Amplificatori a singolo transistore: tipologie e progetto condensatori

Obiettivi degli Amplificatori a Singolo Transistore

• Studio dettagliato di tre famiglie di amplificatori
  • Amplificatori invertenti - che forniscono alti guadagni di uscita con una rotazione di fase di 180, nelle configurazioni a source comune
  • Inseguitori - che forniscono un guadagno quasi unitario nelle configurazioni a drain comune
  • Amplificatori non invertenti - che forniscono elevati guadagni di tensione senza sfasamento nelle configurazioni a gate comune.
• Progetto dettagliato di guadagno di tensione, intervallo della tensione di ingresso, guadagno di corrente, resistenze di ingresso e uscita, cenni alla scelta dei condensatori di accoppiamento e bypass e frequenza di taglio inferiore

Applicazione e Prelievo del Segnale: MOSFET

· Nella regione di saturazione,

O VDD = 12 V W R3 M 22 kQ R2 2.2 ΜΩ R1 1.5 ΜΩ R4 12 kQ 2 is=ip- = K n GS 2 V s-VT TN Per provocare un cambiamento nella corrente, devo modificare vGs= VG - Vs. I terminali di gate o di source sono utilizzati per applicare il segnale perchè anche tenendo conto della modulazione della lunghezza di canale, la tensione di drain ha un effetto trascurabile sulle correnti ai terminali Una significativa variazione nelle correnti di drain o di source crea un ampio segnale di tensione sui resistori di drain o di source e il drain o il source possono essere utilizzati come terminali di uscita. Dato che iç è sempre nulla il terminale di gate non è utilizzato come terminale di uscita.

Famiglie di Amplificatori MOSFET

· I vincoli di applicazione e prelievo del segnale danno origine a tre famiglie di amplificatori - Source comune(C-S) - Gate comune(C-G) - Drain comune(C-D) · Tutti i circuiti di esempio utilizzano il circuito di polarizzazione a quattro resistori per stabilire il punto Q dei vari amplificatori · I condensatori di accoppiamento e di bypass sono utilizzati per modificare i circuiti equivalenti in ac.

Amplificatori Invertenti: Circuito a Source Comune (C-S)

O +VDD = 12 V Rp R2 C3 22 k2 2.2 ΜΩ C1 R3 + RI 2 kQ 100 ΚΩ - + Rs R1 2 k2 1.5 ΜΩ R4 10 kΩ = C2 - RI + Vi RG RIZ + 2° 1 + - Rs Equivalente AC per un amplificatore C-S RG = R1 R2 R L = R D R 3

Inseguitori: Circuito a Drain Comune (C-D)

O +VDD 1 Rp 22 ΚΩ C2 R2 2.2 ΜΩ C1 RI - C3 + 01 R3 + R1 1.5 ΜΩ 12 k22 00 100 kQ - RI W 2.00 kΩ + RG Vi 1 892 k22 Vo 10.7 kQ - Equivalente AC per un amplificatore C-D RG = R R2 R L = R 6 R 3 RL + 2 kQ ROS n

Amplificatori Non Invertenti: Circuito a Gate Comune (C-G)

O +VDD =12 V RD 22 kQ C3 R2 2.2 ΜΩ R3 + VO 100 kQ2 - C1 R C2 R1 3 1.5 ΜΩ 2 kQ + R6 12 kQ VI RI N + + Vi R6 RL Vo - M Equivalente AC per un amplificatore C-G R L = R D R 3

Amplificatori Invertenti: C-S

Amplificatore a Source Comune (C-S)

Guadagno di tensione ai terminali ACS = DO = - 1 gmRL 1+ gmRs Guadagno di tensione rispetto al segnale di ingresso AÇS = DO = ACS RI + RG RG Regola pratica per la stima di gmRL (VDD + Vss) Resistenza di ingresso ai terminali RIG = 00 Resistenza di uscita ai terminali RiD = ro(1 + gmRs) Campo di variazione del segnale di ingresso 0.2(VGS -VTN)(1+gmRs) Guadagno di corrente ai terminali 00

Circuiti Inseguitori C-D: Guadagno di Tensione ai Terminali

Aut = "s Vs Vg Vg Vgs = Vg - RLgmVgs Vg Vgs = 1+RLgm RLgm Avt = = =_ Vg 1 + RLgm gmRL >>1 RI 2.00 k2 + RG Vi RL 892 k2 Vo 10.7 k2 - + Vgs L RI gmVgs Vi + + RG RL La tensione di uscita segue la tensione di ingresso, motivo per cui questi circuiti sono chiamati inseguitori Av ~1 RL9mVgs +

Circuiti Inseguitori: Campo di Variazione del Segnale di Ingresso

Dato che solo una piccola parte del segnale in ingresso cade ai capi dei terminali gate-source, gli inseguitori possono essere utilizzati con segnali in ingresso relativamente grandi senza violare i limiti per piccoli segnali. Nel caso dei MOSFET, l'ampiezza di vos deve essere minore di 0.2(VGs - VIN VTN). V = 1+8m v g L ≤0.2(GS-VIN) - gs vg ≤0.2(GS-VTN)(1+gmRL)

Circuiti Inseguitori C-D: Guadagno di Tensione Complessivo

AÇD = "0 = vo Vg Us = "0 9 Aut. Vi Vs Vi Vg Vs Vi Vo = Vs RG RI + RG RG R1gm Vg = = Vi AÇD = RI + RG 1 + RLgm gmRL >>1 RJ 2.00 kQ + Vi - 892 k2 10.7 kQ - + Vgs RI − gmVgs Vi RG RL + Vo − ACD ~ RI + RG RG RG RL + Vo + La tensione di uscita segue la tensione di ingresso, motivo per cui questi circuiti sono chiamati inseguitori

Circuiti Inseguitori: Resistenza di Ingresso e Guadagno di Tensione Complessivo

RI V 2.00 kQ + + Vi 892 k22 10.7 kQ - + Vgs RI − gmVgs Vi + RG RL + Vo − ∞ iG R CD in = RG Il RiG = RG Av CD = Avt CD R +R I R G G RG RL

Circuiti Inseguitori: Esempio di Calcolo del Guadagno di Tensione

· Problema: Calcolare il guadagno di tensione complessivo · Dati noti: Valori del punto Q e valori di R1, R1, R2, R4, Rz · Ipotesi: Funzionamento in condizioni di piccolo segnale. O +VDD RD 22 kQ R2. 2.2 ΜΩ C2 C1 R C3 2 kQ + R3 + R 1.5 ΜΩ R6 12 kQ VO 100 kQ - M

Circuiti Inseguitori: Esempio di Calcolo del Guadagno di Tensione (Cont.)

• Analisi: Per un amplificatore C-D R =R R =892kQ G 2 R =R R =10.7kQ L 1 6| 3 g 1+g, R 1+(0.491mS)(10.7k≤2) R Avt CD = m L = (0.491mS)(10.7k£2) =0.840 m L R CD = Avt CD Av R_+R I G =0.838 G

Circuiti Inseguitori: Resistenza di Uscita

Nel caso di un MOSFET, RiS= 1 gm Quindi la resistenza equivalente vista guardando nel source di un transistore è approssimativamente 1/ gm· Ris = : is Ux ix Ux Ux = = -gm Vgs gmVx RI 1 W 2.00 kQ + RG 1 + Vi 892 k22 5º 10.7 k2 - + RI gs − gm Vgs RG + Ux ix R CD out = Ris || R6 Circuito per il calcolo di Ris RL

Circuiti Inseguitori: Esempio di Calcolo di Resistenza di Uscita

· Problema: Calcolare la resistenza di uscita. · Dati noti: Valori del punto Q e valori di R1, R1, R2, R4, R- sia per MOSFET · Ipotesi: Funzionamento in condizioni di piccolo segnale. I valori di piccolo segnale sono noti. · Analisi: Per un amplificatore C-D, +VDD 22 ΚΩ V C2 R2 2.2 ΜΩ C1 RI 2 kQ + + R1 1.5 ΜΩ V R6 12 k22 2 100 k22 - Rout = R6 || Ris = R6 || 1 gm =12kQ 1 4.91mS =1.74kQ C3 R3

Circuiti Inseguitori: Guadagno di Corrente

· Il guadagno di corrente ai terminali è il rapporto tra la corrente fornita al carico e la corrente erogata dal generatore di Thèvenin. CD Ait ->00

Circuiti Inseguitori: Riepilogo

· Gli amplificatori C-D hanno guadagni di tensione quasi unitari. · Gli amplificatori C-D forniscono una resistenza di ingresso molto alta a causa della resistenza infinita vista guardando nel terminale di gate di un MOSFET · La resistenza di uscita di un amplificatore C-D è limitata a causa della transconduttanza ai MOSFET per una data corrente di funzionamento · Gli amplificatori C-D possono gestire segnali di ingresso relativamente elevati · Il guadagno di corrente di un MOSFET è intrinsecamente infinito

Circuiti Inseguitori: Riepilogo (Cont.)

Amplificatore C-D Guadagno di tensione ai terminali Aut = 20 01 gmRL ₾+1 1+ gmRL + Vi RG + Ris RL + 2° 1 - - Guadagno di tensione complessivo AD = VO A, - Vi gmRL 1+ gmRL RG RI + RG ¥+1 Resistenza di ingresso 00 Resistenza di uscita 1 gm Campo di variazione del segnale di ingresso 0.2(VGS -VTN)(1 +gmRL) Guadagno di corrente ai terminali 00 R 01 × RiG

Amplificatori Non Invertenti: Circuiti a Gate Comune

O +VDD =12 V 1 RD 22 kQ C3 R2 2.2 ΜΩ R3 + + Vi 100 k22 C1 RI C2 R1 1.5 ΜΩ 2 kQ + V 12 kQ2 VI RI × × 2 ΚΩ R6 RL + Ris RiD W Vo 12 k≤2 18 kQ - W R6 Equivalente AC di un amplificatore C-G

Amplificatori C-G: Guadagno di Tensione ai Terminali e Resistenza di Ingresso

gm Vgs RI W X × 2 kQ + + + N Ris RiD Vo R6 Vgs + Per un amplificatore C-G: ACG = Da Vo Vs Vs -gm VgsRL Vs = = gmRL R CG = is 1 gm R CG IN CG = R is || R6= -gm (0 -vs)RL Vs || R6 1 - gm RL V - 12 ΚΩ 18 kQ RI − R6 RL Vi

Amplificatori C-G: Guadagno di Tensione Complessivo

Il guadagno di tensione complessivo per un amplificatore C-G è ACG _ Do _VOUS Vi Vs Vi = RI + R6 || Ris .) = gm RL ( R6 Il Ris Per R6>> RI, CG gmRL 1 + gmRI X RI W X 2 kQ + + N Ris RiD Vo - 12 k≤2 18 kQ Per gmRI << 1, CG Ayt =+gmRL „R Questo è il limite superiore del guadagno. R6 RL

Amplificatori C-G: Dinamica del Segnale di Ingresso

Nel caso di un MOSFET, v i = v + ) I v: ≤0.2(Gs-VTN)(1+gmR) I valori di gm e R determinano i limiti del segnale applicabile. RI X > 2 ΚΩ R6 RL + + N Ris RiD Vo Vi - 12 ΚΩ 18 kQ

Amplificatori C-G: Esempio di Calcolo del Guadagno di Tensione

· Problema: Calcolare il guadagno di tensione complessivo. · Dati noti: Punto Q e R1, R2, R3, R7 , per MOSFET, RT=2 kL2, R4=12 KS2. · Ipotesi: Funzionamento in condizioni di piccolo segnale · Analisi: per un amplificatore C-S RT=R R _= 18kQ Avt CS =+&m R =+8.84 `L L 3D CG R Ris = 1/gm = 2.04kl CG Av = Avt 1+gm (RR I ) R +R I 4 =+4.11 4

Amplificatori C-G: Resistenza di Uscita

Per l'amplificatore C-G a MOSFET (RI resistore equivalente sul source). ROUT = Rip Il RD= To (1 + gmRth) WIRD Rip = To (1 + gmRth) Vedere la resistenza d'uscita dell'amplificatore C-S per il calcolo di RiD. RI 2 ΚΩ R6 RL + Vi Ris RID + 5° 1 12 k≤2 18 kč

Amplificatori Non Invertenti: Guadagno di Corrente

· Il guadagno di corrente ai terminali è il rapporto tra la corrente che scorre nel resistore di carico e la corrente iniettata nel source. CG =+1 Ait

Amplificatori C-G: Riepilogo (Cont.)

Amplificatore C-G Guadagno di tensione ai terminali Avt = Vo 01 +gmRL Guadagno di tensione complessivo vo Vi Av = Rth = (R)|/14) gmRL 1+ gmRth R6 - R| + R6 Resistenza di ingresso 1 gm Resistenza di uscita ro (1 + gmRith) = ro + HfRth Campo di variazione del segnale di ingresso 0.2(VGS -VTN)(1 +gmRth) Guadagno di corrente ai terminali +1 RI U1 1 W × + + Vi R6 Ris RiD RL Vo 1 -

Caratteristiche Semplificate degli Amplificatori a Singolo MOSFET

R V1 X RI U R1 U1 RID + RiG + RL Vo + + + Vi R6 Ris RiD RL + 5° 1 (a) (b) (c) Source Comune (Rs = 0) Source Comune con resistenza di source Rs Drain Comune Gate Comune Guadagno di tensione ai terminali Aut = "0 01 -gmRL-VDD RL Rs (moderato) 1 +gmRLSŞ DD (basso) (moderato) Resistenza di ingresso co (alto) (alto) co (alto) 1/gm (basso) Resistenza di uscita ro (moderato) pfRs (alto) 1/gm (basso) PLf (R) |R6) (alto) Guadagno di corrente (alto) (alto) (alto) 1 (basso) - Vi RG Ris RL W S Rs + RiG RG - - (moderato) - ×

Amplificatori a Source Comune Basati su Invertitori a MOSFET

4.0 V 3.0 V +VDD RF 2.0 V M2 i=0 & VO = VI 1.0 V O VI 0 0 V 0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 · I carichi resistivi sono problematici per via dell'area che occupano nei circuiti integrati · L'invertitore con carico costituito da un transistore in saturazione è un amplificatore esclusivamente a transistori a basso guadagno · L'invertitore è polarizzato nella regione ad "alto guadagno" della sua caratteristica di trasferimento M1