Tema 4 CIRCUITOS AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA · PDF fileUtilizar fuentes de corriente...

Tema 4

CIRCUITOS AMPLIFICADORES DE PEQUEÑA SEÑAL

ENTRADA SIMPLE

Tema 4: Nociones generales

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Estructuras ideales

CLASIFICACIÓN Salida Corriente Salida Tensión

Entrada Corriente A. de Corriente Transrresistor

Entrada Tensión Transconductor A. de Tensión


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Definición de parámetros

● Ganancia en tensión, AV

● Ganancia en corriente, AI

● Impedancia de entrada, ZIN

● Impedancia de salida, ZOUT

AV =V OUT

V I N

AI=IOUT

I I N

Z I N =V I N

I I NZOUT=(V OUT

IOUT)Thevenin

DEPENDENCIA RESPECTO A LA FRECUENCIA


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Objetivos

TRANSRESISTOR

ZOUT →0

A. DE TENSIÓN A. DE CORRIENTE

TRANSCONDUCTOR

Z I N →∞AV →∞ ZOUT →∞Z I N →0AI →∞

ZOUT →0Z I N →0AV →∞ ZOUT →∞Z I N →∞AI →∞

SIN EMBARGO, QUIZÁS CADA DISEÑADOR IMPONGA SUS CRITERIOS


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Relaciones entre parámetros

AVS=V OUT

V S

AVS=AV ·Z I N

Z I N+ RS

Ganancia respecto fuente

AV =A I ·Z L

Z I NGM =

I O

V I N

=AV

Z L

=AI

Z I N

V O

I I N

=Z L · A I=AV

Z I N

RELACIONES ÚTILES PARA AGILIZAR CÁLCULOS

Tema 4: Acoplamiento

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Acoplo de señales

Elementos en negro...

● Fijan el punto de operación

SOLUCIONES...

● USO DE CAPACIDADES DE DESACOPLO (CASO DE ELEMENTOS DISCRETOS)

● SELECCIÓN CUIDADOSA PUNTO OPERACIÓN (CASO DE LOS ICs)

Elementos en rojo...

● Introducen la señal que amplificar

¡PERO ALTERAN EL PUNTO DE OPERACIÓN!

Tema 4: Acoplamiento

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Acoplo de señales

Función de los condensadores...

● C1 y C

2: En serie con otros, BLOQUEO para señales DC

● C3: En paralelo con otros, PASO para señales AC

● C4: Estabiliza la fuente, DESACOPLO

A frecuencia elevada, los condensadores son cortocircuitos.

Acoplo de señalesAcoplo de señales

Tema 4: Topologías comunes

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Notas

● Punto de operación fijado por red con degeneración de emisor● A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos

→ ¡RE desaparece!

Emisor Común


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De manera inmediata, surge el valor de ZIN

:

Emisor Común (pequeña señal)

Z I N =v I N

i I N=hie / /R1/ /R2

vOUT=−h fe ·i b · hoe−1

/ /RC / / RL=−h fe·v i n

Z i n

·(hoe−1

/ /RC / / RL )

→ AV =vOUT

v I N

=−h fe ·(hoe

−1/ /RC / / RL)

hie

→−h fe ·(hoe

−1/ /RC )

hie

→ A I=iOUT

i I N

=AV ·Z i n

Z LZOUT=(RC / /hoe

−1)

si RL →∞


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Emisor Común (Baja frecuencia)

APARECEN CEROS EN S=0 Y EL MISMO NÚMERO DE POLOSAl llegar a una frecuencia determinada, la ganancia es constante

Grosso modo, las condiciones de trabajo...

∣1

s ·C B

∣≪RS , Z I N ∣1

s ·C E

∣≪RE ∣1

s ·C L

∣≪RL , ZO


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Emisor Común (Alta frecuencia)

Teorema de Miller (Aproximado...)

APARECEN POLOS Y CEROS EN AMBAS ETAPAS


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Emisor Común (Alta frecuencia)

Z I NHF =

v I N

i I N=(hie / / R1 / / R2 / / 1

s ·(Cπ+ ( 1+ AV , DC ) ·Cμ ))

AVHF=

vout

vi ,n

=−h fe ·(hoe

−1/ / RC / / RL / /

1s ·Cμ

)

hie

AIHF

=iout

ii ,n

=AVHF ·

Z i nHF

Z L

ZOUTHF

=(RC / / hoe−1

/ /1

s ·Cμ

)


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Emisor Común: Influencia del punto de operación

● ZIN

: Aumenta cuanto menor sea la corriente de base (y colector) y mayor R1//R

2

No es contradictorio

● AV: Aumenta con el valor de R

C y, generalmente, aumenta con la corriente de

colector (hie predomina sobre h

oe)

Depende de la resistencia de carga RL salvo si R

L >> (R

C // h

oe-1)

● AI: Dependencia fuerte con Z

L.

● ZOUT

: Disminuye con RC

y si aumenta IC.

COMO BUSCAMOS VALORES ALTOS DE ZIN

Y AV Y BAJOS DE Z

OUT...

¡HAY QUE LLEGAR A UN COMPROMISO!


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Notas

● Punto de operación fijado por red con degeneración de fuente● Modelos en pequeña señal similares para ambos.

→ No hay efecto sustrato en el JFET

Fuente Común


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Fuente Común (pequeña señal)

Z I N =v I N

i I N=(R1 / / R2)

AV =vOUT

v I N

=−gm ·(RD / / gO−1 / / RL)=−√2 ·K N ·

WL

·√ I DS ·λ · I DS

1+ λ · I DS · (RD−1

+ RL−1 )

AI=iOUT

i I N

=AV ·Z I N

RL

ZOUT=(RD / / gO−1)

→ AV =−g m·(RD / / g O−1)=−√2 ·K N ·

WL

·√ I DS ·λ · I DS

1+ λ · RD−1 · I DS

si RL →∞


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Fuente Común (Alta frecuencia)

Teorema de Miller (Aproximado...)

APARECEN POLOS Y CEROS EN AMBAS ETAPAS


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Fuente Común: Influencia del punto de operación

● ZIN

: Aumenta cuanto mayor R1//R

2

¡Cuidado con el ruido térmico!

● AV: Aumenta con el valor del la corriente de drenador y con R

D

Depende de la resistencia de carga RL salvo si R

L >> (R

D // g

o-1)

● AI: Dependencia fuerte con Z

L.

● ZOUT

: Disminuye con RD

y si aumenta IDS

por la influencia en gO.

Todo mejora si aumenta IDS

pero...

¡EL CONSUMO SE VE AFECTADO!


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Notas

● Similar a Emisor común pero sin CE.

Emisor degenerado


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Degeneración de emisor (pequeña señal)

Z I N =h ie+ (βF+ 1 ) · RE ·( hoe−1+ R'C ·(βF+ 1)−1

h oe−1+ R'C+ R E

)

AI≈h fe

h ie

·1

1+ RE ·h fe

hie

· Z I N

R 'C=(RC / / RL )

AV ≈h fe

hie

·1

1+ RE ·h fe

hie

· R 'C


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Degeneración de emisor

● Aumenta considerablemente la impedancia de entrada

● Disminución de la ganancia (Corriente y Tensión)

Degeneración de fuente con FET

● Conclusiones similares a BJT

● Aparición de efecto substrato en MOS


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Notas

● Punto de operación fijado por red con degeneración de emisor● Se puede polarizar la base con una fuente constante● A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos

→ ¡R1 y R

2 desaparecen!

Base Común


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Base Común (pequeña señal)

Z I N =v I N

i I N

=(RE / / hib)=(RE / /h ie

1+ h fe

)=(RE / /N ·V T

I E

)

AV=−h fb

h ib

· Z X =h fe

hie

· Z X≈IC

N ·V T

· Z X

Z X =(RC / / RL / / hob−1)

AI=Z I N

RL

· AV=Z I N ·I C

N ·V T

·Z X

RL

Si RL << R

C, h

ob-1 y h

ib << R

E, entonces A

I → 1

ZOUT=(RC / / hob−1

)¡SEGUIDOR DE CORRIENTE!

hob−1

=(1+ h fe ) ·V AF

I C


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Base Común (Alta frecuencia)

Aparecen dos nuevas capacidades, que pueden ser incluidas en hib y h

ob para

calcular los distintos parámetros.

INNECESARIO EL TEOREMA DE MILLER


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Notas

● Punto de operación fijado por red con degeneración de fuente● Se puede polarizar la puerta directamente con una fuente constante● Aparece el efecto sustrato● A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos

→ ¡R1 y R

2 desaparecen!

Puerta Común


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Puerta Común (pequeña señal)

Z I N =A I

AV

· RL

AV =gO+ gm+ g nb

gO+1RD

+1RL

Si RL << R

D

ZOUT≈RD

¡SEGUIDOR DE CORRIENTE!

● La tensión de puerta es nula.● La fuente del MOS es la entrada

AI=RD

RD+ RL

AI≈1 AV=gO+ g m+ gnb

gO+1

RD

Z I N =RL

AV

ZOUT≈RD


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Puerta Común (Alta frecuencia)

● Dos capacidades principales● C

GD puede combinarse con R

D

● CGS

se combina con RA por Thévenin e introduce

un polo por desvío de corriente.


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Notas

● Punto de operación fijado por red con degeneración de emisor● La resistencia de carga puede ser la propia resistencia de emisor● A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos

→ El colector se une directamente a tierra.

Colector Común (o Seguidor de emisor)


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Colector Común (pequeña señal)

Z I N−1

=i I N

v I N

=RB−1

+ hic−1 · (1−AV )≈RB

−1+ hic

−1 ·N ·V T

RP · I E

≈RB−1

+ (RP ·(h fe+ 1))−1

→ Z I N≈RB

AV =1

hrc−hic

h fc ·RP

≈1

1+h ie

RP ·(1+ h fe)

=1

1+N ·V T

RP · I E

≈1

RP=(RE / / RL / / hoc−1)

AI=Z I N

RL

· AV≈RB

RL

¡SEGUIDOR DE TENSION!

RB=(R1 / / R2)

vec=vOUT


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Colector Común (alta frecuencia)

Las capacidades se integrarían en RB

Teorema de Miller, con K = A

V,DC


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Notas

● Punto de operación fijado por red con degeneración de fuente● La resistencia de carga puede ser la propia resistencia de fuente● A frecuencias medias, los condensadores son cortocircuitos

→ El drenador se une directamente a tierra.

Drenador Común (o Seguidor de fuente)


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Drenador Común (pequeña señal)

Z I N =RG

AV =g m

g m+ g mb+ g O+ RP−1≈

gm

gm+ g mb

=1

1+gm

g mb

RP=(RS / / RL)

AI=Z I N

RL

· AV=RG

RL

·1

1+gm

g mb

SEGUIDOR DE TENSION, PEOR QUE BJT

RG=(R1 / / R2)

v I N=vG

vOUT=vS

El cociente gm/g

mb vale 0.1-0.3 en

transistores reales.

ZOUT=(RS / / gO−1

/ / g−1m / / g mb−1

)

Tema 4: Fuentes de corriente

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Problema

Muchos parámetros mejoran con valores elevados de RC, R

E, R

D, R

S...

Sin embargo, su uso fuerza el uso de valores de corriente menores.

Solución

Utilizar fuentes de corriente para polarizar los circuitos

● Fijan el valor de la corriente de polarización

● En pequeña señal, equivalen a una resistencia muy elevada

ALGUNOS EJEMPLOS...

Tema 4: Fuentes de Corriente

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Ejemplos con BJTs

SOLUCION SIMILAR PARA CMOSUSAR CASCODE O WIDLAR

Degeneración emisor

Base Común

Seguidor de emisor

Tema 4: Amplificadores CMOS

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Polivalencia de los MOSFET

Los MOSFET pueden ser considerados como resistencias no lineales o fuentes.

Ejemplo de amplificadores inversores

PUEDE PRESCINDIRSE DE LAS RESISTENCIAS

Tema 4: Varios Transistores

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Configuraciones típicas BJT: Par CC-CE (Colector común, emisor común)

Se busca una mejor amplificación. Suponemos sin acoplo capacitivo y polarizado con fuente de corriente como en muchos amplificadores operacionales.

Notas

● La resistencia RX es opcional para polarizar Q1. Puede

usarse una fuente de corriente.

● IQ puede reemplazarse por una simple resistencia.

● Se supone alimentación bipolar. VEE

puede reemplazarse por tierra.

● La tensión de entrada se sitúa en torno a -VEE

+ 2·V para evitar que los transistores no dejen la ZAD.


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Configuraciones típicas BJT: Par CC-CE (Pequeña señal)

Se combinan ambos modelos de transistor en pequeña señal.

INVIERTE LA SEÑAL

RP1=(hoc1−1 / / hie2)

RP2=(hoe2−1 / / RQ)

Z I N =h ic1−h fc1 · RP1· hrc1≈hie1+ (1+ h fe1)· RP1

AV =h fe2 · h fc1

RP2 ·RP1

hie2 · Z I N

=−h fe2·(1+ h fe1) ·RP2 · RP1

h ie2· Z I N

Muy elevada

ZOUT=(hoe2−1

/ / RQ)


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Configuraciones típicas BJT: Par CC-CE (Pequeña señal)

Algunas simplificaciones...

Mejor amplificador de corriente o igual de tensión con mayor impedancia de entrada

RP1−1

=hoc1+ h ie2−1

=I C1

V AF1

+I B2

N ·V T

≈ I B2 · (V AF1−1

+ (N ·V T )−1 )≈

I B2

N ·V T

≈h ie2−1

RP2−1

=hoe2+ RQ−1

≈hoe2=IC2

V AF2

AV =−h fe2 ·(1+ h fe1)·RP2 · RP1

hie2 · Z I N

≈−h fe2· (1+ h fe1) ·hoe2

Z I N

≈−h fe2 ·(1+ h fe1) ·hoe2

h ie1+ (1+ h fe1) · hie2

≈−12

h fe2·hoe2

h ie2

¡Más baja (~0.5) que una única etapa con misma fuente de corriente!

Sin embargo, al conectar una hipotética carga RL...

AI=Z I N

RL

· AV Aumento espectacular por la impedancia de entrada


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Configuraciones típicas BJT: Par Darlington

Mismas condiciones que en el caso anterior, los colectores se unen.

Notas

● La resistencia RX es opcional para polarizar Q1.

Puede usarse una fuente de corriente.

● Se supone alimentación bipolar. -VEE

puede reemplazarse por tierra.

● La tensión de entrada se sitúa en torno a -VEE

+ 2·V

para evitar que los transistores no dejen la ZAD.


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Configuraciones típicas BJT: Par Darlington (Pequeña señal)

Modelo de emisor común

Reordenamos...

● Ecuaciones muy complejas● Básicamente, es un transistor con ganancia (1 + h

fe)2 utilizable en todas las

configuración de un solo transistor.● Comparado con CC-CE

● Menor ancho de banda → Problema● Menor impedancia de salida → Mejora (Etapas de salida)


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Configuraciones típicas BJT: Par Cascode

Útil cuando la carga se pone en serie con el amplificador

UTILIZADA DESDE LOS TIEMPOS DE LAS VÁLVULAS DE VACÍO

Notas

● Tensión de polarización independiente, VB.

● Se busca crear un transconductor con alta impedancia de salida.

● Usado para atacar cargas pequeñas

● El valor DC de VIN

fija el punto de operación.


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Configuraciones típicas BJT: Par Cascode (pequeña señal)

Un transistor en emisor común y otro en base común

Z I N =h ie1≈N ·V T

I OZOUT=hob2

−1=( hoe2

1+ h fe2)−1

=(1+ h fe2 )V AF2

I O

AV =h fe1 · h fb2 ·RP1 ·RP2

hie1 · hib2

≈−h fe1 ·h fe2

1+ h fe2

·RP2

hie1

RP1−1=hoe1+ h ib2

−1≈hib2−1

RP2−1=hob2+ RL

−1

AI=AV ·Z I N

RL

≈−h fe1 ·h fe2

1+ h fe2

·RP2

RL


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Configuraciones típicas BJT: Par Cascode (Aproximaciones)

Z I N =h ie1

ZOUT=hob2

RP1−1=hoe1+ h ib2

−1≈hib2−1

RP2−1=hob2+ RL

−1

AI=AV ·Z I N

RL

≈−h fe1 ·h fe2

1+ h fe2

·RP2

RL

≈−h fe1

Si RL≪hob2=(1+ h fe2 ) ·V AF2

IQ

→RP2≈RL


hie1 · hib2

≈−h fe1 ·h fe2

1+ h fe2

·RP2

hie1

≈−h fe1 ·RL

h ie1

≈I Q

N ·V T

· RL


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Configuraciones típicas BJT: Par Cascode (Versión 2)

Utilizada en circuitos integrados

OTRA VERSIÓN MUY POPULAR EN CIRCUITOS INTEGRADOS

Notas


● Se busca crear un TRANSCONDUCTOR con ALTA impedancia de salida.

● El punto de operación viene fijado por la fuente de corriente I

Q.


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Configuraciones típicas BJT: Par Cascode 2 (pequeña señal)

Un transistor en emisor común y otro en base común

Z I N =h ie1≈N ·V T

I QZOUT=hob2

−1=( hoe2

1+ h fe2)−1

=(1+ h fe2 )V AF2

I Q


hie1 · hib2

≈−h fe1 · h fe2

1+ h fe2

·RP2

h ie1

RP1−1=hoe1+ h ib2

−1≈hib2−1

RP2−1=hob2+ RQ

−1+ RL−1

AI≈−h fe1 ·h fe2

1+ h fe2

·RP2

RL

≈−h fe1

RESULTADOS SIMILARES AL ANTERIOR SALVO RQ


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Configuraciones típicas CMOS: Configuraciones CD-CS y Darlington

Ambas configuraciones buscan incrementar la impedancia de entrada...

CON POCA UTILIDAD PRÁCTICA: ZIN

→ ∞ EN TECNOLOGÍAS CMOS

Drenador común – Fuente común Darlington


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Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode

Uso similar al equivalente BJT.

UTILIZADO EN LA CREACIÓN DE ICs (AMP. TELESCÓPICOS)

Notas


● Se busca crear un TRANSCONDUCTOR con ALTA impedancia de salida.

● El punto de operación viene fijado por la fuente de corriente I

Q.

● Pueden añadirse más y más cascodes.


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Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode (Pequeña señal)

UTILIZADO EN LA CREACIÓN DE ICs (AMP. TELESCÓPICOS)

Notas

● VG1

= VIN

→ vGS1

= vIN

● V

G2 = V

B → v

G2 = 0 → v

GS2 = -v

A

● vBS2

= -vA

AV =−g m1

gO1

·1+ gO2

−1 ·K

1+ G P· (g O1−1+ g O2

−1+ K · gO1−1 · gO2

−1 )

K=g m2+ g mb2 GP=RQ−1+ RL

−1


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Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode (Impedancia salida)

INCREMENTO ESPECTACULAR DE LA RESISTENCIA

1Z OUT

=1RQ

+gO1 · g O2

g O1+ gO2+ gm2+ g mb2

Equivalente en pequeña señal, simplificado y puesto como equivalente Thévenin.

En general, RQ es muy grande

ZOUT=gO1−1+ gO2

−1+ g O1−1 · gO2

−1 · ( gm2+ gmb2 )

→ AV =−gm1

gO1

·1+ gO2

−1 ·K

1+ GP ·Z OUT

→Gm=iOUT

v I N

=AV

RL

≈−g m1

gO1

·1+ g O2

−1· K

Z OUT


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Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Activo

Un amplificador operacional aísla el transistor 1 de la carga.

Recordemos que AD, en un Op Amp, es del orden de 104-106

Funciona como un cascode normal pero la tensión drenador-fuente del 1 permanece constante.


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Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Activo (pequeña señal)

(V B1=V S1=0VV G1=V I N

)→(vGS1=v I N

v BS1=0 ) (V S2=V D1

V B2=0VV G2=AD · (V B−V D1 )V I N

)→(vGS2=−AD· v D1

vBS2=−v D1)

Notas


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Configuraciones típicas CMOS: Configuración Cascode Activo (pequeña señal)

NotasSe obtienen los mismos

resultados que en cascode normal ya que solo hay que reemplazar g

m2 por A

D·g

m2

ZOUT=gO1−1

+ gO2−1

+ g O1−1 · gO2

−1 · ( AD · g m2+ gmb2 )

→ AV =−gm1

gO1

·1+ gO2

−1 ·K

1+ GP ·Z OUT

→Gm=iOUT

v I N

=AV

RL

≈−g m1

gO1

·1+ g O2

−1· K

Z OUT

K=AD · gm2+ g mb2

Aumento espectacular de la resistencia de salida.

La transconductancia no mejora sensiblemente

¡Vigilar frecuencia de trabajo!

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