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