Tema 4
CIRCUITOS AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL
ENTRADA SIMPLE
Tema 4: Nociones generales
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Estructuras ideales
CLASIFICACIÓN Salida Corriente Salida Tensión
Entrada Corriente A. de Corriente Transrresistor
Entrada Tensión Transconductor A. de Tensión
Tema 4: Nociones generales
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Definición de parámetros
● Ganancia en tensión, AV
● Ganancia en corriente, AI
● Impedancia de entrada, ZIN
● Impedancia de salida, ZOUT
AV =V OUT
V I N
AI=IOUT
I I N
Z I N =V I N
I I NZOUT=(V OUT
IOUT)Thevenin
DEPENDENCIA RESPECTO A LA FRECUENCIA
Tema 4: Nociones generales
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Objetivos
TRANSRESISTOR
ZOUT →0
A. DE TENSIÓN A. DE CORRIENTE
TRANSCONDUCTOR
Z I N →∞AV →∞ ZOUT →∞Z I N →0AI →∞
ZOUT →0Z I N →0AV →∞ ZOUT →∞Z I N →∞AI →∞
SIN EMBARGO, QUIZÁS CADA DISEÑADOR IMPONGA SUS CRITERIOS
Tema 4: Nociones generales
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Relaciones entre parámetros
AVS=V OUT
V S
AVS=AV ·Z I N
Z I N+ RS
Ganancia respecto fuente
AV =A I ·Z L
Z I NGM =
I O
V I N
=AV
Z L
=AI
Z I N
V O
I I N
=Z L · A I=AV
Z I N
RELACIONES ÚTILES PARA AGILIZAR CÁLCULOS
Tema 4: Acoplamiento
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Acoplo de señales
Elementos en negro...
● Fijan el punto de operación
SOLUCIONES...
● USO DE CAPACIDADES DE DESACOPLO (CASO DE ELEMENTOS DISCRETOS)
● SELECCIÓN CUIDADOSA PUNTO OPERACIÓN (CASO DE LOS ICs)
Elementos en rojo...
● Introducen la señal que amplificar
¡PERO ALTERAN EL PUNTO DE OPERACIÓN!
Tema 4: Acoplamiento
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Acoplo de señales
Función de los condensadores...
● C1 y C
2: En serie con otros, BLOQUEO para señales DC
● C3: En paralelo con otros, PASO para señales AC
● C4: Estabiliza la fuente, DESACOPLO
A frecuencia elevada, los condensadores son cortocircuitos.
Acoplo de señalesAcoplo de señales
Tema 4: Topologías comunes
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Notas
● Punto de operación fijado por red con degeneración de emisor● A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos
→ ¡RE desaparece!
Emisor Común
Tema 4: Topologías comunes
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De manera inmediata, surge el valor de ZIN
:
Emisor Común (pequeña señal)
Z I N =v I N
i I N=hie / /R1/ /R2
vOUT=−h fe ·i b · hoe−1
/ /RC / / RL=−h fe·v i n
Z i n
·(hoe−1
/ /RC / / RL )
→ AV =vOUT
v I N
=−h fe ·(hoe
−1/ /RC / / RL)
hie
→−h fe ·(hoe
−1/ /RC )
hie
→ A I=iOUT
i I N
=AV ·Z i n
Z LZOUT=(RC / /hoe
−1)
si RL →∞
Tema 4: Topologías comunes
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Emisor Común (Baja frecuencia)
APARECEN CEROS EN S=0 Y EL MISMO NÚMERO DE POLOSAl llegar a una frecuencia determinada, la ganancia es constante
Grosso modo, las condiciones de trabajo...
∣1
s ·C B
∣≪RS , Z I N ∣1
s ·C E
∣≪RE ∣1
s ·C L
∣≪RL , ZO
Tema 4: Topologías comunes
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Emisor Común (Alta frecuencia)
Teorema de Miller (Aproximado...)
APARECEN POLOS Y CEROS EN AMBAS ETAPAS
Tema 4: Topologías comunes
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Emisor Común (Alta frecuencia)
Z I NHF =
v I N
i I N=(hie / / R1 / / R2 / / 1
s ·(Cπ+ ( 1+ AV , DC ) ·Cμ ))
AVHF=
vout
vi ,n
=−h fe ·(hoe
−1/ / RC / / RL / /
1s ·Cμ
)
hie
AIHF
=iout
ii ,n
=AVHF ·
Z i nHF
Z L
ZOUTHF
=(RC / / hoe−1
/ /1
s ·Cμ
)
Tema 4: Topologías comunes
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Emisor Común: Influencia del punto de operación
● ZIN
: Aumenta cuanto menor sea la corriente de base (y colector) y mayor R1//R
2
No es contradictorio
● AV: Aumenta con el valor de R
C y, generalmente, aumenta con la corriente de
colector (hie predomina sobre h
oe)
Depende de la resistencia de carga RL salvo si R
L >> (R
C // h
oe-1)
● AI: Dependencia fuerte con Z
L.
● ZOUT
: Disminuye con RC
y si aumenta IC.
COMO BUSCAMOS VALORES ALTOS DE ZIN
Y AV Y BAJOS DE Z
OUT...
¡HAY QUE LLEGAR A UN COMPROMISO!
Tema 4: Topologías comunes
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Notas
● Punto de operación fijado por red con degeneración de fuente● Modelos en pequeña señal similares para ambos.
→ No hay efecto sustrato en el JFET
Fuente Común
Tema 4: Topologías comunes
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Fuente Común (pequeña señal)
Z I N =v I N
i I N=(R1 / / R2)
AV =vOUT
v I N
=−gm ·(RD / / gO−1 / / RL)=−√2 ·K N ·
WL
·√ I DS ·λ · I DS
1+ λ · I DS · (RD−1
+ RL−1 )
AI=iOUT
i I N
=AV ·Z I N
RL
ZOUT=(RD / / gO−1)
→ AV =−g m·(RD / / g O−1)=−√2 ·K N ·
WL
·√ I DS ·λ · I DS
1+ λ · RD−1 · I DS
si RL →∞
Tema 4: Topologías comunes
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Fuente Común (Alta frecuencia)
Teorema de Miller (Aproximado...)
APARECEN POLOS Y CEROS EN AMBAS ETAPAS
Tema 4: Topologías comunes
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Fuente Común: Influencia del punto de operación
● ZIN
: Aumenta cuanto mayor R1//R
2
¡Cuidado con el ruido térmico!
● AV: Aumenta con el valor del la corriente de drenador y con R
D
Depende de la resistencia de carga RL salvo si R
L >> (R
D // g
o-1)
● AI: Dependencia fuerte con Z
L.
● ZOUT
: Disminuye con RD
y si aumenta IDS
por la influencia en gO.
Todo mejora si aumenta IDS
pero...
¡EL CONSUMO SE VE AFECTADO!
Tema 4: Topologías comunes
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Notas
● Similar a Emisor común pero sin CE.
Emisor degenerado
Tema 4: Topologías comunes
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Degeneración de emisor (pequeña señal)
Z I N =h ie+ (βF+ 1 ) · RE ·( hoe−1+ R'C ·(βF+ 1)−1
h oe−1+ R'C+ R E
)
AI≈h fe
h ie
·1
1+ RE ·h fe
hie
· Z I N
R 'C=(RC / / RL )
AV ≈h fe
hie
·1
1+ RE ·h fe
hie
· R 'C
Tema 4: Topologías comunes
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Degeneración de emisor
● Aumenta considerablemente la impedancia de entrada
● Disminución de la ganancia (Corriente y Tensión)
Degeneración de fuente con FET
● Conclusiones similares a BJT
● Aparición de efecto substrato en MOS
Tema 4: Topologías comunes
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Notas
● Punto de operación fijado por red con degeneración de emisor● Se puede polarizar la base con una fuente constante● A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos
→ ¡R1 y R
2 desaparecen!
Base Común
Tema 4: Topologías comunes
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Base Común (pequeña señal)
Z I N =v I N
i I N
=(RE / / hib)=(RE / /h ie
1+ h fe
)=(RE / /N ·V T
I E
)
AV=−h fb
h ib
· Z X =h fe
hie
· Z X≈IC
N ·V T
· Z X
Z X =(RC / / RL / / hob−1)
AI=Z I N
RL
· AV=Z I N ·I C
N ·V T
·Z X
RL
Si RL << R
C, h
ob-1 y h
ib << R
E, entonces A
I → 1
ZOUT=(RC / / hob−1
)¡SEGUIDOR DE CORRIENTE!
hob−1
=(1+ h fe ) ·V AF
I C
Tema 4: Topologías comunes
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Base Común (Alta frecuencia)
Aparecen dos nuevas capacidades, que pueden ser incluidas en hib y h
ob para
calcular los distintos parámetros.
INNECESARIO EL TEOREMA DE MILLER
Tema 4: Topologías comunes
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Notas
● Punto de operación fijado por red con degeneración de fuente● Se puede polarizar la puerta directamente con una fuente constante● Aparece el efecto sustrato● A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos
→ ¡R1 y R
2 desaparecen!
Puerta Común
Tema 4: Topologías comunes
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Puerta Común (pequeña señal)
Z I N =A I
AV
· RL
AV =gO+ gm+ g nb
gO+1RD
+1RL
Si RL << R
D
ZOUT≈RD
¡SEGUIDOR DE CORRIENTE!
● La tensión de puerta es nula.● La fuente del MOS es la entrada
AI=RD
RD+ RL
AI≈1 AV=gO+ g m+ gnb
gO+1
RD
Z I N =RL
AV
ZOUT≈RD
Tema 4: Topologías comunes
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Puerta Común (Alta frecuencia)
● Dos capacidades principales● C
GD puede combinarse con R
D
● CGS
se combina con RA por Thévenin e introduce
un polo por desvío de corriente.
Tema 4: Topologías comunes
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Notas
● Punto de operación fijado por red con degeneración de emisor● La resistencia de carga puede ser la propia resistencia de emisor● A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos
→ El colector se une directamente a tierra.
Colector Común (o Seguidor de emisor)
Tema 4: Topologías comunes
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Colector Común (pequeña señal)
Z I N−1
=i I N
v I N
=RB−1
+ hic−1 · (1−AV )≈RB
−1+ hic
−1 ·N ·V T
RP · I E
≈RB−1
+ (RP ·(h fe+ 1))−1
→ Z I N≈RB
AV =1
hrc−hic
h fc ·RP
≈1
1+h ie
RP ·(1+ h fe)
=1
1+N ·V T
RP · I E
≈1
RP=(RE / / RL / / hoc−1)
AI=Z I N
RL
· AV≈RB
RL
¡SEGUIDOR DE TENSION!
RB=(R1 / / R2)
vec=vOUT
Tema 4: Topologías comunes
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Colector Común (alta frecuencia)
Las capacidades se integrarían en RB
Teorema de Miller, con K = A
V,DC
Tema 4: Topologías comunes
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Notas
● Punto de operación fijado por red con degeneración de fuente● La resistencia de carga puede ser la propia resistencia de fuente● A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos
→ El drenador se une directamente a tierra.
Drenador Común (o Seguidor de fuente)
Tema 4: Topologías comunes
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Drenador Común (pequeña señal)
Z I N =RG
AV =g m
g m+ g mb+ g O+ RP−1≈
gm
gm+ g mb
=1
1+gm
g mb
RP=(RS / / RL)
AI=Z I N
RL
· AV=RG
RL
·1
1+gm
g mb
SEGUIDOR DE TENSION, PEOR QUE BJT
RG=(R1 / / R2)
v I N=vG
vOUT=vS
El cociente gm/g
mb vale 0.1-0.3 en
transistores reales.
ZOUT=(RS / / gO−1
/ / g−1m / / g mb−1
)
Tema 4: Fuentes de corriente
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Problema
Muchos parámetros mejoran con valores elevados de RC, R
E, R
D, R
S...
Sin embargo, su uso fuerza el uso de valores de corriente menores.
Solución
Utilizar fuentes de corriente para polarizar los circuitos
● Fijan el valor de la corriente de polarización
● En pequeña señal, equivalen a una resistencia muy elevada
ALGUNOS EJEMPLOS...
Tema 4: Fuentes de Corriente
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Ejemplos con BJTs
SOLUCION SIMILAR PARA CMOSUSAR CASCODE O WIDLAR
Degeneración emisor
Base Común
Seguidor de emisor
Tema 4: Amplificadores CMOS
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Polivalencia de los MOSFET
Los MOSFET pueden ser considerados como resistencias no lineales o fuentes.
Ejemplo de amplificadores inversores
PUEDE PRESCINDIRSE DE LAS RESISTENCIAS
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas BJT: Par CC-CE (Colector común, emisor común)
Se busca una mejor amplificación. Suponemos sin acoplo capacitivo y polarizado con fuente de corriente como en muchos amplificadores operacionales.
Notas
● La resistencia RX es opcional para polarizar Q1. Puede
usarse una fuente de corriente.
● IQ puede reemplazarse por una simple resistencia.
● Se supone alimentación bipolar. VEE
puede reemplazarse por tierra.
● La tensión de entrada se sitúa en torno a -VEE
+ 2·V para evitar que los transistores no dejen la ZAD.
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas BJT: Par CC-CE (Pequeña señal)
Se combinan ambos modelos de transistor en pequeña señal.
INVIERTE LA SEÑAL
RP1=(hoc1−1 / / hie2)
RP2=(hoe2−1 / / RQ)
Z I N =h ic1−h fc1 · RP1· hrc1≈hie1+ (1+ h fe1)· RP1
AV =h fe2 · h fc1
RP2 ·RP1
hie2 · Z I N
=−h fe2·(1+ h fe1) ·RP2 · RP1
h ie2· Z I N
Muy elevada
ZOUT=(hoe2−1
/ / RQ)
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas BJT: Par CC-CE (Pequeña señal)
Algunas simplificaciones...
Mejor amplificador de corriente o igual de tensión con mayor impedancia de entrada
RP1−1
=hoc1+ h ie2−1
=I C1
V AF1
+I B2
N ·V T
≈ I B2 · (V AF1−1
+ (N ·V T )−1 )≈
I B2
N ·V T
≈h ie2−1
RP2−1
=hoe2+ RQ−1
≈hoe2=IC2
V AF2
AV =−h fe2 ·(1+ h fe1)·RP2 · RP1
hie2 · Z I N
≈−h fe2· (1+ h fe1) ·hoe2
Z I N
≈−h fe2 ·(1+ h fe1) ·hoe2
h ie1+ (1+ h fe1) · hie2
≈−12
h fe2·hoe2
h ie2
¡Más baja (~0.5) que una única etapa con misma fuente de corriente!
Sin embargo, al conectar una hipotética carga RL...
AI=Z I N
RL
· AV Aumento espectacular por la impedancia de entrada
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas BJT: Par Darlington
Mismas condiciones que en el caso anterior, los colectores se unen.
Notas
● La resistencia RX es opcional para polarizar Q1.
Puede usarse una fuente de corriente.
● Se supone alimentación bipolar. -VEE
puede reemplazarse por tierra.
● La tensión de entrada se sitúa en torno a -VEE
+ 2·V
para evitar que los transistores no dejen la ZAD.
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas BJT: Par Darlington (Pequeña señal)
Modelo de emisor común
Reordenamos...
● Ecuaciones muy complejas● Básicamente, es un transistor con ganancia (1 + h
fe)2 utilizable en todas las
configuración de un solo transistor.● Comparado con CC-CE
● Menor ancho de banda → Problema● Menor impedancia de salida → Mejora (Etapas de salida)
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas BJT: Par Cascode
Útil cuando la carga se pone en serie con el amplificador
UTILIZADA DESDE LOS TIEMPOS DE LAS VÁLVULAS DE VACÍO
Notas
● Tensión de polarización independiente, VB.
● Se busca crear un transconductor con alta impedancia de salida.
● Usado para atacar cargas pequeñas
● El valor DC de VIN
fija el punto de operación.
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas BJT: Par Cascode (pequeña señal)
Un transistor en emisor común y otro en base común
Z I N =h ie1≈N ·V T
I OZOUT=hob2
−1=( hoe2
1+ h fe2)−1
=(1+ h fe2 )V AF2
I O
AV =h fe1 · h fb2 ·RP1 ·RP2
hie1 · hib2
≈−h fe1 ·h fe2
1+ h fe2
·RP2
hie1
RP1−1=hoe1+ h ib2
−1≈hib2−1
RP2−1=hob2+ RL
−1
AI=AV ·Z I N
RL
≈−h fe1 ·h fe2
1+ h fe2
·RP2
RL
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas BJT: Par Cascode (Aproximaciones)
Z I N =h ie1
ZOUT=hob2
RP1−1=hoe1+ h ib2
−1≈hib2−1
RP2−1=hob2+ RL
−1
AI=AV ·Z I N
RL
≈−h fe1 ·h fe2
1+ h fe2
·RP2
RL
≈−h fe1
Si RL≪hob2=(1+ h fe2 ) ·V AF2
IQ
→RP2≈RL
AV =h fe1 · h fb2 ·RP1 ·RP2
hie1 · hib2
≈−h fe1 ·h fe2
1+ h fe2
·RP2
hie1
≈−h fe1 ·RL
h ie1
≈I Q
N ·V T
· RL
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas BJT: Par Cascode (Versión 2)
Utilizada en circuitos integrados
OTRA VERSIÓN MUY POPULAR EN CIRCUITOS INTEGRADOS
Notas
● Tensión de polarización independiente, VB.
● Se busca crear un TRANSCONDUCTOR con ALTA impedancia de salida.
● El punto de operación viene fijado por la fuente de corriente I
Q.
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas BJT: Par Cascode 2 (pequeña señal)
Un transistor en emisor común y otro en base común
Z I N =h ie1≈N ·V T
I QZOUT=hob2
−1=( hoe2
1+ h fe2)−1
=(1+ h fe2 )V AF2
I Q
AV =h fe1 · h fb2 ·RP1 ·RP2
hie1 · hib2
≈−h fe1 · h fe2
1+ h fe2
·RP2
h ie1
RP1−1=hoe1+ h ib2
−1≈hib2−1
RP2−1=hob2+ RQ
−1+ RL−1
AI≈−h fe1 ·h fe2
1+ h fe2
·RP2
RL
≈−h fe1
RESULTADOS SIMILARES AL ANTERIOR SALVO RQ
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas CMOS: Configuraciones CD-CS y Darlington
Ambas configuraciones buscan incrementar la impedancia de entrada...
CON POCA UTILIDAD PRÁCTICA: ZIN
→ ∞ EN TECNOLOGÍAS CMOS
Drenador común – Fuente común Darlington
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode
Uso similar al equivalente BJT.
UTILIZADO EN LA CREACIÓN DE ICs (AMP. TELESCÓPICOS)
Notas
● Tensión de polarización independiente, VB.
● Se busca crear un TRANSCONDUCTOR con ALTA impedancia de salida.
● El punto de operación viene fijado por la fuente de corriente I
Q.
● Pueden añadirse más y más cascodes.
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode (Pequeña señal)
UTILIZADO EN LA CREACIÓN DE ICs (AMP. TELESCÓPICOS)
Notas
● VG1
= VIN
→ vGS1
= vIN
● V
G2 = V
B → v
G2 = 0 → v
GS2 = -v
A
● vBS2
= -vA
AV =−g m1
gO1
·1+ gO2
−1 ·K
1+ G P· (g O1−1+ g O2
−1+ K · gO1−1 · gO2
−1 )
K=g m2+ g mb2 GP=RQ−1+ RL
−1
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode (Impedancia salida)
INCREMENTO ESPECTACULAR DE LA RESISTENCIA
1Z OUT
=1RQ
+gO1 · g O2
g O1+ gO2+ gm2+ g mb2
Equivalente en pequeña señal, simplificado y puesto como equivalente Thévenin.
En general, RQ es muy grande
ZOUT=gO1−1+ gO2
−1+ g O1−1 · gO2
−1 · ( gm2+ gmb2 )
→ AV =−gm1
gO1
·1+ gO2
−1 ·K
1+ GP ·Z OUT
→Gm=iOUT
v I N
=AV
RL
≈−g m1
gO1
·1+ g O2
−1· K
Z OUT
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Activo
Un amplificador operacional aísla el transistor 1 de la carga.
Recordemos que AD, en un Op Amp, es del orden de 104-106
Funciona como un cascode normal pero la tensión drenador-fuente del 1 permanece constante.
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Activo (pequeña señal)
(V B1=V S1=0VV G1=V I N
)→(vGS1=v I N
v BS1=0 ) (V S2=V D1
V B2=0VV G2=AD · (V B−V D1 )V I N
)→(vGS2=−AD· v D1
vBS2=−v D1)
Notas
Tema 4: Varios Transistores
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Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Activo (pequeña señal)
NotasSe obtienen los mismos
resultados que en cascode normal ya que solo hay que reemplazar g
m2 por A
D·g
m2
ZOUT=gO1−1
+ gO2−1
+ g O1−1 · gO2
−1 · ( AD · g m2+ gmb2 )
→ AV =−gm1
gO1
·1+ gO2
−1 ·K
1+ GP ·Z OUT
→Gm=iOUT
v I N
=AV
RL
≈−g m1
gO1
·1+ g O2
−1· K
Z OUT
K=AD · gm2+ g mb2
Aumento espectacular de la resistencia de salida.
La transconductancia no mejora sensiblemente
¡Vigilar frecuencia de trabajo!
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