9. Operazionali

Lezione IX
Amplificatori operazionali
L’amplificatore operazionale ideale
 Ha guadagno infinito
 Resistenza di ingresso infinita
 Resistenza di uscita nulla
 Guadagno indipendente dalla frequenza
Gli operazionali reali
 Negli anni 70 si cercava di ottenere simultaneamente
ottime prestazioni per ciascuna delle proprietà viste
 Non sono più “general purpose”
 Si cerca di massimizzare l’aspetto che interessa (Banda
passante, slew rate, impedenze…)
Tipologie di operazionale
 Singolo stadio (progettazione complessa se è richesto
guadagno di anello elevato)
 Doppio stadio (Circuito di Miller)
 Triplo stadio (Agevole raggiungere guadagni elevati
senza penalizzare la banda, difficile stabilizzazione)
Vdd
L’operazionale a singolo stadio
 Tutti i tipi di amplificatori
differenziali possono
essere considerati come
amplificatori a singolo
stadio
 Ad esempio il carico può
essere sostituito con un
carico in pinch-off
restituendo simmetria al
circuito
W3,L3
W4,L4
M3
M4
M1
M2
Vin1
Vin2
W2, L2
W1, L1
Iss1
I
Esempio
Vdd
 In figura è riportato un buffer a
guadagno unitario. Determiniamo
il range ammissibile di modo
comune e l’impedenza di uscita ad
anello chiuso.
W3,L3
W4,L4
M3
M4
 Il valore minimo di Vin è dato dalla
somma del minimo valore
ammissibile sullo specchio e dalla
VGS necessaria a sostenere la
corrente di polarizzazione
M1
M2
Vin1
W2, L2
W1, L1
 Il valore massimo è quello che
porta M1 al bordo del triodo
ovvero VDD-VGS3+VT
Iss1
I
Valutazione resistenza di uscita
 Dal momento che in uscita
Vdd
campioniamo tensione
l’impedenza sarà quella del
differenziale ad anello aperto
divisa per il tasso di feedback
W3,L3
W4,L4
M3
AV  g m,1 r0 N r0 P
R0  r0 N r0 P
R0 f
R0
1


1  AV  g m,1
M4
M1
M2
Vin1
W2, L2
W1, L1
Iss1
I
Vdd
L’operazionale di Miller
W3,L3
W4,L4
M3
M4
W5, L5
M5
M1
M2
Vin1
Vin2
W2, L2
W1, L1
Iss1
Iss2
I
I
(continua)
 E’ un circuito a due stadi
 Lo stadio di ingresso è un differenziale CMOS. Il
carico può essere a specchio, in pinch-off o anche a
diodo con (o senza) generatori di corrente in
parallelo.
 Lo stadio di uscita è un amplificatore a source
comune
 I generatori di corrente li possiamo realizzare con un
sistema cascode (ad esempio low-voltage)
(continua)
Vdd
 La tensione sul nodo di
uscita Vout del differenziale
determina la tensione di
ingresso allo stadio
successivo e sarà funzione
della tensione di ingresso di
modo comune
W3,L3
W4,L4
M3
M4
Vout
M1
 I mosfet di carico andranno
dimensionati in funzione
della corrente di
polarizzazione e della
allocazione dei loro
overdrive
M2
Vin1
Vin2
W2, L2
W1, L1
Iss1
I
Come si progetta un operazionale?
 Non esiste una metodologia unica per tutti i tipi di
operazionale che ci proponiamo di progettare (ad
esempio se vorremo privilegiare il guadagno la strategia
potrà essere differente rispetto ad un progetto lownoise)
 In ogni caso l’attenzione agli swing di tensione
(overdrive) e al guadagno ad anello aperto gioca quasi
sempre un ruolo primario
Mb2
M7
Vout1
Irif
Vb2
Vdd
L’operazionale telescopico (cascode)
M8
M5
M6
M3
M4
Vb1
Vb1
M1
M2
in1
Mb1
Vout2
in2
M9