TAREA: DISEÑO DE AMPLIFICADOR CS CMOS

Profesor: Ing. José Ramos López

Instructor: Br. Hector Alcides Franco Paredes

Br. Ricardo Pacheco

Cortez Valladares Nelson Edgardo CV10057

Guerra Cazun Martin Enrique GC10001

Abril 22, 2013

RESUMEN:

Con la realización de la presente tarea se familiarizo con los amplificadores de fuente común. Se enfocó en el diseño de un “propio” amplificador de fuente común usando el IC 4007, el cual está conformado por varios transistores CMOS que se configuran de tal forma para formar un espejo de corriente, la IREF=100uA , se utilizo los parámetros de V GSpara trazar las curvas IDcontraV GS y con los datos proporcionados por dichas curvas se puede calcular las características de transferencia entre los puntos de operación.

LISTA DE EQUIPOS Y MATERIALES:

Generador de señales Agilent 33210A 100 MHz. Osciloscopio DS01012A. Protoboard. IC 4007

Introducción.

El circuito de fuente común.

Se muestra el amplificador MOS de CI más básico. Está formado por un transistor MOS con fuente conectada a tierra y el resistor RD del drenaje reemplazado con una fuente de corriente constante I. Como se verá, la carga fuente-corriente puede implementarse empleando un transistor PMOS, por lo que se le denomina carga activa; por tanto, el amplificador CS de la figura 1a) está cargado activamente.

Antes de considerar la operación a pequeña señal del amplificador CS cargado activamente, es apropiado comentar algo sobre el diseño de polarización de dc. Obviamente, Q1 esta polarizado en ID=I, pero

El análisis a pequeña señal del amplificador CS cargado con fuente de corriente es sencillo y se ilustra en la figura 1b). Aquí junto con el modelo de circuito equivalente, se muestra el transistor con su ro extraída y desplegada por separado y con el análisis realizado directamente sobre el circuito. En la figura de pequeña señal se ve que para este amplificador CS

Ecuaciones (1)

Ri=∞

Avo=−gmr o

Ro=ro

Tome nota que |Avo|es la ganancia de voltaje máxima disponible a partir de un amplificador de fuente común, denominada ganancia intrínseca del MOSFET, A0=gm ro.

Figura 1

Circuito CMOS amplificador de fuente común.

En la figura 2a) se muestra la instrumentación del circuito CMOS del amplificador de fuente común. Este circuito está basado en el que se muestra en la figura 1a) con la fuente de corriente de carga I implantada mediante el transistor Q2. Este último es el transistor de salida del espejo de corriente formado por Q2 y Q3 y alimentado con la corriente de polarización IREF.

Se supondrá que Q2 y Q3 son coincidentes; por tanto, la característica i-v del dispositivo de carga será la mostrada en la figura 2b). Está es simplemente la curva característica iD−vSD del transistor de canal p, Q2, para un voltaje constante de fuente a compuerta, V SG. El valor de V SG se establece al pasar la corriente de polarización de referencia IREF a través de Q3. Obsérvese que, como se esperaba Q2se comporta como una fuente de corriente cuando opera en saturación, lo que a su vez se obtiene cuando v=v SD excede (V SG−|V tp|), que es la magnitud del voltaje de sobrecarga en el que Q2 y Q3 están operando. Cuando Q2 está en saturación, experimenta una resistencia incremental finita ro2.

ro2=|V A 2|IREF

Donde V A2 es el voltaje de Early de Q2. En otras palabras, la carga corriente-fuente no es ideal pero tiene un resistencia de salida finita igual al transistor ro.

Antes de proceder a determinar la ganancia de voltaje de pequeña señal del amplificador, es aleccionador examinar su característica de transferencia, vo frente a vI. Esto puede determinarse usando la construcción grafica mostrada en la figura 2c). Aquí se han dibujado las características iD−vSD del transistor de amplificación Q1 y se ha superpuesto la curva de carga. Esta es simplemente la curva i-v de la figura 2b) invertida y desplazada V DD volts a lo largo del eje horizontal. Ahora, como vGS1=v I, cada una de las características iD−vSD corresponde a un valor particular de vI. La intersección de cada curva con la curva de carga da el valor correspondiente de vGS1, el cual es igual a vo. Por tanto, de esta manera se obtiene la característica vo−¿ vI punto por punto. La característica de transferencia resultante se dibuja en la figura 2d). Como se indicó, tiene cuatro segmentos distintos, rotulados I, II, III, IV, y cada uno se obtiene con una de las cuatro combinaciones de los modos de operación de Q1 y Q2, que también están indicadas en el diagrama. Tome nota de que se han rotulados los puntos de ruptura importantes en la característica de transferencia (A y B) en correspondencia con los puntos de intersección (A y B) de la figura 2c).

No resulta sorprendente, para la operación del amplificador, que el segmento III sea el de más interés. Observe que la región III la curva de transferencia es casi lineal y muy inclinada, indicando una ganancia de voltaje grande. En la región III el transistor de amplificación Q1 y el de carga Q2 operan en saturación. Los puntos extremos de la región III son A y B: en A, definido por vo=V DD−V OV 2, Q2 entra en la región del tríodo, y en B, definido por vo=V I−V tn, Q1, entra en la región del tríodo. Cuando el amplificador esta polarizado en un punto en la región III, la ganancia de voltaje a pequeña señal puede determinarse al reemplazar Q1 con un modelo a pequeña señal y Q2 con una resistencia de salida, ro2. La resistencia de salida de Q2 constituye la resistencia de carga de Q1. La ganancia de voltaje Av puede encontrarse al sustituir los resultados de las ecuaciones (1) en:

Av≡vo

v i

=Avo

RL

RL+Ro

Para obtener ecuación (2)

Av=−(gm1 ro1 )ro2

r o2+r o1

=−gm1(ro1‖ro2 )

Lo que indica que, como se esperaba, Av será de magnitud menor a la ganancia intrínseca de Q1, gm1 ro1. Para el caso en que ro2=ro1, Av será gm1 ro1/2 por supuesto, el resultado de la ecuación (2) se hubiera obtenido directamente al multiplicar gm1 v ipor la resistencia total entre el nodo de salida y tierra, ro1‖r o2.

El amplificador CMOS de fuente común puede diseñarse para proporcionar ganancias de voltaje de 15 a 100. Muestra una resistencia de entrada muy elevada; sin embargo, su resistencia de salida también es alta.

Figura 2a) Figura 2b)

Figura 2c)

Figura 2d)

CALCULO DE PARAMETROS

Tomaremos los parámetros conocidos del 4007

NMOS

VT (v) L(µm) W(µm) K´N(µ A/V2)1.4 5 124 20

PMOS

VT (v) L(µm) W(µm) K´P(µ A/V2)-1.4 5 480 6

CALCULOS REALIZADOS.

Para Q3:

IREF=V D3

R

V SG3=10v−V D3

IREF=12K p’(

WL

)(V SG−|V top|¿2

100 μ=12(6µ

A

V 2) (

480 μ5μ

)(V SG−|1.4|¿2

V SG3=1.98V

V D3=10V−1.98V =8.02V

Por tanto:

R=V D3

IREF=8.02V

100µ=80.2 K

V OV 3=V SG−|V top|=(1.98−|−1.4|)=0.58 v

Para Q2:

Para que el transistor permanesca en la region de saturacion, V D2≤10−0.58=9.42V .

Con V SG3=V SG2=1.98V

ID2=12(6 µ

A

V 2) (

480 μ5μ

)(1.98V−|1.4V|¿2

ID2≅ 100 μA

AV=−gm1(r o1/ ¿r02)

gm1=√(20 x 10−6 )( 1245 )( 100x 10−6 )≅ 315.96 μ ( AV )rO=

|V A|I D

AV=−315.96 μ( AV )(ro3 /¿r02)

Datos obtenidos en el Laboratorio Para graficar vo/vi:

Simulación en Octave para el comportamiento

de cada uno de los MOSFET:

Vin Vout1 10

1.1 101.2 9.91.3 9.91.4 9.91.5 9.981.6 9.961.7 9.91.8 9.851.9 9.722 9.29

2.1 0.52422.2 0.37682.3 0.309882.4 0.26622.5 0.235532.6 0.211572.7 0.192492.8 0.176562.9 0.16343 0.1522

3.1 0.129863.2 0.133493.3 0.126213.4 0.119513.5 0.11363.6 0.10823.7 0.103223.8 0.098673.9 0.094674 0.09091

CONCLUCIONES

Con el planteamiento de este circuito presentado en este trabajo permite brindarles a los estudiantes de electrónica un medio para entender los principios básicos del diseño y la verificación de circuitos con CMOS.

Recalcamos el acercamiento al diseño de circuitos integrados que tiene la capacidad de actuar como amplificadores, conversores y osciladores, deja de ser mera mente teórica y simulada para convertirse ahora también en real, con la posibilidad de diseñarlo de acuerdo a deseos o necesidades de cada profesional.

BIBLIOGRAFIA.

http://www.alldatasheet.es/datasheet-pdf/pdf/26835/TI/CD4007.html

Sedra circuitos micro electrónicos, Quinta edición McGraw-Hill.

Datasheet: