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Coppia differenziale

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  • G. Martines 1

    Coppia differenziale con BJT e carico passivo

    tensione differenziale e di modo comune:

    21 BBd vvv = 221 BB

    CMvv

    v+

    =

    risposta al segnale di modo comune

  • G. Martines 2

    Coppia differenziale con BJT e carico passivo

    Saturazione dellamplificatore per effetto del segnale differenziale (switch di corrente) e escursione massima del segnale di uscita

  • G. Martines 3

    Coppia differenziale con BJT e carico passivo

    Risposta a piccolo segnale differenziale

  • G. Martines 4

    Transcaratteristica di una coppia differenziale a BJT

    Ipotesi: transistori identici T

    BEV

    v

    SC eIi = CE ii = EBBE vvv = 21 EE III +=

    poich:

    Iiii

    E

    EE =

    +1

    1

    21

    ed ( )

    TBB

    Vvv

    E

    E eii 12

    1

    2

    =

    allora

    ( )T

    BBV

    vvE

    e

    Ii12

    11

    +

    =

    analogamente per iE2. Quindi campo di funzionamento lineare limitato a TB Vv 4 1 approssimazione piccolo segnale valida con 2TB Vv

  • G. Martines 5

    Analisi del funzionamento a piccolo segnale Conviene esprimere le correnti di collettore con un equazione pi comoda per la sostituzione del termine esponenziale con il suo sviluppo in serie di potenze, moltiplicando numeratore e

    denominatore per il termine Td

    Vv

    e2

    :

    221

    1 22

    2

    1

    +

    +

    =

    +

    =

    T

    d

    Vv

    Vv

    Vv

    VvC

    VvI

    ee

    Ie

    e

    IiT

    dT

    d

    Td

    Td

    Lultimo termine si ottenuto sostituendo i termini esponenziali con il loro sviluppo in serie di

    potenze arrestato al primo termine T

    dVv

    Vv

    e Td

    212 +=

    che vale per vd

  • G. Martines 6

    Analisi a piccolo segnale della coppia differenziale

  • G. Martines 7

    Determinazione della resistenza differenziale di ingresso

  • G. Martines 8

    Mezzo circuito equivalente di modo differenziale

    Ipotesi: segnale applicato in modo complementare

  • G. Martines 9

    Estensione delle prestazioni con RE

  • G. Martines 10

    Effetti della reazione negativa generata dalle RE sul guadagno e sulla impedenza di ingresso

  • G. Martines 11

    Segnale di ingresso applicato in modo sbilanciato

  • G. Martines 12

    Guadagno di tensione di modo comune

    Mezzo circuito equivalente di modo comune

    per uscita bilanciata 0CA per uscita sbilanciata EE

    CC R

    RA2

    la formula esatta dal modello a piccolo segnale completo

    +

    rrR

    RRA

    o

    EEEE

    CC

    11212 .

  • G. Martines 13

    Determinazione della resistenza di ingresso di modo comune

    ( ) ( )2

    1//1//2

    oEEiCM

    rRr

    R ++

  • G. Martines 14

    Tensione di offset della coppia differenziale

    Per le dissimmetrie del circuito reale, si rileva una tensione non nulla in uscita in assenza di segnale di ingresso

    La tensione di ingresso differenziale che annulla la tensione di uscita dello amplificatore, viene detta tensione di offset riportata in ingresso

  • G. Martines 15

    Effetti delle dissimmetrie sulla tensione di offset Dissimmetria su RC: definendo 21 CCC RRR = ed ( ) 221 CCC RRR += si pu scrivere

    =

    222,1C

    CCCCR

    RIVV e quindi

    ( )

    =

    =

    \

    2

    C

    CT

    d

    COS R

    RVA

    RIV

    Dissimmetria su IS: definendo 21 SSS III = ed ( ) 221 SSS III += si pu scrivere

    =

    S

    SE I

    III2

    122,1 quindi CS

    SO RI

    IIV

    =

    2

    ed infine

    =

    S

    STOS I

    IVV

    Poich i due contributi sono incorrelati, per valutare correttamente la tensione di offset 22

    \

    +

    =

    S

    S

    C

    CTOS I

    IRRVV

  • G. Martines 16

    Correnti di polarizzazione e offset di corrente

    Se i transistori fossero identici lo sarebbero anche le correnti di base 12

    21 +==

    III BB

    Considerando le differenze sui e definendo 21 = e ( ) 221 += si pu scrivere

    +

    +=

    m11

    1221

    22,1

    III B

    e quindi

    =

    +

    =

    BOS III

    11

    2

  • G. Martines 17

    Coppia differenziale a BJT con carico attivo a specchio di corrente

  • G. Martines 18

    Coppia differenziale a BJT con carico attivo a specchio di corrente circuito equivalente a piccolo segnale per il calcolo di Gm

    Tmm V

    IgG2

    ==

  • G. Martines 19

    Coppia differenziale a BJT con carico attivo a specchio di corrente circuito equivalente per il calcolo di Ro

    La resistenza di carico complessiva

    42 // ooO rrR =

    Il guadagno di tensione differenziale:

    omd RGA =

    Nellipotesi di transistori con eguale VA :

    T

    Aomd V

    VrgA21

    2==

  • G. Martines 20

    Coppia differenziale a BJT con carico attivo a specchio di corrente Determinazione del guadagno di modo comune

    Assumendo

    = 433

    313 //////

    1pipi rrrg

    iv om

    b

    EE

    icm

    Rvii

    221

    e

    ( ) 4234 obmo rivgv =

    nellipotesi di transistori uguali nello specchio, si ottiene

    EE

    o

    mEE

    ocm R

    r

    rg

    r

    RrA

    3

    4

    33

    34

    2

    2

    2 pi

    pi

    +

    ed infine ( )4

    3422 //

    o

    EEoom

    cm

    d

    r

    Rrrg

    AACMRR =

  • G. Martines 21

    Coppia differenziale a BJT con carico attivo a specchio di corrente Tensione di offset determinata dallo schema non simmetrico

    Dalla dissimmetria e dallerrore nello specchio di corrente nasce una tensione di offset. Infatti:

    P

    P

    P IIi

    += 21

    2

    2

    e quindi

    P

    T

    T

    P

    m

    OSV

    VII

    GiV

    22

    ==

    =

  • G. Martines 22

    Coppia differenziale MOS con carico passivo

  • G. Martines 23

    Coppia differenziale MOS con carico passivo Funzionamento con segnale di modo comune

    DDDtCM RIVVv2max

    +=

    OVtCSSSCM VVVVv +++=min

    con VCS tensione minima per il corretto funzionamento del generatore.

    Nota: VOV rappresenta la tensione di overdrive cio

    tGSOV VVV =

  • G. Martines 24

    Transcaratteristica della coppia differenziale MOS

    In modo analogo a quanto gi visto per la coppia con BJT, si pu dimostrare che

    2id

    OVd

    v

    VIi =

    per OVid Vv

  • G. Martines 25

    Transcaratteristica della coppia differenziale MOS Il campo di linearit pu essere aumentato aumentando la VOV ma questo implica aumentare I e quindi diminuire il fattore di amplificazione f ed il guadagno di tensione.

    Per il resto, la trattazione analoga a quella gi vista per la coppia con BJT.

  • G. Martines 26

    Coppia differenziale CMOS con specchio di corrente

    Le principali equazioni: 42 // ooO rrR =

    ( )422 // oomd rrgA = Nellipotesi 42 oo rr = si ha 22

    fomd

    rgA

    ==.

    Nellipotesi 43 oo rr = e 133 >>om rg :

    SSmcm Rg

    A321

    ( ) SSmoom RgrrgCMRR 3422 2//=

  • G. Martines 27

    Risposta in frequenza della coppia differenziale

    Per questa analisi si fa riferimento ai due circuiti equivalenti per il segnale differenziale e di modo comune

  • G. Martines 28

    Risposta in frequenza della coppia differenziale

    Risposta per il segnale differenziale Risposta per il segnale di modo comune

    ( )Domd RrgA //=

    SINH RC

    fpi2

    1=

    ( )[ ]DomgdgsIN RrgCCC //1++= D

    D

    SS

    DCM R

    RRRA

    =

    2

    SSSSZ RC

    fpi2

    1=

  • G. Martines 29

    Risposta in frequenza della coppia differenziale

    Risposta in frequenza del rapporto di reiezione di modo comune

  • G. Martines 30

    Configurazione Darlington

  • G. Martines 31

    Configurazione Cascode

  • G. Martines 32

    Configurazione Cascode con BJT

  • G. Martines 33

  • G. Martines 34

  • G. Martines 35

    Coppia differenziale con BJT in configurazione cascode