M2 L2 R1 TEMA 2

Módulo 2. Conceptos de diseño de circuitos integrados. Tema 2. Flujo de diseño analógico.

Subtemas. 2.1 Polarización y señales en circuitos analógicos. 2.2 Análisis en pequeña señal. 2.3 Fuentes de corriente. 2.4 Amplificadores diferenciales. 2.5 Amplificadores y otros circuitos analógicos. 2.6 Consideraciones especiales.

Objetivo. Conocer las estructuras básicas para los procesos de diseño de circuitos integrados analógicos basado en tecnología CMOS, a partir del análisis paramétrico de los transistores tipo N y Tipo P, realizando simulaciones de su comportamiento con software especializado.

Logros formativos. • Comprender el uso de los transistores nMOS y pMOS para diseñar circuitos integrados analógicos. • Tener la capacidad de utilizar software de simulación de circuitos electrónicos, utilizando transistores de la tecnología CMOS. • Tener la capacidad de diseñar y simular circuitos analógicos básicos, tales como circuitos de polarización, pequeños amplificadores y otras estructuras básicas de diseño de circuitos integrados analógicos.

Introducción.

En la electrónica, a diferencia de los circuitos eléctricos convencionales, las tensiones y corrientes aplicadas son, en general, señales que contienen información que el circuito procesará de algún modo. En los sistemas digitales, las señales son secuencias de números binarios; los valores altos y bajos de una corriente o tensión representan respectivamente los valores binarios uno y cero. Los circuitos electrónicos digitales realizan operaciones aritméticas y otras sofisticadas operaciones de procesamiento de información binaria, utilizando interconexiones de circuitos electrónicos de propósito especial llamados compuertas lógicas.

En los sistemas analógicos, la información se codifica en las formas de onda de tensiones o corrientes y el procesamiento podría traducirse en hacer la señal mayor o menor, en eliminar ruidos, cambiar su forma, determinar el valor pico, medio o combinarla con otra señal. Podemos identificar los circuitos electrónicos por la presencia de dispositivos especiales que modifican la forma de la señal o amplificarán su potencia. En los circuitos analógicos, regularmente se asocia la señal de entrada a un transductor de entrada, o sea, dispositivos que convierten señales de variables físicas como el sonido, temperatura, presión, velocidad, peso, humedad, etc., en señales eléctricas codificadas en variaciones de tensión o corriente.

A estas señales se les denomina señales de corriente alterna (CA) porque varían con el tiempo, aunque en ocasiones la señal puede permanecer sin cambio por largos períodos de tiempo (corriente continua o CC), pero sigue siendo una señal, ya que contiene información. Los diagramas que representan circuitos electrónicos muestran a menudo una resistencia especial en la salida, denominada carga o resistencia de carga, a través de la cual se transforma la señal de salida. La resistencia de carga representa a veces un transductor de salida que convierte la energía eléctrica en otra magnitud física. En otros casos, la resistencia de carga, podría representar la entrada de otro circuito de procesamiento de señal, o simplemente comportarse como una resistencia.

Otra idea introducida en la electrónica es la polarización. Los dispositivos solo son capaces de amplificar señales debido a la conversión de potencia continua en potencia en la señal. Por tanto, además de aplicar tensiones y corrientes continuas a las señales, debemos aplicarlas a los circuitos electrónicos. En consecuencia, en la mayor parte de los circuitos electrónicos, las señales de tensión y corriente se encuentran superpuestas sobre los niveles de polarización. Se requiere, por tanto, dos fuentes: una fuente de corriente directa para polarizar (alimentar) el circuito y una fuente de la señal que se debe procesar (un transductor, una fuente u otro circuito previo).

Figura 1. Representación de un circuito electrónico analógico, con la polarizacion, señal de entrada, resistencia o elemento de carga y gráfica de respuesta en el tiempo.

Operación del transistor de efecto de campo de metal óxido semiconductor MOSFET.

En la actualidad existen varios tipos de transistores de efecto de campo FET diferentes. Dentro de los MOSFET, existen 2 tipos de MOSFET, los de enriquecimiento (Enhancement MOSFET) y los de empobrecimiento (Depletion MOSFET). El MOSFET de enriquecimiento se conoce como E-MOSFET o Enhancement MOSFET. El modo de enriquecimiento significa que, siempre que aumenta el voltaje hacia el terminal de compuerta de este MOSFET, el flujo de corriente aumentará más desde el drenaje a la fuente hasta que alcance el nivel más alto. Este MOSFET es un dispositivo controlado por voltaje de tres terminales principales que son fuente, compuerta y drenaje, además de la terminal de substrato.

Las características de estos MOSFET son la baja disipación de potencia, la fabricación sencilla y la geometría pequeña. Por lo tanto, estas características harán que se utilicen en circuitos integrados. No hay paso de corriente entre el drenaje (D) y la fuente (S) de este MOSFET cuando no se aplica voltaje entre los terminales de la compuerta y la fuente. Por lo tanto, la aplicación de un voltaje en la compuerta a la fuente mejorará el canal, lo que lo hará capaz de conducir corriente. Esta propiedad es la razón principal para llamar a este dispositivo un MOSFET de modo enriquecimiento. En este curso solo nos enfocaremos en el MOSFET de enriquecimiento, tanto N compo P, que son los más utilizados actualmente.

En un MOSFET de modo de agotamiento o empobrecimiento (Depletion MOSFET), el dispositivo normalmente está encendido con un voltaje de compuerta-fuente cero. Dichos dispositivos se utilizan como "resistencias" de carga en circuitos lógicos (en lógica NMOS de agotamiento-carga, por ejemplo). Para dispositivos de agotamiento-carga de tipo N, el voltaje umbral podría ser de aproximadamente -3 V, por lo que podría apagarse aplicando en la compuerta 3V negativos (el drenador, en comparación, es más positivo que la fuente en NMOS). En PMOS, las polaridades están invertidas.

Construcción y principio de funcionamiento del MOSFET de enriquecimiento. Los MOSFET de tipo enriquecimiento normalmente están apagados, lo que significa que cuando se conecta un MOSFET de este tipo, no habrá flujo de corriente desde el drenaje terminal (D) a la fuente (S) cuando no se le dé voltaje a su terminal de compuerta. Esta es la razón por la que se llama a este transistor un dispositivo normalmente apagado. Nota. En lo sucesivo solo denominaremos MOSFET a los transistores n y p, y se supondrá que son de tipo enriquecimiento, a menos que se especifique lo contrario.

En la figura 2 se muestra la construcción de un MOSFET, incluye tres capas: compuerta, drenaje y fuente. El cuerpo del MOSFET se conoce como sustrato, que regularmente está conectado internamente a la fuente. En el MOSFET, el terminal de compuerta metálico de la capa semiconductora está aislado a través de una capa de dióxido de silicio o una capa dieléctrica. Este MOSFET está construido con dos materiales, semiconductores de tipo P y de tipo N. El sustrato proporciona soporte físico al dispositivo. Una fina capa de SiO (un excelente aislante eléctrico) simplemente cubre la región entre los terminales de fuente y drenaje. Sobre la capa de óxido, una capa metálica forma el electrodo de compuerta.

Figura 2. Construcción del MOSFET tipo N

En el transistor tipo N, las 2 regiones N están separadas una cierta distancia L por una región P ligeramente dopada, denominada substrato. Observe que el substrato forma uniones PN con las regiones de fuente y drenaje. En operación normal, estas uniones PN se mantienen todo el tiempo en polarización inversa. Debido a que el drenaje operará con tensiones positivas en relación a la fuente, es posible imponer un circuito abierto en las dos uniones simplemente conectando el terminal de substrato con el terminal de fuente. Se supondrá que éste será el caso en la siguiente descripción de la operación del MOSFET. Por lo tanto, aquí se considerará que el substrato no tiene efecto en la operación del componente, y que el MOSFET será tratado como un dispositivo de tres terminales: la compuerta (G), la fuente (S) y el drenaje (D).

Se demostrará que una tensión aplicada al terminal de compuerta controla el flujo de corriente entre la fuente y el drenaje. Esta corriente circulará en dirección longitudinal del drenaje a la fuente, en la región llamada “región de canal”. Tome nota que esta región tiene una longitud L y un ancho W que se constituyen en dos parámetros muy importantes del MOSFET. Por último, tome en cuenta que el MOSFET es un dispositivo simétrico; por lo tanto, pueden intercambiarse su fuente y su drenaje sin modificar sus características. El potencial al que se conecte la terminal del transistor es lo que define si ese terminal es source o drain. El source será el terminal conectado al potencial más bajo en el caso de los transistores N.

Operación sin tensión de polarización de compuerta.

Sin aplicar ninguna tensión de polarización en la compuerta, hay dos diodos conectados en serie entre el drenaje y la fuente. Uno de ellos está formado por la unión PN entre la región N+ del drenaje y el sustrato tipo P; el otro diodo está formado por la unión PN entre el sustrato tipo P y la región N+ de la fuente. Estos diodos conectados en serie y en contraposición evitan la conducción de corriente del drenaje a la fuente cuando se aplica una tensión Vds positiva: se dice entonces que no hay corriente porque el componente no tiene formado el canal. En realidad, la ruta entre el drenaje y la fuente tiene una resistencia muy elevada.

Figura 3. Operación del MOSFET tipo N sin polarización de compuerta.

Creación de un canal para permitir la corriente.

Si se conectan los terminales de fuente y de drenaje a tierra y se aplica una tensión de polarización positiva a la compuerta, debido a que la fuente se encuentra conectada a tierra, la tensión de compuerta genera una diferencia de potencial que aparece efectivamente entre la compuerta y la fuente, denominada Vgs. La tensión de polarización positiva en la región de compuerta ocasiona, en primer lugar, que se repelan los huecos libres (que están cargados positivamente) de la región superficial del substrato, justo debajo del área cubierta por la zona metálica de compuerta (la región del canal).

Figura 4. Operación del MOSFET tipo N con polarización positiva de compuerta.

Ahora bien, si se aplica una tensión de polarización entre el drenaje y la fuente puede establecerse una corriente a lo largo de esta región, sostenida por los electrones libres generados por este proceso de inducción. Por lo tanto, la región N inducida forma un canal para permitir el flujo de corriente entre drenaje y fuente.

Figura 5. Operación del MOSFET tipo N con polarización positiva de compuerta y drenaje. Formación del canal.

Si se le aplica un voltaje entre drenaje y fuente mayor a cero (VDS>0) habrá una corriente en ese mismo sentido a través del canal. Es por ello que se le denomina MOSFET canal N o transistor NMOS. A la región de superficie también se le llama capa de inversión, debido a que de ser un sustrato tipo P cambia a N (canal).

Para que se forme el canal de inversión, o canal N, se requiere que el voltaje Vgs sea mayor a un voltaje mínimo, denominado voltaje de umbral Vth.

Vgs > VthPara un NMOS Vth>0 y para un PMOS Vth<0.

Figura 6. Representación del transistor y diagrama esquemático equivalente, con un voltaje Vgs aplicado.

También existe entre el canal y compuerta una capacitancia, donde la capa de dióxido de silicio forma el aislante de éste. La carga positiva se acumula en la compuerta y en la placa inferior la negativa; existiendo un campo eléctrico en la compuerta. Dicho campo eléctrico determina la corriente que puede fluir de drenaje a fuente variando su conductividad y controlando la carga móvil del canal; es por ello que se le llama transistor de efecto de campo. Variaciones en el voltaje Vgs, producirán variaciones en la cantidad de corriente circulando entre source y drain.

La capacitancia que se forma entre gate y substrato se forma de manera intrínseca al fabricar el transistor, NO ES UNA CAPACITANCIA AÑADIDA, y su valor, depende del área de la compuerta y del espesor del óxido aislante, principalmente.

Figura 7. Capacitancia de compuerta del transistor MOS.

Regiones de operación y punto de operación del transistor.

El punto de operación de un MOSFET canal N de enriquecimiento depende de la tensión de compuerta a source (Vgs) y la tensión de drenaje a fuente (Vds), para ello se pueden trabajar en tres regiones que son región de corte, región de triodo y región de saturación. 1) Región de corte Condición de Polarización de compuerta Vgs=0, canal abierto. Cuando la polarización de compuerta es cero volts (Vgs=0), las dos uniones PN que conforman el substrato con el material N+ de la fuente, así como la que se genera con la N+ del drenaje, forman dos diodos en inversa en el sentido de drenaje a fuente, imposibilitando la conducción de corriente si se aplicara un voltaje de Drenaje a Fuente positivo (Vds>0). Esto es porque el canal no se ha formado y se considera que tiene una resistencia muy alta, del orden de 1012 ohms y se dice que está en región de corte o apagado.

Figura 8. Transistor en la región de corte. Vgs=0.

Ids=0

R=1012 ohms

Región de triodo o Lineal Condición de Polarización de compuerta Vgs>0 y Vds pequeña. Si se tiene inducido el canal, y se le aplica una tensión a Vds, con Vds pequeña, hace que circule corriente de drenaje a fuente (Id) por el canal N inducido. La magnitud de la corriente depende de la densidad de electrones libres en el canal, es decir su dependencia con Vgs. Cuando Vgs=Vth el canal apenas es formado y la corriente que puede haber es pequeña. Cuando se incrementa Vgs>Vth, hay más electrones libres en el canal, aumentando la carga negativa en el canal y su profundidad. Entonces aumenta su conductancia, siendo ésta proporcional a la diferencia de Vgs-Vth. La corriente Ids es proporcional a Vgs-Vth y obviamente a la tensión Vds. En la siguiente figura se muestra esta relación, en la que se observa como resistencia lineal controlada por la tensión Vgs, a esta zona se le llama región lineal o de triodo.

Figura 9. Transistor en la región lineal o de triodo. Vgs>Vth.

tox es el espesor del óxido, definida por el proceso de fabricación del MOSFET. Para el diseño de transistores MOSFET, también se puede encontrar la transconductancia en función de la relación de geometría: Siendo K´n = µnCox ; llamada parámetro de conducción, donde puede ser una constante por la tecnología de fabricación dada.

Figura 10. Transistor con polarización Vgs > Vth y Vds variable.

Si Vds se incrementa, entonces el canal se hace más angosto y por lo tanto se tiene menor cantidad de electrones libres en el canal, y su resistencia aumenta proporcionalmente; por lo que ya no se tiene una relación lineal de Id con Vds (como cuando Vds es pequeña), sino que tiene un comportamiento curvo. Cuando Vds llega a la tensión de Vth hace que se reduzca la diferencia de potencial entre la compuerta y canal en el extremo del drenaje (esto se da en Vgd=Vth, o Vgs-Vds=Vth ó Vds=Vgs-Vth), la profundidad del canal en el extremo de drenaje disminuye casi a 0 volts, y entonces hace que el canal quede estrangulado en un punto del canal (pinch off). Obteniendo así una corriente id constante en el valor alcanzado para Vds=Vgs-Vth. A este voltaje Vds, se le denomina Vds(sat). Así se dice que el valor de corriente de drenaje se satura y el MOSFET ha entrado en la región de saturación, y se dice que Vds(sat)=Vgs-Vth. En esta zona el MOSFET trabaja como amplificador lineal.

Figura 11. Transistor con polarización Vds(sat) >= Vgs-Vth. Región de corriente constante.

Regiones de operación del transistor nMOS

Figura 12. Regiones de operación del transistor nMOS

Como resumen:

1. Se puede decir que para cada valor de Vgs > Vth hay un correspondiente valor de Vds(sat) .
2. El dispositivo opera en la región de saturación si Vds > Vds(sat) .
3. A la región de la característica tensión-corriente Id - Vds obtenida para Vds < Vds(sat) se la denomina región de triodo o lineal.
4. Teóricamente, ningún aumento en Vds por arriba de Vds(sat) (que es igual a Vgs - Vth) tiene efecto en la forma del canal, por lo que la corriente permanece constante, solo produce el ensanchamiento de la región de vaciamiento del canal vecino a la región N+ del drenaje.

A la región de saturación, también se le conoce como región activa o región de estrangulación (pinch off) y a la región de triodo, se le denomina región óhmica.

Actividad. Simule el siguiente circuito. Obtenga las curvas de respuesta para diferentes valores de Vgs.

1) Dibuje el circuito mostrado en la figura y ajuste los parámetros del transistor NMOS de la siguiente manera. ID= NMOS L=0.1u W=1u VTO = 0.5V Ajuste la Fuente Vgs a 0v. Ajuste la Fuente Vds a 3.3V Agregue puntos de prueba: de voltaje en el gate y drain del transistor y de corriente en el drain del transistor. Renombre los puntos de prueba como se muestra en la figura. Realice un análisis de barrido de cd para la fuente Vgs de 0 a 3.3V para un Vds constante y obtenga las curvas de respuesta para la corriente Ids.

Figura 13. Circuito para obtener las curvas de respuesta del transistor nMOS.

Figura 14. Gráfica del análisis transitorio con barrido de Vgs y Vds constante Vds=3.3V

Repita la simulación para valores pequeños de Vds, entre 0 y 2V y diferentes valores de Vgs.

Figura 15. Gráfica de la característica Ids del transistor nMOS para valores pequeños de Vds, con distintos valores de Vgs.

Análisis del punto de trabajo. Es útil considerar al transistor MOSFET como un dispositivo de 3 estados que tiene una ecuación, un modelo de circuito y una región concreta de las características de salida asociados a cada estado. Se utilizan en estado activo en amplificadores y otras aplicaciones lineales. En la región óhmica o resistiva el FET funciona como resistencia controlada por tensión. En la región de corte, se utiliza como interruptor activado por tensión. A continuación se analizarán las ecuaciones y modelos de gran señal de cada estado, mostrando la relación de éstas con las curvas características del MOSFET.

Región de triodo o región óhmica.

En esta ecuación, vamos a suponer que Vds es la variable independiente, Id la variable dependiente y Vgs como parámetro de control. Los términos Vds muestran que la ecuación anterior, es la ecuación de una parábola invertida que está desplazada del origen. Distintos parámetros de la variable Vgs crean una familia de parábolas con distintos desplazamientos. Es exactamente la familia de características de salida de la región óhmica del transistor.

En general, todos los MOSFET dentro de un CI tienen un µnCox idéntico, por lo tanto, solo se diferencian en los parámetros W y L. Como estos parámetros se pueden definir mediante las mascarillas de fotolitografía, su valor se controla de manera fácil y precisa durante la fabricación del circuito integrado y se convierte en un parámetro clave del diseño. Dado que la corriente de drenaje en cada estado de operación del transistor es proporcional a k, se pueden fabricar dispositivos que tienen distintas corrientes para los mismos voltajes, solo variando la relación W/L durante el diseño de las mascarillas de fotolitografía (Proceso de diseño físico o layout de CI).

El punto de trabajo Q del transistor MOSFET. Análisis en estado activo. Los problemas de análisis de MOSFETs activos llevan asociado el resolver dos ecuaciones simultáneas, una cuadrática con dos incógnitas, por lo que se tienen dos soluciones matemáticas de la función de transferencia, representada por la ecuación de Ids mostrada previamente, pero solo una de ellas tiene sentido físico. Si se expresan las ecuaciones en función de Vgs y no de Id, se puede reconocer fácilmente la solución correcta como aquella que pone al transistor en conducción.

Aunque las curvas se muestran para valores escogidos de Vgs, se debe comprender que conforme cambia el voltaje del puerto de entrada, la característica vi del puerto de salida varía en forma continua entre todas las posiciones definidas por la familia de curvas. La curva vi para voltajes menores al voltaje de umbral Vth, estará sobre el eje horizontal, implicando que la corriente Id será 0 para todos los valores de entrada Vgs En términos generales, el punto de operación, punto de trabajo o punto Q, consiste en encontrar el valor del voltaje Vds y la corriente Id para ciertas condiciones del circuito, o, desde el punto de vista del diseño, proveer las condiciones necesarias a un circuito para ubicar el punto de operación (Id y Vds) en un valor específico, acorde a las necesidades requeridas de alguna aplicación en particular.

Una vez obtenida la curva de corriente Id para un Vgs=5V, sobre la gráfica se ubican los datos del circuito. VDD=9V Ids=9V/750 ohms = 12mA. Se traza una línea recta entre esos 2 puntos. A esta recta se le denomina recta de carga del circuito. El punto donde se cruzan la curva de corriente Ids con la recta de carga, se le denomina punto de operación o punto de trabajo Q. En este caso, corresponde a: Id=2.025mA Vds=7.481V

Figura 24. Curva característica y recta de carga del circuito mostrado previamente.

Algunas consideraciones.

• Los datos para graficar las curvas de corriente se obtienen calculando la Id con las fórmulas vistas previamente, cuando se tienen los parámetros del transistor y del proceso de fabricación.
• En este caso, lo hemos obtenido utilizando los datos del modelo del transistor provistos por el simulador.
• En los simuladores, regularmente existe una herramienta para obtener la familia de curvas, denominada DC Sweep. En el caso de que no esté disponible la opción se puede realizar la obtención de datos paso a paso.
• Por último, el simulador nos entrega el punto de operación utilizando la opción de simulación DC Op.
• Físicamente, se utiliza un trazador de curvas para obtener la familia de curvas.

Figura 25. Análisis del punto de operación del circuito mostrado.

ACTIVIDAD DE REPASO

1) Utilizando el mismo circuito, con VDD=10V, grafique la curva Id cambiando la relación W/L del transistor a: a) W=2µm y L=0.1µmb) W=4µm y L=0.1µmc) W=1µm y L=0.2µmY obtenga el punto de operación para cada uno. Llene la tabla siguiente y compare los resultados obtenidos.

¿Cómo varía la corriente Id cuando aumenta W? ¿Cómo varía la corriente Id cuando aumenta L?

Resúmen de las actividades.

• Se hizo un repaso de la construcción del transistor NMOS.
• Se hizo un repaso de la operación del transistor NMOS y la formación del canal debido a la tensión de compuerta.
• Se definió el concepto de polarización de un circuito electrónico.
• Se definieron las regiones de operación del transistor y las ecuaciones que representan el comportamiento del mismo.
• Se obtuvieron las curvas de Ids para las diferentes regiones de operación.
• Se obtuvo el punto de operación y la recta de carga del transistor para condiciones de operación específicas.

AMPLIFICADORES

Amplificación Analógica. En un circuito analógico, los voltajes y las corrientes varían en un rango continuo de posibles valores. El más pequeño cambio de una señal de voltaje o corriente puede llevar información. Un circuito que actúa como amplificador reproduce los cambios en su señal de entrada como cambios proporcionalmente más grandes en su señal de salida. Aunque mediante algunos circuitos pas ivos se pueden obtener incrementos en la amplitud de la señal, este comportamiento queda por lo general limitado a circuitos analógicos construidos a partir de circuitos activos de tres terminales.

Breve historia. El desarrollo de la tecnología de comunicación de audio en forma de teléfono, patentado por primera vez en 1876, creó la necesidad de aumentar la amplitud de las señales eléctricas para extender la transmisión de señales a distancias cada vez más largas. El primer dispositivo práctico destacado que podía amplificar fue el tubo de vacío de triodo, inventado en 1906 por Lee De Forest, que condujo a los primeros amplificadores alrededor de 1912. Los tubos de vacío se usaban en casi todos los amplificadores hasta las décadas de 1960 y 1970 cuando los transistores los reemplazaron. Hoy en día, la mayoría de los amplificadores usan transistores, pero los tubos de vacío continúan usándose en algunas aplicaciones.

El tubo de vacío amplificador revolucionó la tecnología eléctrica, creando el nuevo campo de la electrónica, la tecnología activa de dispositivos eléctricos. Hizo posibles líneas telefónicas de larga distancia, sistema de megafonía, transmisión de radio, el cine sonoro, grabación de audio, radar, televisión, y los primeros ordenadores. Durante 50 años, prácticamente todos los dispositivos electrónicos de consumo utilizaron tubos de vacío.

Un circuito analógico se define generalmente como aquel que acepta un voltaje o una corriente analógica como su señal de entrada y reproduce una señal analógica relacionada como su salida. Si la salida es reproducción fiel y proporcional de la entrada, se dice que el circuito es lineal. La operación correcta de la mayor parte de los dispositivos de tres terminales require que se agreguen componentes de cd a los voltajes y corrientes en los puertos de entrada y de salida de los dispositivos. Estos componentes de cd existen independientemente de cualquier fluctuación de la señal y no constituyen parte de la información. Los componentes de CD fijos sobre los que se superponen las señales que contienen información, se les conoce como componentes de polarización.

El diseño o análisis de un circuito analógico funcional generalmente requiere que se tomen en consideración el valor total de un voltaje o una corriente (la señal más polarización). Cómo ejemplo de un sistema donde la amplificación es importante, considere el siguiente diagrama, que muestra un sistema de amplificación para un micrófono. El micrófono, que sirve como fuente de señal de bajo voltaje, alimenta su señal de voltaje a la entrada de alta resistencia de un amplificador, controlando la potencia de salida del éste.

Figura 26. Representación a bloques del amplificador mostrando las etapas de entrada, salida y polarización.

Se puede ilustrar la idea de la polarización mediante una analogia física. Imagine el movimiento de un gimnasta “haciendo barra”, elevandose y descendiendo periódicamente sobre una barra horizontal. Si la barra está demasiado cerca del piso, cuando el gimnasta desciende golpeará el piso con sus pies. De igual manera, si la barra está demasiado cerca del techo, cuando se levante golpeará el techo con su cabeza. Si el gimnasta debe subir y bajar con igual facilidad, la barra deberá estar soportada a la altura adecuada para evitar que el gimnasta arrastre los pies o golpee el techo con su cabeza.

Figura 27. Analogía de un sistema de polarización de un amplificador

AMPLIFICADORES.

Un amplificador, es un tipo de circuito electrónico o etapa de éste, cuya función es incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una fuente de alimentación externa. Un caso muy común de amplificador es el que usa transistores bipolares, amplificadores operacionales, tubos o válvulas electrónicas, FETs, etc.

Figura 28. Representación de un amplificador de un transistor.

Amplificador de un transistor.

Considere el siguiente circuito.

Figura 29. Transistor nMOS con voltaje de compuerta VGS y de drenaje VGG.

Si el voltaje Vgs cambia, también cambia la característica vi del puerto de salida Vgs. Si se hace que Vgs sea un voltaje variable, la característica vi del puerto de salida Vds y el punto de operación variarán en respuesta a los cambios en el voltaje de entrada Vgs.

Actividad. Dibuje el circuito en multisim y realice las siguientes simulaciones. Observe y analice los resultados.

Llene la siguiente tabla y con esos datos dibuje la gráfica Ids vs Vds

Figura 30. Circuito para análisis del punto de operación. Obtenga la curva característica vi y recta de carga, dejando fijo Vgs en 5V y variando VDD desde 0 hasta 10V. Utilice la opción DC Op de multisim.

Grafique los datos obtenidos.

Trace la recta de carga sobre los puntos del circuito VDD=10V e Ids=VDD/R1=10mA Repita el procedimiento, con:

1. VGS = 4V
2. VGS = 6V

Dibuje las nuevas características vi.

Figura 31. Gráfica de la característica vi, recta de carga y punto de operación para VGS=5V.

Figura 32. Características vi para valores de VGS de 4V, 5V y 6V. Variaciones en el voltaje VGS, producen variaciones en el punto de operación (Vgs e Ids).

Actividad. Ahora dibuje el siguiente circuito.

Realice la simulación del circuito de la siguiente manera.

Con esta simulación podemos observar que la variación de Vgs produce una variación en el punto Q. En este caso, el voltaje VQ está centrado en 8V, que es el voltaje Q en CD, y varía por encima y por debajo de este punto, acorde a las variaciones de VGS. Otro punto a observar es que cuando el voltage VGS aumenta, el voltaje VQ disminuye. Por está razón se dice que el circuito mostrado es un circuito inversor.

Figura 34. Simulación del circuito y señales de entrada y salida correspondientes.

Repita la simulación cambiando la resistencia R1 a un valor de 2K.

Se puede observar que el punto de operación cambia, ahora está centrado en 6V y varía por encima y por debajo de este valor. En este caso el voltaje y la corriente en el punto de operación tienen una mayor amplitud que en el caso con R1=1K ohm.

Figura 35. Simulación del circuito y señales de entrada y salida correspondientes para una Resistencia de 2K.

Definir el punto de operación es muy importante cuando se trabaja con amplificadores, ya que una mala ubicación de éste, podría producir distorsiones en la señal de salida.

Repita la simulación, cambiando VGS a 1V y R1=2K ohms.

Figura 36. Simulación del circuito y señales de entrada y salida correspondientes para un Vgs=1V y una resistencia de 2K.

Actividad. Obtenga la curva de transconductancia de 2 transistores diferentes y comparelas. Utilice un simulador.

Figura 37. Obtener la curva de transconductancia de los circuitos mostrados.

Figura 38.Gráficas de transconductancia de los circuitos mostrados en la figura 37.

Considere ahora el siguiente circuito.

La característica de transferencia del circuito inversor, mostrado previamente, no es lineal aunque el transistor esté operando en la región de corriente constante. Esta característica resulta porque la corriente de drenaje del MOSFET está en relación al cuadrado del voltaje Vgs. Si se sustituye la resistencia del circuito inversor mencionado por un elemento en serie, con una caída de voltaje proporcional a la raíz cuadrada de la corriente que pase a través de él, debido a que la salida del inversor es igual al voltaje VDD, menos la caída de tensión a través del elemento en serie, la característica de este nuevo circuito será lineal.

Figura 39. Linealización de la salida del circuito inversor.

ACTIVIDAD. Simule el siguiente circuito y obtenga su curva característica. Utilice un simulador.

Actividad. Repita la simulación con diferentes relaciones de los transistores MNa y MNb. Transistor con a) Wa=5u Wb=5u; b) Wa=5u Wb=10u y c) Wa=10u Wb=10u compare las curvas de respuesta. Reflexione sobre los resultados obtenidos.

Configuración de seguidor de voltaje.

Un seguidor de voltaje se utiliza como circuito acoplador, tanto en aplicaciones analógicas como digitales. El término acoplador se refiere a la capacidad del circuito para reproducir su voltaje de entrada y entregarlo a la carga con una corriente alta, mientras que la corriente de entrada se mantiene en un valor muy bajo.

Figura 46. Curvas de la señales del voltaje de entrada de entrada y voltaje-corriente de la señal de salida para las diferentes combinaciones de relación W/L del circuito seguidor de voltaje.

Considere el siguiente circuito.

Un amplificador nMOS está totalmente fabricado a partir de transistores MOSFET de canal N, sin resistores. Considere el siguiente circuito, que forma un inversor con un transistor de carga MN2 y se alimenta por una fuente de señal Vin y polarizado por una fuente de compuerta VGG.

Utilice software para simular el circuito y comprobar los resultados.

Realice la simulación del circuito y compruebe los resultados.

Figura 50. Resultados obtenidos de la simulación.

Repita el ejercicio modificando el voltaje Vgs2, manteniendo el resto de los parámetros iguales. Observe y contraste los resultados obtenidos. Pruebe con un voltaje menor y otro mayor al utilizado en el ejercicio anterior. Al mover Vgs2, se modifica el punto de operación del circuito.

Ejercicio. Diseñe un circuito amplificador inversor con ganancia de 15. Utilice una señal de entrada de 0.05VCA @ 1kHz y un VDD de 5V. Simule y compruebe los resultados. Proponga un punto de operación adecuado para tener una señal de salida sin distorsión.

Ejercicio. Diseñe un circuito amplificador inversor con ganancia de 10. Utilice una señal de entrada de 0.02VCA @1kHz, un VDD de 3.3V y voltajes de umbral para los transistores de 0.2V. Simule y compruebe los resultados. Proponga un punto de operación adecuado para tener una señal de salida sin distorsión.

Figura 53. Diagrama del amplificador inversor nMOS.

Ejercicio. Para el diseño anterior con VDD=3.3V, encuentre el rango de voltaje VGG que permite una amplificación sin distorsión para los valores establecidos.

Figura 54. Diagrama del amplificador inversor nMOS.

Espejos de corriente (Current Mirror).

Una fuente de corriente es un dispositivo que es capaz de proveer una corriente constante a pesar de los cambios en la resistencia de los circuitos que alimenta. La polarización de amplificadores MOS de circuito integrado requiere fuentes de corriente constante. Específicamente, una corriente constante se genera y luego se repite en varios lugares del circuito integrado para obtener corrientes de cd de polarización para las diversas etapas del circuito.

En la figura 55 se muestra la topología de un circuito de una fuente simple de corriente constante con transistores MOS. El transistor MN1 es el dispositivo clave en la funcionalidad del circuito. Tiene su drenaje en corto circuito con el gate, por lo que opera en la región de corriente constante. La corriente Id estará dada por la siguiente ecuación.

Esta última relación muestra que la conexión especial entre MN1 y MN2, produce una corriente de salida Io que está relacionada con la corriente de referencia Iref debido a la relación de tamaño de los transistores, es decir, la relación entre Io e Iref está determinada sólo por la geometría de los transistores. En el caso especial de transistores idénticos Io=Iref y el circuito simplemente se duplica o refleja la corriente de referencia en la terminal de salida. Esto ha dado al circuito compuesto de MN1 y MN2 el nombre de Espejo de Corriente.

Amplificador diferencial.

Existe una topología especial de circuitos de dos transistores llamada amplificador diferencial. Este amplificador diferencial se encuentra en muchos circuitos electrónicos, incluyendo amplificadores de baja y alta frecuencia, moduladores analógicos y compuertas lógicas digitales. Casi siempre se utiliza alguna forma de amplificador diferencial como etapa de entrada de un amplificador operacional en circuito integrado. Una etapa de entrada diferencial le da a los amplificadores operacionales una resistencia de entrada muy alta y su capacidad de amplificación diferencial.

Resulta algo complicado diseñar amplificadores de uno o 2 transistores con una ganancia muy grande y polarización estable que no sea sensible a las variaciones de parámetros de los transistores. El amplificador diferencial está bien adecuado para su uso en circuitos integrados. En un entorno de circuito integrado, todos los dispositivos se fabrican de manera simultánea en una base o substrato de semiconductor, esto permite tener dispositivos con parámetros altamente pareados (parametros iguales) con mucha precisión. Estos dispositivos pareados son críticos para poner en práctica con éxito los circuitos de amplificador diferencial.

Topología básica del amplificador diferencial.

Una polarización estable en un amplificador de un solo transistor requiere que se inserte un resistor de retroalimentación o un elemento de alta impedancia entre el nodo común del dispositivo activo y el canal de alimentación o tierra. Sin embargo, estos elementos reducen la ganancia del inversor, limitan la respuesta en pequeña señal del amplificador.

La siguiente topología muestra la base de la configuración del amplificador diferencial. El dispositivo MD1, junto con su elemento en serie o carga, lleva a cabo la función inversora, en tanto que MD2, ejecuta una función de derivación. Un elemento de carga se agrega a MD2, creando un circuito simétrico. La función de derivación en pequeña señal no queda afectada por la presencia de esta segunda carga.

En el circuito mostrado previamente, el transistor MD1 funciona como inversor y MD2 como dispositivo de derivación. Al ser un circuito simétrico, MD2 puede ser el inversor y MD1 el de derivación. En general, se pueden aplicar de manera simultánea señales de entrada a ambos transistores, como se puede ver en la figura anterior. La respuesta del amplificador en este último caso depende en una forma muy especial de la relación entre las dos señales de entrada. Específicamente, un amplificador diferencial correctamente diseñado amplificará la diferencia entre sus señales de entrada en un factor grande de ganancia y el componente promedio de sus señales de entrada por un factor de ganancia mucho más pequeño.

Si el comportamiento en pequeña señal del amplificador es lineal, su respuesta a dos entradas simultáneas puede ser encontrada mediante superposición. Específicamente, la salida neta de la señal consistirá en la suma del componente diferencial de las señales de entrada multiplicada por la ganancia diferencial y el componente común de las señales de entrada, multiplicada por la ganancia común.

Los circuitos de polarización que utilizan resistencias no son apropiados para circuitos que se fabrican con tecnología de circuitos integrados. En el diseño con tecnología MOS de circuitos integrados, no se recomienda el uso de resistencias, ya que ocupan mucho espacio dentro del chip, y eso se considera “costoso” en términos de economía de fabricación de circuitos integrados. Por otro lado, los resistores suelen presentar grandes desviaciones en sus parámetros, a diferencia de los transistores, que ocupan mucho menos espacio y sus parámetros están más controlados. Entonces, en términos generales, la filosofía a seguir es utilizar resistores lo menos posible y utilizar transistores que realicen una amplia variedad de funciones necesarias en el diseño de circuitos electrónicos.

Amplificador diferencial nMOS.

En este caso, el circuito está elaborado únicamente con transistores nMOS, tanto la parte de la entrada, como las secciones de carga. El circuito mostrado en la siguiente figura es el típico de los que se encuentran en los circuitos amplificadores operacionales de circuito integrado, donde los resistores prácticamente no se utilizan, a excepción de aplicaciones muy particulares.

Los voltajes y las corrientes de polarización en el circuito previo se originan en la rama de referencia y en el espejo de corriente formados por MNRef, MN5, MN6 y MN7. El espejo de corriente MOSFET ajusta los voltajes de nodo a valores de polarización independientes de parámetros. Esta capacidad depende de la disponibilidad de dispositivos pareados con el mismo valor de voltaje de umbral. Estos dispositivos están disponibles en un circuito integrado, donde todos los transistores tienen procesos idénticos de fabricación. Los substratos de los MOSFET están conectados a VSS (tierra), que es el punto más negativo del circuito. Este sistema de conexión es típico de circuitos NMOS fabricados en una oblea de circuito integrado. Debido a esta conexión a tierra, todos los transistores, excepto MN7 y MN5, su potencial de fuente es diferente a su potencial de substrato, ya que la fuente de los transistores está conectada a un punto de potencial diferente a tierra, excepto MN7 y MN5, como se mencionó previamente. Esta diferencia de potencial entre source y substrato de cada transistor se le denomina efecto cuerpo (Body effect) y afecta el voltaje de umbral del dispositivo.

El efecto cuerpo afecta los niveles de corriente, pero sólo causa pequeños cambios en los voltajes de los nodos del circuito. Como el proceso de polarización se basa en fijar los voltajes de los nodos y no las corrientes, por el momento se ignorará el efecto cuerpo y se hará un análisis aproximado del diseño de polarización. Por otro lado, es posible establecer valores relativos del parámetro de transconductancia K al elegir la relación W/L de cada dispositivo previo a la fabricación del circuito integrado. Tal es el trabajo del diseñador del CI. En el circuito mostrado, las relaciones W/L de los transistores de carga MN3 y MN4 se diseñan para que sean exactamente de la mitad del dispositivo de referencia MNref, de manera que K3=K4 =Kref/2.

Resumen. El origen de la condición requerida Kp=Kref/2 puede encontrarse a partir de una consideración de la geometría de los MOSFET MNRef, MN3 y MN4. Si todos los dispositivos tienen la misma longitud L, pero el ancho de los dispositivos de carga es la mitad de los del dispositivo de referencia, entonces K3 y K4 serán la mitad de Kref y los MOSFET cumplirán el requisito de K3,4 = Kref/2. Para fines de polarización MN3 y MN4 pueden pensarse como las mitades en paralelo de un dispositivo ancho 2W, de forma que MN3 y MN4 en paralelo formen un dispositivo similar a MNref.

Si MN3 y MN4 en paralelo tiene la misma corriente de polarización de Mnref, entonces los 3 dispositivos tendrán el mismo Vgs. Cada uno de los dispositivos tiene su compuerta conectada a su drenaje, por lo que Vds=Vgs. En consecuencia, los voltajes Vds3 y Vds4 serán iguales a VdsRef.

Conclusiones. Se han estudiado algunas estructuras básicas de diseño de circuitos analógicos, tales como algunos esquemas de polarización, conceptos de amplificación y amplificadores simples, espejos de corriente y amplificadores diferenciales. Existen aún muchos conceptos por estudiar, parámetros que no han sido tomados en cuenta, como las capacitancias parasíticas que se generan alrededor de las terminales de los dispositivos, entre las terminales y entre las conexiones que unen los dispositivos durante el proceso de fabricación y que afectarán en las aplicaciones de amplificación de señales de alta frecuencia principalmente. Además de una gama muy amplia de circuitos que se utilizan en la resolución de problemas y diseño de aplicaciones en el entorno del uso de los circuitos integrados, tales como convertidores analógico digital ADC y digital analógico DAC, amplificadores operacionales de instrumentación, PLLs, moduladores para comunicaciones inalámbricas e inclusive algunas secciones de memorias RAM dinámicas o DRAM.

Bibliografía.

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