada

– I6é definida pelo espelhamento da corrente do primeiro estágio para a carga e pela excursão de saída.

Amplificador de 2 estágios - Projeto

• A corrente I6 e o tamanho de M6 devem

satisfazer a questão de excursão de saída

também

– A potência dissipada deve ser verificada, pois

normalmente o segundo estágio é que consome mais

• Dimensionamento de M7

(22)

Amplificador de 2 estágios - Projeto

• Aqui fecha a primeira rodada de projeto, ou

seja, de definição dos

W/L

dos transistores

• Agora vem a parte de verificação do projeto

– Atende ou não as especificações

• Checagem do ganho

Amplificador de 2 estágios - Projeto

• Se o ganho estiver muito baixo

– Vários pontos podem ser alterados para melhorá-lo

(23)

Tipos de Amplificadores

Single Input - Single Output

Fonte Comum Cascode Regulado Folded Cascode

(24)

Tipos de Amplificadores

Diferenciais completos

Fonte Comum Cascode Regulado Folded Cascode

Fontes Referência

(25)

Definição • O que é uma fonte de

referência?

– É uma fonte independente de tensão ou corrente que tem alto grau de

estabilidade e exatidão.

• Requisitos de uma fonte de referência

– Deve ser independente • fonte de alimentação • da temperatura • de variações do processo • de ruído e outras interferências. Exemplos de Variações

• Processo

– Altera K’, Vt e λ

• Esta variações alteram o regime de corrente e tensão dos xtores.

(26)

Exemplos de Variações