Lezione XI Amplificatori operazionali L’amplificatore operazionale ideale Ha guadagno infinito Resistenza di ingresso infinita Resistenza di uscita nulla Guadagno indipendente dalla frequenza In parole semplici: NON ESISTE! 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 Il valore massimo è quello che porta M1 al bordo del triodo ovvero VDD-VGS3+VT M1 M2 Vin1 W2, L2 W1, L1 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 M3 AV g m ,1 r0 N r0 P R0 f M4 M1 M2 Vin1 R0 r0 N r0 P R0 1 AV W4,L4 W2, L2 W1, L1 1 g m ,1 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 lowvoltage) (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 Esercizio Progettare un operazionale a singolo stadio telescopico (cascode sia nell’amplificatore che nel carico) con le seguenti specifiche: Vdd=3V, output swing differenziale=3V, potenza dissipata 10mW, KN=60mA/V2, KP=30uA/V2, ln=0.1, lp=0.2, L=0.5mm, VTN=|VTP|=0.7V. Verificare, al termine del progetto, che l’operazionale presenti un guadagno di tensione ad anallo aperto Av=1500 e, in caso contrario, modificare il progetto per garantire tale specifica Allocazione della potenza Dal momento che la tensione di alimentazione Vdd=3V, abbiamo a nostra disposizione 3.33mA di corrente per polarizzare il nostro stadio. Scegliamo di polarizzare il differenziale con 3mA (maggiore è la corrente di polarizzazione, maggiore la Gm) mentre utilizziamo i restanti 330mA per generare le tensioni Vgs per M9 e M7-8. Per cui si avrà che Id(M9)=3mA, Id(Mb1)=330mA=Id(Mb2) Vdd Mb2 Irif Mb1 M9 Allocazione dello swing Vb2 M7 M5 M3 M1 in1 Vb4 differenziale deve essere 3V, ciascun nodo di uscita deve potersi muovere verso l’alto/basso di 1.5V. Ci rimangono dunque altri 1.5V da suddividere tra tutti i mosfet che compongono un ramo del differenziale (ad esempio M1, M3, M5, M7, M9) Ricordiamo che maggiore e’ la caduta (a polarità di corrente e minori dovranno essere le dimensioni. Vdd Dal momento che lo swing M9 Vdd Dimensionamento di M9 M9 almeno 0.5V di overdrive, ovvero VDS=VGS-VT=0.5, dal momento che in M9 passa una corrente doppia. La tensione di polarizzazione dovrà essere Vb4=1.2V Vb2 In particolare scegliamo di lasciar cadere su M7 M5 M3 Nota la corrente (3mA) e l’overdrive (0.5V) 1 W 2 I D K n VGS VTH 2 L in1 Vb4 possiamo calcolare il rapporto W/L per M9 M1 2I D W 2 3mA 200 2 mA 0.5m m K N VGS VTH 60 2 0.25V 2 0.5m m V M9 Allocazione dello swing (2) Vdd Perso l’overdrive di M9, rimane 1V da allocare per gli overdrive del differenziale una tensione minore di quella che cade sui PMOS per compensare la differenza nelle mobilità. Ad esempio scegliamo VDSN=0.2V e VDSP=0.3V in maniera che su tutto il ramo cada esattamente 1V. possiamo dimensionare tutti i mosfet del differenziale a partire da M1 a salire verso l’alimentazione () ricordando che giascun ramo è polarizzato da metà della corrente di M9 M7 M5 M3 M1 in1 Vb4 Note le VDS e quindi gli overdrive Vb2 Scegliamo di far cadere sugli NMOS M9 Dimensionamento di M1-2-3-4 Dal momento che l’overdrive scelto è 0.2V, procedendo analogamente a quanto fatto per M9 si ha ID 2I D 1 W W 2 1.5mA 625 2 K n VGS VTH 2 L 0.5m m K N VGS VTH 2 60 m A 0.04V 2 0.5m m V2 Dalla relazione precedente possiamo anche determinare il valore di Vb1 minimo 2I D VGS VTH Vb1 VS 3 VTH W Kn L Vb1 VTH 2I D 2 1.5mA VS 3 0.7 0.7 1.6V W mA Kn 60 2 1250 L V Dimensionamento di M5-6-7-8 Dal momento che l’overdrive scelto è 0.3V, procedendo analogamente a quanto fatto in precedenza 2 1.5mA 556 2 30 m A2 0.09V 2 0.5m m V Dalla relazione precedente possiamo anche determinare il valore di Vb2 ID 1 W K n VSG VTH 2 L 2 2I D W 0.5m m K N VSG VTH 2I D VSG VTH VDD Vb 2 VDS 7 VTH W Kn L Vb1 VDD VTH 2I D 2 1.5mA VDS 7 3 0.7 0.3 1.7V W mA Kn 30 2 1111 L V Dimensionamento di Mb1 e Mb2 Avendo scelto di polarizzare i mosfet MB1,2 con 0.33mA e avendo imposto gli overdrive ai mosfet M9 e M7-8, per effettuare questo dimensionamento basterà calcolare le VGS necessarie e scalare i nostri mosfet in accordo VGS VTH 0.5V VGS 1.2V VSG VTH 0.3 VSG 1V 2I D 1 W W 2 0.33mA 22 2 I D K n VGS VTH 2 m A 2 L 0.5m m K N VGS VTH 60 2 0.25V 2 0.5m m V ID 1 W K p VSG VTH 2 L 2 2I D W 0.5m m K p VSG VTH 2 2 0.33mA 122 mA 30 2 0.09V 2 0.5m m V Verifica del guadagno Il guadagno dell’operazionale sarà dato da: Av g m1 R0 N R0 P g m1 g m3r01r03 g m5 r05 r07 2K N I D 2K N I D 1 lN I D 2 1 2K N I D 1416 lN I D 2 A questo punto, per incrementare il guadagno, senza variare i rapporti di aspetto, incrementeremo la lunghezza di canale Caratteristica di trasferimento 3.0V V(vout1) V(vout2) 2.7V 2.4V 2.1V 1.8V 1.5V 1.2V 0.9V 0.6V 0.3V 0.0V -1.0V -0.6V -0.2V 0.2V 0.6V 1.0V Vdd Topologia “folded cascode” PMOSEN1 M7 PMOSEN1 M5 PMOSEN1 M6 Vout1 Vout2 M3 Per questo motivo si sostituisce all’amplificatore cascode la topologia “folded” M4 Vb1 Vb1 NMOSEN1 NMOSEN1 M1 M2 in1 in2 sta nel fatto che il transistor di uscita non consuma spazio al di sopra di quello amplificatore NMOSEN1 Vb4 NMOSEN1 Il vantaggio della topologia “folded” PMOSEN1 M8 Vb2 vero problema: il potenziale del nodo di uscita è quasi sempre diverso dal valore della tensione di modo comune, rendendo impossibile ad esempio cortocircuitare direttamente l’uscita all’ingresso (ad esempio per realizzare un buffer a guadagno unitario) Vb3 Il differenziale cascode ha un unico NMOSEN1 M9 Vb1 I M2 Vdd I2 PMOS M5 I Vb1 I1 Vin1 Vdd Folded cascode NMOS M4 NMOS Vin1 NMOS M1 I3 NMOS I Realizzazione circuitale Per realizzare un differenziale Vdd “folded” cascode c’e’ bisogno di un’ulteriore generatore di corrente per polarizzare i PMOS. I1 I2 Se tutti i dispositivi sono in Le tensione di ingresso di modo comune deve essere tale da superare |VTHP|+Vb1-VGS3 Vin2 ISS Vin1 pinch-off e’ chiaro che deve essere Iss/2+ID3=ISS1 PMOS PMOS M1 M2 Vb1 M3 NMOS M4 NMOS Se paragoniamo il circuito ottenuto con quello studiato nell’esempio ci accorgiamo che dall’alimentazione a massa c’e’ un dispositivo in meno. Quindi lo swing aumenta ISS1 ISS2