DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA - ELECTRÓNICA II - LABORATORIO 2 - OCTUBRE 2008 1

Análisis de Ampli�cadores Diferenciales y Fuentesde Corriente con Transistores MOSFETLuis Felipe De La Hoz Cubas, María Ilse Dovale Pérez, Danilza Hurtado Martínez

División de IngenieríasUniversidad del Norte

Barranquilla

Abstract�El ampli�cador diferecial se emplea usualmentecomo etapa de entrada en muchos circuitos integrados (CI). Acontinuación se mostrará un detallado análisis de esta con�gu-ración basada en transistores MOSFET, cuando opera en DC yAC, haciendo uso de diferentes tipos de circuitos de polarizaciónbásicos usados para la operación de estos con el �n de comprobary analizar su comportamiento.

I. INTRODUCCION

EL ampli�cador diferencial es una con�guración basadaen transistores la cual es frecuentemente empleada como

etapa de entrada en CI debido que su voltaje de salida esproporcional a la diferencia de voltajes de entrada; presentatambién una ganancia bastante alta y está acoplado en DCa los voltajes de entrada, es por esto que se usa cuando serequieren capacitores para generear acoplamiento en DC.

El ampli�cador diferencial se puede encontrar con�guradocon BJT's o con MOSFET's. En esta oportunidad se trabajócon circuitos basados en MOSFET's cuyo comportamiento esbastante similar al caso BJT con resultados similares tambiénen cuanto a la ganancia diferencial, la ganancia de modocomún y la propiedad de rápida conmutación que sufren lospares diferenciales en análisis de gran señal.

Existen dos razones por las cuales es conveniente usar am-pli�cadores diferenciales: la primera es por su insensibilidadal ruido y a las interferencias, y la segunda es porque éstacon�guración permite polarizar el ampli�cador y conectaretapas de ampli�cadores sin la necesidad de capacitores dederivación y acoplamiento.

Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET son lassiglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,en este caso la compuerta es metálica y está separada delcanal semiconductor por una capa de óxido. Es el transistormás utilizado en la industria microelectrónica. Prácticamentela totalidad de los circuitos integrados de uso comercial estánbasados en transistores MOSFET.

II. ANÁLISIS DE AMPLIFICADORESDIFERENCIALES Y FUENTES DE CORRIENTE CON

TRANSISTORES MOSFETHay dos familias de transistores de efecto de campo: los

JFET y los MOSFET.

MOSFET signi�ca "FET de Metal Oxido Semiconductor"o FET de compuerta aislada, es un arreglo de cientos detransistores integrados en un sustrato de silicio. Cada unoentrega una parte a la corriente total.

Es un dispositivo controlado por tensión, extremadamenteveloz en virtud a la pequeña corriente necesaria para estrangu-lar o liberar el canal. Por esta facultad se los usa ampliamenteen conmutación. Su velocidad permite diseñar etapas congrandes anchos de banda minimizando, así, lo que se denominadistorsión por fase.

La característica constructiva común a todos los tipos detransistor MOS es que el terminal de puerta (G) está for-mado por una estructura de tipo Metal/Óxido/Semiconductor.El óxido es aislante, con lo que la corriente de puerta esprácticamente nula, mucho menor que en los JFET. Por ello,los MOS se emplean para tratar señales de muy baja potencia.

Tiene una versión NPN y otra PNP. El NPN es llamadoMOSFET de canal N y el PNP es llamado MOSFET de canalP, En el MOSFET de canal N la parte "N" está conectado ala fuente (source) y al drenaje (drain).En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la

fuente (source) y al drenaje (drain).

Figura 1: Composición MosFet tipo N y tipo P.

Una delgada capa de material aislante formada de dióxidode silicio (SiO2) es colocada del lado del semiconductor y unacapa de metal es colocada del lado de la compuerta.Los transistores MOSFET se pueden dañar con facilidad y

hay que manipularlos con cuidado. Debido a que la capa deóxido es muy delgada, se puede destruir con facilidad si hayalta tensión o hay electricidad estática.

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El par diferencial básico consta de dos MOSFET de en-riquecimiento acoplados (Q1 y Q2), polarizados con unafuente de corriente constante; esta última suele ser una con-�guración de espejo de corriente similar a la utilizada conBJT's. Desde luego se supone que el circuito de carga es talque los dos MOSFET que conforman el par, se encuentranoperando en la región de saturación.A continuación podemosver el esquema del par diferencial MOSFET.

Figura 2: Par Diferencial MOSFET

El MOSFET es frecuentemente usado como ampli�cadorde potencia, y ofrece como ventaja una resistencia de entradaalta, prácticamente in�nita en la compuerta y una corrientede polarización de entrada casi cero, además, produce unexcelente diseño de interruptores.La con�guración de par diferencial o ampli�cador difer-

encial es el bloque de construcción de uso más amplio enel diseño de CI analógicos, la etapa de entrada de cadaampli�cador operacional es un apli�cador diferencial.

Existen dos razones fundamentales por las cuales se pre-�eren los ampli�cadores diferenciales sobre los de un sóloextremo: son insensibles a la interferencia y no necesitancapacitores de paso y acoplamiento.

III. PROCEDIMIENTO

Los circuitos montados para el análisis de las propiedadesde los ampli�cadores diferenciales y fuentes de corriente conMOSFET fueron los siguientes:

A. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL CON MOSFET UTI-LIZANDO RESISTENCIA DE POLARIZACIÓN

En el siguiente esquema se muestra un par diferencial abase de MOSFET, en este caso se tuvieron muy en cuenta elacople de resistencias y los transistores usados..

Figura 3: Ampli�cador diferencial con MOSFET utilizandoresistencia de polarización.

Como bien se puede observar este diagrama esquemáticomuestra un par diferencial con una resistencia Rx en el emisor,en este caso esta resistencia tuvo un valor de 15k y tiene lafunción de ampliar inducir una corriente de polarizacón, paraque el circuito trabaje de manera óptima.Se polarizó el circuito con un voltaje de Vcc = 15V y Vee =

�15V:

Se conectaron primeramente las entradas a tierra y serealizaron las mediciones correspondientes de las corrientesy los voltajes en los nodos y ramas del circuito se observóque como bien en la teoría es constatado la corriente pro-ducida por Rx junto con �Vee se divide equitativamente entreambos transistores siempre y cuando V 1 y V 2 se mantenganiguales. Cabe destacar que los resultados no fueron tan exactosdebido a las imperfecciones entre ambos transistores, como ladiferencia entre sus áreas, esto provoca imperfecciones DC lascuales se hablará de estas un poco más adelante.

En el momento que los voltajes V 1 y V 2 di�eren entre si elcomportamiento del par diferencial cambia, produciendo quela corriente se valla sólo por un ramal si no se tiene cuidadode la diferencia entre estos voltajes.Se aplicaron también voltajes de DC en cada una de las

entradas de los transistores, los cuales son mostrados en lasiguiente tabla

Tabla 1: Mediciones de voltaje ampli�cador diferencial conresistencia de polarizacion.

En la tabla podemos ver los voltajes que se consider-aron importantes en el estudio de un par diferencial con laimplementación de transistores de efecto de campo MOS,pero lamentablemente por las diferencias en el área de lostransistores los voltajes observados y las corrientes halladas,no concordaron con lo que se esperaba, los valores de cor-rientes se pueden calcular por medio de los voltajes, es

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equívoco calcular las corrientes con el multímetro, ya que estascorrientes circulan en el orden de los �A por lo que es factiblecalcular las corrientes de Drain y de Source con la ayuda de losvoltajes en las resistencias Rd1 y Rd2 y como se sabe quelas corrientes de Drain y Source son iguales, entonces conhallar la corriente de Drain estaríamos hallando la de Sourcetambién.

Aun cuando los voltajes se realizaron numerosas veces, losresultados fueron siempre diferentes, y así mismo ocurrió enlas tablas siguientes, en donde se evidencio la di�cultad dela implementación del par diferencial, idea que ya se habíamanejado en clase, pero que se con�rmo en el laboratorio,en donde la paciencia y el análisis fueron claves para obtenerconclusiones de la prueba realizada.

Luego de esto se ajustó una señal senoidal de 20mVpico pico de amplitud con un nivel de offset nulo y unafrecuencia de 500Hz, haciendo uso de un divisor de tensióncon resistencias de 100 y 10k.Esta señal fue aplicada a cada uno de las entradas de

los dispositivos mientras que el otro era conectado a tierrasimultáneamente , luego se realizaron las mediciones en lassalidas.Como bien sabemos este tipo de diseño produce que uno

de los transistores esté en modo de saturación mientras que elotro se encuentra apagado.Finalmente se aplican las señales en ambas entradas si-

multáneamente lo que como es de saberse produce que ambostransistores trabajen en modo de saturación.

B. ESTUDIO DE UN ESPEJO DE CORRIENTE CON MOS-FETEl diagrama esquemático que aparece a continuación es el

llamado Espejo de Corriente con MOSFET, para su análisisse hicieron los siguientes pasos:Se polarizó el circuito tal cual como se hizo con el par

diferencial del diseño anterior, la idea de este circuito es queinduzca más adelante la misma corriente de polarización enel circuito de par diferencial con resistencia de polarización,cuando ambas entradas del ampli�cador se encuentran conec-tadas a tierra.

Figura 4: Espejo de corriente con MOSFET

Se ajustó entonces el voltaje DC igual al que se conecta lafuente de corriente al unirlo con el ampli�cador diferencialpero esta vez con resistencias en la fuente, para esto sedebe tener en cuenta el voltaje del nodo Vx cuando ambasentradas se encuentran conectadas a tierra en la Figura 3,eldiagrama esquemático resultante se puede ver en la Figura 5a continuación.

Se ajusta entonces con un potenciómetro la resistenciaR1, pero se produce un desajuste de corriente debido a losvoltajes y corrientes de offset, para esto se ajusta entonces laresistencia de potenciómetro hasta obtener el valor requeridode la corriente de polarización igual a la del ejercicio anterior.

C. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL CON MOSFET UTI-LIZANDO FUENTE DE CORRIENTEComo ya se ha mencionado anteriormente, el circuito

mostrado a continuación no es más que la unión de losejercicios anteriores, añadiendole a las fuentes en este casoresistencias con el �n de ampliar el rango de operación linealde esta con�guración.Se debe veri�car primero que las condiciones de polar-

ización mencionadas anteriormente se mantengan como debenestar, posteriormente se ajusta al igual que en el primerejercicio una señal senoidal de 20mV pico pico, pero debidoa las resistencias en las fuentes se requiere aumentar de formaconsiderable la amplitud de esta señal.

Figura 5: Ampli�cador diferencial con MOSFET utilizandofuente de corriente

Esta con�guración es bastante interesante ya que propor-ciona una gran ventaja al implementarse en circuitos integra-dos, ya que colocar una resistencia Rx como la que teníamosen el ejercicio uno es muy indeseable por que estas tienenun área bastante grande comparada con los CI, además alimplementar una fuente de corriente como la que se muestra

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en la �gura 5 el diseño se vuelve menos suceptible a cambiosde temperatura y voltajes.

Se implementó un par diferencial con una fuente de espejo,pero lamentablemente los resultados no fueron los esperados,ya que con respecto a la entrada de modo común resultaronvoltajes y condiciones inesperadas, con voltajes promedio de7.7V y 8.3V, y no se vió un desfase en la onda seno de salida,esto pudo darse por fallas en la fuente de corriente espejo,la cual no se comportó de la manera esperada, ya que estamostraba corrientes diferentes en la corriente de referencia yen la corriente de espejo, lo cual se le atribuye principalmentea el problema de las áreas de los transistores, que no seencuentran acoplados. siguiente �gura se puede observar lagrá�ca de los voltajes de colector confrontados.

IV. CONCLUSIONESThe differential-pair or differential-ampli�er con�guration

is the most widely con�guration used as a building blockin analog IC desing. The input stage of any op amp isa differential ampli�er, this con�guration is prefer for tworeasons in fact: The differential ampli�ers are insensitive tointerference and they also don't need bypass and couplingcapacitors.

With the two input terminals connected to a suitable dc volt-age VCM the bias current of a perfectly symetrical diferentialpair is divides in a equal way between the two transistors ofthe pair, resulting in a zero voltage difference between the twodrains, in the other hand if you want to control completely thecurrent to one side of the pair, a difference input voltage vidof at least

p2VOV is needed.

When there is no coincedence between the sides of adifferential pair VO results, this is a output differential voltage, even if the two input terminals are together and connectedto a dc voltage VCM . This gives as a result an offset voltagein the input VOS =

VOAd

.

In this case, we're working with MOS pair, then there are3 main sources for VOS:

�RD =) VOS =VOV2

�RDRD

�(W=L) =) VOS =VOV2

�(W=L)

(W=L)

�Vt =) VOS = �Vt

The construction of the devices is not totally perfect, thisoriginates a �ight current that makes the current is not dividedin a same way among the two MOSFET's, also de resistancesdoesn't have the same value, this cause imperfections at themoment of medition.

It is very important to know why the resistance of thesources were placed in the differential ampli�er when themirror was implemented: the reason is that these resistanceextend the linear range of operation and makes the circuit lesssusceptible because is not probable that one of the transistorsfall in the court region.

To work with mirror currents is very dif�cult in fact, that'swhy is easier work with IC, because with this con�gurationthe beta and the size of the transistor relationship can be easilycontrolled.

V. BIBLIOGRAFIA[1]SEDRA, Adel; SMITH, Kenneth. Microelectronic Cir-

cuits. 4a Ed. Oxford Unversity Press. New York, 1998. 1359p.[2]RASHID, Muhammad. Microelectronic Circuits: Analy-

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