Microelettronica in 12 puntate – 5: stadi di amplificazione con sistemi MOS

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La preponderanza di amplificatori lineari realizzati in tecnologia MOSFET comprende interconnessioni in 3 principali configurazioni: common source, common drain e common gate. In un amplificatore a source comune, per esempio, il segnale di ingresso è il segnale applicato al gate, a sua volta estratto dal drain come corrente o tensione rispetto a massa.

Fig. 1 – Caratteristiche a confronto dei principali stadi di amplificazione MOS

Poiché l’ingresso in uno stadio a source common è il terminale di gate che non conduce praticamente nessuna corrente o comunque valori estremamente bassi, la sua resistenza di ingresso è molto alta. Lo stage common source favorisce il funzionamento come transconduttore e si adatta perfettamente anche come un amplificatore di tensione.

Ciò significa semplicemente che a causa della sua alta resistenza d’uscita, il guadagno di tensione, che è il rapporto di tensione del segnale di uscita e quello di ingresso, dipende dalla resistenza di carico di terminazione. Questa dipendenza dalla resistenza di carico ne limita l’utilità come amplificatore generico di tensione. In un amplificatore a drain comune o source follower, si applica il segnale di ingresso in tensione rispetto a massa sul terminale di gate del MOSFET.

Fig. 2 – Esempio di Amplificatore MOS common source (base)

La principale applicazione che ne consegue è quella di un buffer, perché la sua resistenza di ingresso è estremamente alta, mentre la sua resistenza di uscita è ragionevolmente bassa. A differenza di un buffer di tensione ideale, un source follower MOSFET fornisce un guadagno che è sempre minore di uno. Sebbene la common source è capace di notevoli guadagni di potenza del segnale, il guadagno di tensione inferiore all’unità ne limita la sua utilità in applicazione di piccolo segnale.

Ad esempio, l’amplificatore a drain comune serve come veicolo broadbanding interstadio quando un amplificatore si confronta con un carico fortemente capacitivo, che in effetti si comporta come una piccola impedenza ad alte frequenze di segnale. La porta di ingresso di un amplificatore a gate comune presenta una relativa piccola resistenza di ingresso e si applica il segnale di ingresso in corrente.

La risposta di uscita alla corrente di ingresso applicata è sensibilmente estratta come una corrente di segnale. Il guadagno, generalmente vicino a uno, non mostra alcuna inversione di fase. Questo guadagno è sempre inferiore all’unità. In effetti, si può rappresentare l’amplificatore common gate come il duale dell’inseguitore di source o source follower (Fig. 1).

Fig. 3 – Circuito a piccolo segnale (common source)

Common Source

Un amplificatore common source è una topologia tipicamente utilizzata come un amplificatore di tensione o di transconduttanza. Come amplificatore a transconduttanza, la tensione di ingresso è vista come una modulazione della corrente al carico. Come un amplificatore di tensione, invece, la tensione di ingresso modula la quantità di corrente che fluisce attraverso il Mosfet, cambiando la tensione ai capi della resistenza di uscita secondo la legge di Ohm.

Tuttavia, la resistenza di uscita del dispositivo non è sufficientemente elevata per un amplificatore a transconduttanza ragionevole (idealmente infinita), né abbastanza basso per un amplificatore di tensione discreto (idealmente zero).

Fig. 4 – Circuito a piccolo segnale (common source) con Miller

Un altro grave inconveniente è la limitata risposta ad alta frequenza dell’amplificatore. Pertanto, l’uscita viene spesso instradata attraverso sia un inseguitore di tensione (a drain comune o stadio CD), oppure un current follower (gate comune, CG) per ottenere le caratteristiche di uscita e frequenza più favorevoli. La combinazione CS-CG è chiamata un amplificatore cascode.

La larghezza di banda dell’amplificatore a source comune tende ad essere bassa, a causa della elevata capacità risultante dall’effetto Miller. La capacità di gate-drain è effettivamente moltiplicato per il fattore 1+ | A_v| (A_v è il guadagno in tensione) aumentando così la capacità di ingresso totale e abbassando la larghezza di banda complessiva. La figura 2 mostra un amplificatore MOSFET a source comune con un carico attivo.

Fig. 5 – Esempio di Amplificatore drain common MOS: (a) NMOS – (b) PMOS

La figura 3 mostra il relativo circuito per piccoli segnali quando viene aggiunto un resistore di carico R_L al nodo di uscita. La limitazione della larghezza di banda in questo circuito deriva principalmente dall’accoppiamento della capacità parassita C_gd tra gate e drain e la resistenza serie R_A.

Utilizzando il teorema di Miller, il circuito di figura 3 si trasforma a quella di figura 4, che mostra la capacità C_M di Miller sul lato di ingresso del circuito data dalla seguente espressione:

Il guadagno g_m (r₀ || R_L) può essere determinante nella risposta in frequenza anche per una piccola capacità parassita C_gd e molti “trucchi” circuitali vengono utilizzati per contrastare questo effetto, tra cui quello di aggiungere uno stage a gate comune per fare un circuito cascode.

Fig. 6 – Esempio di Amplificatore drain common MOS (piccolo segnale)

La larghezza di banda (chiamato anche la frequenza 3dB) è la frequenza in cui il segnale scende a 1/√ 2 del suo valore (In decibel, dB (√ 2) = 3,01 dB). Una riduzione di 1/√ 2 si verifica quando ωC_M R_A = 1, con la frequenza 3dB espressa mediante la seguente formula:

Notare che f_3dB diventa grande se la resistenza R_A di source è piccola, così l’amplificazione Miller della capacità ha poco effetto sulla larghezza di banda per piccole R_A.

Fig. 7 – Amplificatore a gate comune

Common Drain

Un amplificatore a drain comune è uno dei tre fondamentali stage di amplificatore, tipicamente utilizzato come buffer di tensione. Lo schema fondamentale di un amplificatore drain comune NMOS, che è anche conosciuto come source follower, è disegnato in figura 5. In questo circuito (NMOS) il terminale di gate del transistor MOS serve come ingresso, il source è l’uscita e il drain è comune ad entrambi (ingresso e uscita), da cui il nome.

Il circuito dello stadio a drain comune, in ambito di piccolo segnale è visualizzato in figura 6. Nell’inseguitore di source, il segnale di ingresso viene applicato al terminale di gate, mentre la risposta di uscita, che è tradizionalmente una tensione di segnale, viene estratta dal terminale di source. A differenza del source comune, il drain common viene raramente utilizzato come amplificatore indipendente.

Invece, è spesso utilizzato in combinazione con un amplificatore a source comune che ha il compito di fornire guadagno per un carico fortemente capacitivo ad alte frequenze di segnale o, più in generale, a qualsiasi carico di bassa impedenza. Come tale, l’inseguitore di source serve come buffer inserito tra la porta di uscita di un amplificatore a source comune e il carico.

Fig. 8 – Amplificatore a gate comune (piccolo segnale)

Common gate

L’ultimo dei tre stadi di amplificazione della tecnologia MOSFET è l’amplificatore a gate comune. Questo tipo di amplificatore (Figg. 7 e 8) è tipicamente utilizzato come buffer di corrente o amplificatore di tensione. In questo circuito il terminale di source serve come ingresso, il drain è l’uscita e il gate è collegato a massa, o “comune”, da cui il nome.

Il layout circuitale è utile, ad esempio, nei ricevitori CMOS RF, soprattutto quando si opera in prossimità dei limiti di frequenza dei FET/Mosfet; è preferibile, inoltre, a causa della facilità di adattamento di impedenza e ha un rumore più basso rispetto alle altre configurazioni.

Maurizio Di Paolo Emilio

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