Resumo. Espelho de Corrente com Transistor MOS

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1 p. 1/1 Resumo Espelho de Corrente com Transistor MOS Efeito de V 0 em I 0 Espelho de Corrente com Transistor Bipolares Diferenças entre espelhos de corrente MOS e Bipolares Fontes de Corrente Melhoradas Resistência de Saída de um andar MOS com resistência de fonte Espelhos de Corrente "Cascode" Espelhos de Corrente com compensação de corrente de base Espelhos de Corrente Wilson com Transístores Bipolares Espelhos de Corrente Wilson com Transístores MOS A resistência de saída do transístor bipolar com base comum O espelho de corrente Widlar

2 p. 2/1 Polarização de Circuitos Integrados Uma fonte de corrente constante é usada tanto para polarização como carga activa (de sinal). As resistências não são apropriadas para ser integradas em amplificadores de circuito integrado pois ocupam uma área grande em silício. A polarização dentro de um circuito integrado é frequentemente baseada no uso de fontes de corrente constante. Uma corrente de referência é gerada para ser replicada em outras fontes de corrente para polarizar os vários estágios do amplificador. A corrente de referência pode ser gerada com uma resistência de precisão externa ao integrado.

3 p. 3/1 Espelho de Corrente com Transistor MOS Em Q 1 o dreno está curto-circuitado à porta forçando o transistor a funcionar no modo saturação. I D1 = 1 ( WL 2 k n )1 (V GS V tn ) 2 I D1 = I REF = V DD V GS R I 0 = I D2 = 1 ( WL ) 2 k n 2 (V GS V tn ) 2 (1) I 0 I REF = (W/L) 2 (W/L) 1 Esta relação diz que Q 1 têm uma corrente de saída I O que está relacionada com a corrente de referência I REF pelas razão das razões geométricas dos dois transístores. No caso de transístores idênticos a corrente de referência é replicada na saída.

4 Efeito de V 0 em I 0 É essencial que Q 2 esteja na saturação para funcionar como fonte de corrente. Para isso é preciso que V O > V GS V t V O > V OV. A fonte de corrente operará correctamente com uma tensão de saída de V O de alguns décimos de volt. Mas até agora desprezamos o efeito de modulação de canal que pode ter um efeito significativo na operação da fonte de corrente. No caso de Q 1 e Q 2 idênticos, a corrente de dreno de Q 2 (I O ) será igual à corrente de dreno de Q 1 (I REF ) para o valor de V O igual ao valor de V DS1 = V GS (V DS1 = V GS = V O ). Quando V O é aumentado acima deste valor I O aumentará de acordo com uma resistência incremental de saída r o2 de Q 2 (ver figura). Observe que desde Q 2 esteja operar com um V GS constante a curva da figura é simplesmente a curva característica i D v DS de Q 2 para v GS igual um valor particular de V GS. p. 4/1

5 p. 5/1 Efeito de V 0 em I 0 Então o espelho de corrente tem uma resistência de saída finita R o R 0 = V 0 I 0 = r 02 = V A2 I 0 em que I O é dado por (1) no acetato 3 e V A2 é a tensão de Early de Q 2. A tensão de Early é proporcional ao comprimento do canal (por isso é interessante utilizar transístores com um canal comprido) Podemos expressar I O como ( ) I 0 + I 0 = (W/L) 2 (W/L) I REF + I 0 1 V A2 (V 0 V GS ) = (W/L) 2 (W/L) I REF 1+ V 0 V GS 1 V A2

6 Réplica de Correntes Uma vez uma corrente constante gerada podemos replicá-la para os vários estágios de amplificação. I 2 = I REF (W/L) 2 (W/L) 1 I 3 = I REF (W/L) 3 (W/L) 1 Para garantir o funcionamento na região de saturação é necessário garantir que: V D2,V D3 > V SS +V GS1 V tn p. 6/1

7 Espelho de Corrente com Transistor Bipolares Idêntico ao espelho MOS com as diferenças que o transístor bipolar têm uma corrente de base não nula (β finito) o que causa um erro na intensidade da corrente espelhada e a razão entre as correntes de referência e espelhada é determinada pelas áreas relativas das junções emissor-base de Q 1 e Q 2. Considerando o β alto podemos desprezar as correntes de base. A corrente de referência I REF passa por um transístor ligado como díodo Q 1 e estabelece uma tensão V BE que é aplicada entre base-emissor de Q 2. Se área da junção emissor-base de Q 2 é igual à de Q 1 (a corrente de saturação I S dos dois transístores são iguais) então a corrente de colector de Q 2 é igual à de Q 1 (I O = I REF ). Q 2 tem que operar no modo activo (V O > 0.3V ). Para obter uma razão de transferência m, a área da junção emissor-base de Q 2 terá que ser m I vezes a de Q 1 (I O = mi REF ). O I REF = I S2 I S1 = Area da JBE de Q 2 Area da JBE de Q 1 p. 7/1

8 Espelho de Corrente com Transistor Bipolares Considerando o efeito de β na razão de transferência de corrente e Q 1 e Q 2 iguais. ) I REF = I C + 2I C /β = I C (1+ 2 β Como I O = I C a razão de transferência de corrente é I O I REF = ( I C ) = 1 I C 1+ β 2 1+ β 2 Para valores típicos de β o erro na razão de transferência de corrente pode ser significativo (2% para β = 100) No caso de a área da junção Emissor-Base de Q 2 ser m vezes superior à de Q 1 I 0 I REF = m 1+ m+1 β Tal como o espelho de corrente MOS, o espelho bipolar tem uma resistência finita R o = V O I O = r o2 = V A2 I O em que V A2 é a tensão de Early de Q 2 e r o2 a resistência ( de saída. ) A formula para I O considerando β e R o finitos ( ) m I 0 = I REF 1+ V 0 V BE V A2 1+ m+1 β p. 8/1

9 Réplicas de Corrente I REF = V CC1+V EE V BE1 V BE2 R Note-se que I REF = I 1 = I 2, I 3 = 2I REF, I 4 = 3I REF para transístores de características idênticas. Para garantir o funcionamento correcto é necessário que V CC3 < V CC 0.3V e que V CC4 < V EE + 0.3V. p. 9/1

10 Diferenças entre espelhos de corrente MOS e p. 10/1 Bipolares Enquanto nos transístores MOS a razão de multiplicação do espelho de corrente é dada pela razão W/L dos dois transístores, nos transístores Bipolares depende da razão das áreas da junção Base-Emissor. No caso dos transístores MOS a corrente replicada é igual à corrente de referência desde que V 0 = V GS enquanto nos transístores bipolares a corrente depende de β. Ambos os espelhos de Corrente têm uma resistência de saída r 0 = V A I. Mas no caso de transístores MOS esta resistência é menor. Os espelhos de corrente MOS precisam de tensões mais altas para operar. Pois V GS V t > V CEsat

11 p. 11/1 Fontes de Corrente Melhoradas No caso dos espelhos de corrente de transístores Bipolares é preciso minimizar a dependência da corrente de saída do β (imprecisão da corrente de saída devido a β finito). É preciso aumentar a resistência de saída das fontes de corrente para conseguir mais ganho (resistências de carga maior) além de minimizar o erro de corrente devido a V 0 V GS ou V 0 V BE.

12 p. 12/1 Resistência de Saída dum andar MOS com resistência de fonte porta à massa. Fazendo a equação da malha por v x, r o e R s. v x = [i x +(g m + g mb )v]r o + v Sendo v = i x R s As duas equações podem ser combinadas para eliminar v e obter R out = v x /i x = r o +[1+(g m + g mb )r o ]R s O resultado seria o mesmo se houvesse uma resistência na

13 Espelhos de Corrente "Cascode" MOS Observe que ao mesmo tempo que o transístor Q 1 providencia a tensão de porta de Q 2 formando um espelho de corrente, Q 4 providencia uma tensão de polarização para a porta do transístor Q 3. Para determinar a resistência de saída do espelho "Cascode" no dreno de Q 3 faz-se I REF = 0. Como Q 1 e Q 4 têm pouca resistência incremental (aproximadamente 1/g m cada) as tensões incrementais serão pequenas. Por isso consideramos que as portas de Q 3 e Q 2 estão ambas à massa (análise para sinal). Por isso a resistência de saída R o será a de um transístor em porta comum com resistência r o1 na fonte. R 0 = r o3 +[1+(g m3 + g mb3 )r o3 ]r o2 g m3 r o3 r o2 (aumentou) Q 1 garante o valor de corrente pedido. Q 4 garante que Q 2 e Q 3 se mantêm em saturação. Uma desvantagem do espelho de corrente cascode é que precisa duma tensão relativamente alta para operar V t + 2V OV. (em vez de V OV no espelho comum) p. 13/1

14 p. 14/1 Espelhos de Corrente com compensação de corrente de base A dependência reduzida de β é conseguida incluindo o transístor Q 3 que fornece a corrente de base de Q 1 e Q 2. A soma das correntes de base é dividido por (β 3 + 1) resultando uma erro de corrente muito menor a ser fornecida por I REF. A equação do nó em x ] I REF = I C [1+ 2 I O = I C β(β+1) I 0 I REF = 1 1+2/(β 2 +β) O erro devido a um β finito é bastante reduzido. Infelizmente a resistência de saída mantêm-se igual. Se ligarmos o nó x a V CC através uma resistência R a corrente de referência será I REF = V CC V BE1 V BE3 R

15 p. 15/1 Espelhos de Corrente Wilson com Transístores Bipolares Diminui a dependência do β na corrente de saída em relação à de entrada e aumenta a resistência / de saída. I 0 I REF = I C ( 1+ 2 β ) β (β+1) ( I C [1+ 1+ β) / 2 (β+1) ] = β(β+2) β 2 R 0 βr o /2

16 Espelhos de Corrente Wilson com Transístores MOS Aumenta a resistência de saída. R 0 g m3 r o3 r o2 Figura (c), Evitar o erro sistemático de corrente devido a diferente V DS entre Q 1 e Q 2 p. 16/1

17 p. 17/1 A resistência de saída do transístor bipolar com base comum i x = v r π + v R e v x = v R e +(i x + g m v)r o Combinando as duas equações anteriores de forma a eliminar v R out = r o +(1+g m r o )(R e r π )

18 p. 18/1 O espelho de corrente Widlar Aumenta a resistência de saída. A corrente espelhada é diferente da corrente de referência (em geral menor). R E é uma resistência pequena propicia a ser integrada. R 0 [1+g m (R E r π )]r o V BE1 = V T ln( IREF I S ) V BE2 = V T ln( IO IS ) V BE1 = V BE2 + I O R E I 0 R E = V T ln( IREF I 0 )