CIRCUITE INTEGRATEANALOGICELecture 12

Cap5.Circuite elementare de baza

5.1 IntroducereLimitari impuse de tehnologieConstrangeri impuse de costul de fabricatie aria chipului dispozitive de arie mica tranzistoare valoarea maxima a rezistoarelor e limitata de consumul de arie rezistoarele de valoare mare sunt inlocuite cu rezistenta de iesire dinamica mare a tranzistoarelor =sarcini active Necesitatea elaborarii unor circuite care sa aiba o valoare totala a rezistoarelor cat mai mica, dar care pot avea un numar mare de tranzistoareNu se pot realiza capacitoare de valoare mare chiar la un cost mare Necesitatea cuplarii in cc a diferitelor etajeConstrangeri impuse de puterea disipata totala= puterilor disipate individuale iC,iD mici gm mici din nou sarcini active pentru a obtine castiguri mari ceea ce insa limiteaza banda de frecventaTranzistoarele monolitice de arie mica sunt sensibile la supracurent (scurtcircuite, utilizare necorespunzatoare) Necesitatea adaugarii unor circuite de protectieCIA difera ca arhitectura de circuitele cu componente discrete

Posibilitati oferite de tehnologieSpre deosebire de proiectantul de circuite conventionale proiectantul de CI poate optimiza geometria tranzistoarelor pentru imbunatatirea unei anume specificatiiPosibilitatea de a realiza dispozitive aproape identice (matched devices) cu un cuplaj termic foarte bun permite obtinerea unor specificatii de neatins cu componente discrete. Arhitectura CI se bazeaza pe aceasta propritate. De exemplu se pot realiza perechi de tranzistoare a caror tensiune vBE sa difere doar cu unu la mieIntegrarea permite obtinerea unor tranzistoare cu electrozi multiplii. Ex: BJT multiemitor

Ilustrarea blocurilor constitutive din structura unor amplificatoare operationale cu tranzistoare bipolarecu tranzistoare CMOS

ObservatiiSchemele celor doua AO pun in evidenta diverse circuite si subcircuite simple din structura lor si ilustreaza modul de interconectare al acestora pentru a realiza circuite mai complexe, in exemplul considerat AO.

Arhitecturile celor doua AO, realizate in tehnologii diferite( CMOS si bipolara) sunt similare, desi performantele pot fi diferite unele idei dezvoltate intr-o tehnologie pot fi preluate de alta mai noua

Unele dispozitive din scheme indeplinesc mai multe functii. De exemplu tranzistorul Q3, respectiv M3, este folosit ca sarcina activa dar in acelasi timp face parte dintr-o oglinda de curent. Aceasta particularitate face uneori dificila identificarea rolului indeplinit de un anume dispozitiv intr-un circuit.

5.2.Surse de curentSursele ideale de curent Furnizeaza curent constant pentru orice tensiune la bornele sarcinii In aplicatii este necesar ca unul din terminalele sursei sa fie conectat fie la tensiunea de alimentare pozitiva, fie la cea negativa 2 configuratii posibile

Amandoua se numesc uzual surse de curent

Sursa care absoarbe curentSursa care debiteaza curent

Surse de curentSursele ideale io-independent de tensiunea de la iesirea sursei Ro - infinit (panta caracteristicii iv e0) Tensiunea la bornele sursei poate fi pozitiva sau negativa

Sursele reale implementate cu rezistoare sau tranzistoare functionarea limitata la un cadran al planului i-v rezistenta de iesire Ro finita de dorit Rocat mai mare intre terminalele surselor realizate cu tranzistoare exista o tensiune Vomin sub care acestea nu functioneaza ( datorita iesirii tranzistoarelor din regiunea activa de functionare) de dorit Vomin cat mai mica pentru ca domeniul tensiunii pentru care circuitul lucreaza ca sursa sa fie cat mai mare

Surse simple de curentPentru rezistenta

Pentru tranzistoare: la semnal mic G,S conectate la mas, B,E conectate la masaRo=roDin modelul de semnal mic rezulta Ro=ro

Notam cu vcs=iO Ro tensiunea la terminalele unei surse echivalente realizate cu o rezistenta

Comparatie intre sursele simple de curent

Surse de curent cu rezistente de iesire mai mariPrin introducerea unei rezistente in emitor/sursa rezistenta de iesire creste

Cresterea rezistentei de iesire poate fi apreciata si prin tensiunea echivalenta Vcs

Cresterea rezistentei de iesire este insa insotita de cresterea tensiunii minime Vomin intre terminalele sursei cu caderea de tensiune pe RE(RS) deci de limitarea domeniului de tensiuni in care functioneaza circuitul

Calculul rezistentei de iesire a unui MOSFET cu rezistenta in sursa rout=rds(1+gmr)Pentru calculul rezistentei de iesiretranzistoarele sunt inlocuite cu modelele lor de semnal mic ; laiesire se aplica o tensiune de test vout rezultand un curent iout rout= vout / iout

Comparatie intre schemele de baza ale surselor de curentIntroducerea unei rezistente in emitor/sursa mareste rezistenta de iesire dar si Vomin ca urmare a adaugarii caderii de tensiune pe RE sau RS

5.3.Oglinzi de curentCele mai folosite subcircuite in CIASunt circuite care ofera la iesire un curent constant, ca si sursele de curent. Spre deosebire de acestea polarizarea se face de catre curentul de referinta Iref Functionarea oglinzilor de curent se bazeaza pe utilizarea unor tranzistoare identice (matched devices), posibil a se realiza doar in tehnologie integrata Exemplu :M1& M2 (Q1&Q2) au caracteristici identice (matched devices)Oglinda de curent este proiectata pentru a avea Io=Iref

Ce inseamna matched devicesSunt dispozitive cu caracteristici ideal identice,posibil a se realiza numai integrat

Desi parametrii absoluti pot diferi puternic(pana la 30%), tolerantele tranzistoarelor alatu-rate variaza numai cu fractiuni de procent.

Cerintele impuse sunt de a asigura seturi de parametri tehnologici si de proiectare identici sau cat mai identici: -parametri tehnologici BJT js, Fo, VA MOS VT,, K, -parametri de proiectare BJT AE MOS w/L

Oglinda simpla de curent cu MOSFETPresupunem tranzistoare identice

Curentii de poarta sunt nuli

ID1=Iref

M1 lucreaza in saturatie (VDS1=VGS1= VGS):VGS-VT

Oglinda simpla de curent cu MOSFET- continuare Geometria tranzistoarelor, adica raportul w/Lpoate fi utilizata pentru a controla raportul Io/Iref In acest exemplu daca se neglijeaza efectul de modulare a lungimii canalului (=0) Io=5Iref Observatii: -Modularea lungimii canalului (0) afecteaza raportul ideal Io/Iref. - Pentru oglinzile reale (0) caracteristica io=f(vo)nu mai sunt orizontale, ci au o inclinare corespunzatoare rezistentei de iesire de semnal mic Ro vazuta privind din drena lui M2 -Pentru oglinda simpla prezentata Ro=ro -Exista si vom prezenta metode de reducere a efectului de modulare a lungimii canalului, sau altfel spus de crestere a rezistentei Ro

Exemplu -oglinda simpla de curent cu MOSFET (1)Se considera ca tranzistoarele M1 si M2 , identice ,se caracterizeaza prin: w=50 m, L= 10 m, VT0=o,75 V, KN=24 A/V2, N=o,8V-1/2, =0,6V, N=0,01V-1. Sursa este alimentata de la doua tensiuni de alimentare V+=|V-|=10V iar I REF=100 A se obtine inseriind rezistenta R2 intre drena tranzistorului M2 si sursa V+.Cat este Io la VDS2=VDS1=VGS?

Tranzistoarele fiind identice , avand prin configuratia schemei acelasi VGS vor avea la aceeasi tensiune VDS acelasi curent de drena, deci Io= I REF=100 A , daca M2 este in saturatie adica daca VDS2 VDSsat= VGS2-VT=(2LIref)/(KNw)= (2.100/(24.5)=1,29V

Cat este tensiunea VGS necesara?

VGS= (VGS2-VT)+ VT0=1,29+0,75=2,04V

Sa se calculeze valoarea rezistorului R1 R1=(V+-VVGS)/ I REF=(20-2)/0,1=180k

Cat este valoarea minima a tensiunii de iesire Vopentru care circuitul functionaza corect?

Vomin=VVDS2Min=-10V-1,29V=-8,71V

Exemplu -oglinda simpla de curent cu MOSFET (2)Cat este rezistenta de iesire?

Ro=1/(Io)=1/(0,01.0,1)=1M

Cat este variatia relativa a curentului de iesire pe Volt?

(1/Io)(dio/dvo)=1/(Io.ro)=1/(0,1mA.1000v/mA)=(1/100)V-1=1%/volt

Oglinda simpla de curent cu BJTDaca tranzistoarele lucreaza in RADAdmitem tranzistoare identice (acelasi , acelasi IS respectiv AE) si VA=infinit (ro=infinit)Deoarece schema impune VBE1= VBE2Comentarii:La oglinzile cu MOSFET nu exista acest tip de eroare (IG=0)Pentru valori mari ale lui , Ic1/IR=1 denumirea de oglinda3. Eroarea este importanta pentru tranzistoare cu mic ( pnp) Exemplu; =8 Ic2/Iref=0,8 Eroare!!4. Deoarece Is Ae ,raportul Ic2/IR poate fi controlat prin raportul ariilor celor doua emitoare Ic1/IR= A2/A1 admitand =

Oglinda simpla de curent cu BJT-continuareSa intelegem problema erorii (2/ )Micsorarea erorii inseamna micsorarea

Oglinda simpla de curent cu castig in curentReducerea erorii prin demultiplicare cu 1+ Exemplu; pentru acelasi =8 Ic2/Iref=72/74

Efectul Early si rezistenta de iesireVom tine seama de efectul de modulare al grosimii bazei (Va , ro ) Admitem = infinitExemplu: Eroare=(11,7-0,7)/100=10%Observatie Efectul este acelasi ca in cazul oglinzilor cu MOSFET,adica obtinerea unei caractetistici vo=f(io) inclinate, inclinare data de rezistenta de iesire de semnal mic R0

Oglinzi de curent. Rezistenta de iesireSemnificatiei OUTComentarii:Rezistenta de iesire este o masura a orizontalitatii caracteristicii i-v a oglinziiPentru a se apropia de o oglinda ideala Ro trebuie sa fie cat mai mareRezistenta de iesire se poate mari prin doua metode: utilizand o reactie negative obligand prin schema ca Q1si Q2 sa lucreze cu tensiuni VCE egale

Oglinzi simple de curent. Rezistenta de iesire

Modelul de semnal mic al oglinzii cu BJTModelul de semnal mic al unui BJT in conexiune de diodaRezistenta de iesire a oglinzii cu BJTRezistenta de iesire a oglinzii cu MOSFET

Oglinda Widlar (1)Acorda un grad de libertate in plus pentru ajustarea raportului de oglindirePermite obtinerea unor curenti miciCurentul prin rezistenta R esteEcuatie transcendenta se rezolva iterativ

Oglinda Widlar (2)Calculul rezistentei de iesireAlta exprimareunde avand valori tipice

Oglinda Wilson (1)Oglinda de curent cu rezistenta de iesire mareMarirea rezistentei de iesire se obtine prin reactie negativa (paralel la intrare-serie la iesire)Admitem o rezistenta in drena lui M3Daca vo io= iD3=iD1 vGS1= vGS2 vDS2 =vG3 iD3=i0 sursa se impotriveste cresterii curentului Ro mare

CALCULEPresupunem tranzistoareidentice, avand acelasi w/L si lucrand in saturatie

Deoarece

Deoarece

Intrucat

undesi

Oglinda Wilson (2)Calculul rezistentei de iesire

Din aceste relatii se obtine

Valoarea minima a tensiunii de la terminalele sursei este marita vomin=VDSsat3+VGS3=2 VDSsat3+VT

Modelul de semnal mic a sursei Wilson cu MOSFET-uriObs.:S 3 nu mai e conectat electri la B, ar trebui tinut seama de gmb3:

Desenati si analizati o oglinda Wilson cu BJT-uri

Admitand valori finite pentru si neglijand efectul Early cat este raportul Io/Iref

Oglinda de curent cascod (1)Oglinda de curent cu rezistenta de iesire mare

Sa incercam sa intelegem functionarea schemei; M1si M2 alcatuiesc o oglinda simpla de curent M3si M4 pastreaza valorile tensiunilor VDS1 si VDS2 aproape egale daca se folosesc tranzistoare identice cu acelasi W/L (IREF=ID3=ID1=ID2=ID4) VDS2=VGS1+ VGS3-VGS4=2 VGS- VGS= V GS =VDS1 Totodata M4 mareste rezistenta de iesire din sursa, sa, ro3, de gm4ro4 ori ROUT= gm4ro4 ro2

Excelent!!

Dar.creste si tensiunea minima la terminalele sursei VoMin=VDS4sat+VDs2= VDS4sa+VGS=2 VDS4sa+VT

Sursa de cc se inrerupe M1si M2 se reduc la 1/gmTranzistoare identice gm1= gm2i=0 (curentul de portal a lui M4 Modelul se simplificaRezistenta de iesire este

si

Oglinda de curent cascod (2). Si acum calcul rezistentei de iesire.Modelul de semnal mic(M3 si M4 nu au sursa conectata la bulk gmb0)Exemplu:Reluam valorile numerice de la oglinda simpla ro2=ro4=1M gm4=(kw/L)(vGS-VT)=(24.50/10).1,29=193M V0Min=2VDSsat+VT=2.1,29+0,75=3,33V Care ar putea fi cea mai mica valoare a lui V0Min? Cum s-ar putea obtine?

Desenati si analizati o oglinda cascod cu BJT-uri

Oglinda de curent cascod (3)Oglinda de curent cascod realizata cu BJT Admitand tranzitoare identice, valori finite pentru si neglijand efectul Early cat este raportul Io/IrefSa se calculeze rezistenta de iesire Ro

Oglinda de curent cascod (3)Oglinda de curent cascod realizata cu BJT

Comparatie intre diversele oglinzi de curent

5.4. Referinte de tensiune si de curentSunt circuite destinate a furniza o tensiune sau un curent , avand o valoare precisa si stabila.Cerinte impuse: - tensiunea sau curentul de iesire sa fie cat mai independent de tensiunea de alimentare - tensiunea sau curentul de iesire sa fie cat mai independent de temperatura - tensiunea sau curentul de iesire sa fie cat mai independent de variatii in procesareCaracteristicile unei referinte ideale

SensitivitateaDefinitie Sensitivitatea este o masura a dependentei lui Vref (Iref) de un parametru sau o variabila x care influenteaza Vref (Iref)

Utilizarea sensitivitatii

Exemplu daca S=1, atunci o modificare a lui x cu 10% va determina o variatie a lui Vref tot de 10% Ideal

5.4.1.Referinte simple de tensiuneObiectivul consta in minimizarea

Cele mai simple referinte de tensiune sunt: - Divizoare de tensiune (pasive si active - Referinte care folosesc tensiunea baza-emitor a unui BJT - Referinte care folosesc tensiunea poarta-sursa a unui MOSFET - Referinte care folosesc tensiunea Zener

DivizoareDivizoare pasive

Divizoare active

Referinte care folosesc tesiunea baza-emitor a unui BJTExemplu:VCC=10V,R=10k , IS=10-15A

Modificarea valorii lui Vref

Referinte care folosesc tesiunea poarta-sursa a unui MOSFETExemplu:VDD=5V,w/L=2,R=100kKN=110A/v2Vref=1,281V, S=0,283Modificarea valorii lui Vref

Toate oglinzile de curent necesita un curent de referintaCea mai simpla metoda: folosirea unei rezistente R (fig.a)Necesita rezistoare de valori mari

In cazul surselor cu tranzistoare MOS rezistorul se poate inlocui tranzistoare MOS in serieNu mai e nevoie de rezistente de valori mariRelatii de calcul

Analiza sau proiectare5.4.2.Referinte de curent

Generarea curentului de referinta IREF pentru oglinzile de curent (1)E de dorit ca IREF sa nu depinda de tensiunile de alimentare in curent continuuDoua metode: Utilizarea unei referinte de tensiune (vBE, vGS , VZ) Utilizarea unei oglinzi cu autopolarizare (bootstrap)Exemplu: utilizarea tensiunii vBE (fig)

Io depinde logaritmic de VEE

Generarea curentului de referinta IREF pentru oglinzile de curent (2)Surse cu autopolarizare (bootstrap)-curentul de referinta depinde de curentul de iesire (bucla de reactie)

Exemplu: se combina o sursa Widlar (Q1,Q2) cu o oglinda standard de curentCurentul Io=IC2 al sursei Widlar

Oglinda forteaza IC4=IC3Exemplu: daca raportul ariilor de emitor este 20

Referinta de curent cu autopolarizare realizata cu BJT

Referinta de curent cu autopolarizare cu MOSFET folosind ca tensiune de referinta VGSPrincipiu de functionare

Necesitatea circuitului de pornire

Referinta de curent cu autopolarizare realizata cu MOSFET prevazuta cu circuit de pornireCircuit de pornire M6,M8,R8

Referinta de curent cu autopolarizare cu MOSFET folosind ca tensiune de referinta tensiunea vBEExplicati functionarea circuitului si rolul diverselor elemante de circuit

5.4.3.Referinte de tensiune de tip banda interzisa (BandgapVoltage Reference) (1)Foarte raspanditaFurnizeaza o tensiune caracterizata printr-o dependenta foarte mica atat de tensiunea de alimentare cat si de temperaturaPrincipiul Foloseste doua tensiuni-Tensiunea VBE a unui tranzistor alimentat la curent constant care are la temperatura camerei un coeficient de temperatura de aproxima- tiv 2mV/oC-Tensiunea termica Vt=kT/q de tip PTAT(Proportional To Absolute Temperature) cu un coeficient de tempe ratura (Vt/T)=26mv/300K=0,08(6)mV/oC-Multiplicand tensiunea termica prin G se obtine ten siunea de iesire

Referinte de tensiune de tip banda interzisa (2)Cat trebuie sa fie K pentru ca VREFsa nu depinda de temperatura?

Impunand ca VREf sa aiba un coeficient de temeratura nul, intr-o analiza de prim ordin se obtine 2/0,08(6)=23,25 VREF= 1,25V daca s-a admis VBE=),65V Pentru a obtine ub coeficient de temperatura nul (minim) intr-o gama de temperaturi mai larga este necesara o analiza mai detaliata

Exemplu de referinta de tensiune de tip banda interzisa Daca tranzistoarele Q1si Q2 au ariile emitor-baza AE1si AE2 si daca se considera VOS=0

AO impune

Dar

Inlocuind rezulta

Comparand cu relatiile anterioare

5.4.4 Surse multiple de curentFolosesc un singur curent de referinta si furnizeaza mai multi curenti de iesireSe utilizeaza pentru polarizarea diverselor etaje dintr-un CIASurse cu BJTunde

5.4.5. Rezistoare active (1) Rezistoarele integrate sunt foarte scumpe, in timp ce tranzistoarele sunt foarte ieftine scurtcircuitand drena la poarta tranzistoarele devin rezistoare active cu doua terminale (fig.a si b).Lucreaza in saturatie caci vDS=vGS> vGS-VTModelul de semnal mic este liniar dar valabil intr-un domeniu redus de tensiunia si b-rezistoare (diode) MOS; c-caracteristica i-v: d-modelul de semnal mic

Exemplu: Realizarea unui divizor de tensiune cu rezistoare active Daca VDD=-VSS=5V, Vout=1V,ID1=ID2=50 A, sa se determine factorii de aspect w/L pentru cele doua tranzistoare. Se cunosc: VTN=+0,75V, VTP=-0,75V, KN=2,4x1o-5A/V2, si KP=0,8x1o-5A/V2.

Exemplu: Realizarea unui divizor de tensiune cu rezistoare active Daca VDD=-VSS=5V, Vout=1V,ID1=ID2=50 A, sa se determine factorii de aspect w/L pentru cele doua tranzistoare. Se cunosc: VTN=+0,75V, VTP=-0,75V, KN=17 A/V2, si KP=8 A/V2.

Solutie:

Din relatia

Se obtine KNw1/L1=4 A/V2 w1/L1=1/4,25 KPw2/L2=11,1 A/V2 w2/L2=1,34

Rezistoare active (2)Sarcina activa cu doua tranzistoareElimina influenta tensiunii vDS prin conectarea tranzistoarelor astfel incat efectul lui vDS sa se compenseze reciprocSe folosesesc doua tranzistoare identice lucrand in regiunea ohmica (V

T H A N K Y O U !