Yvan Bonnassieux ECOLE POLYTECHNIQUE … · Introduction à ECOLE POLYTECHNIQUE l’électronique...

Introduction àl’électronique analogique

ECO

LE P

OLY

TEC

HN

IQU

EPHY 568 Microelectronique

Yvan Bonnassieux

Promotion X2003

[email protected]

Ecole polytechnique, Majeure MNO, PHY568 Y. Bonnassieux, Janv 2006 diapo 2

Sommaire

Modèle hybride π du transistor MOS

Montage source commune (transconductance)

Montage Drain Commun (suiveur en tension)

Montage Grille Commune (Convoyeur de courant)

Montages composites

Montages Amplificateurs

Plots d’Entrée/Sortie


Modèle hybride π du transistor MOS


Equations d'états

2 zones de fonctionnement :zone résistive (VDS < (VGS-VT))zone ''de pincement'' (pinch-off région ou zone de saturation) VDS > (VGS-VT))


Equations d'états

( )22 tGS

oxnD VV

LWCI −=

µzone ''de pincement'' (pinch-offrégion ou zone de saturation)

VDS > (VGS-VT))

Pour la zone résistive

(VDS < (VGS-VT)) DStGSoxnD VVVL

WCI )( −= µ

L réelle

L dessinée

IIDD courant circulant dans le canalµµnn mobilité globale des électronsCCoxox capacité par unité de surface de l'oxydeWW et LL largeur et longueur du canalVVGSGS la tension grille-sourceVVtt la tension de seuil.


Représentation Quadripôle SimplifiéDans la zone de fonctionnement saturée

Tension grille-source: grandeur d’entrée du quadripôle. Courant drain-source la grandeur de sortie.

Pas de courant de grillePas de courant de grille : impédance d'entrée infinie, commande en tension ''pure''.

Fonction ''transconducteurtransconducteur'' :courant drain commandé par le carré de la tension grille-source VGS..


Capacités parasites du MOS

CoGS CI

GS CoGDCI

GD

CSB CDB

B

IGSGSGS CCC += 0

IGDGDGD CCC += 0

CCGSGS capacité Grille-SourceCCGDGD capacité Drain-SourceCCSBSB capacité Source-SubstratCCDBDB capacité Drain-Substrat Souvent négligeables


Modèle petits signauxPoint de fonctionnement : Polarisation statique

Superposition de signaux dynamiques

00 DdDDDS IRVV −=

DDGS VRR

RV21

20 +=

VDS0

ID0

VGS0

ID0

Déterminer : - Le gain de transduction- La plage dynamique

Attention aux pertes générées par la polarisation

Capacités de découplage


les modèles petits signaux étant variationnels:⇒⇒ Grandeurs électriques continues considérées comme nulles. ⇒⇒ remplacées par des masses virtuellesmasses virtuelles

Modèle petits signaux

Paramètres incrémentaux L’équation d’état permet de calculer par dérivation les paramètres incrémentaux ''petits signaux''

( )⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

=−=

∂∂

=SaturéeZoneI

LWCVV

LWC

RésistiveZoneVL

WC

VIg

DoxntSGoxn

DSoxn

GS

Dm

µµ

µTransconductance

Conductance de sortie DD

DSDS IIVg λ=∂∂=


Modèle petits signauxParamètres Additionnels

Limitation de la bande passante ⇒⇒ prise en compte des capacités CCGSGS & C& CGDGD

)(2 GDGS

mc CC

gf+

=πPermettent de définir la fréquence de coupure :

Schéma équivalent petits signaux


Montage source commune (transconductance)


Montage Source Communela source est prise comme référence commune à l’entrée et à la sortie

Rs

RL

DD

Schéma équivalent petits signaux(on néglige les capacités – basses fréquences)


Montage Source Commune

Caractéristique du quadripôle

Rin= ∞Impédance d’entrée

Impédance de sortie

Gain en tension

Rout =1/gDS || RL ≈ RL

( ) LmLSDmin

outv RgRgg

vv

A −≈−== /1


Montage Source CommuneRéponse en fréquence ( effet MILLER)

1

outin

Impossible de négliger les capacités grille-drain CGD et grille-source CGS

1

outin

Prise en compte de CGD via une capacité ramenée sur l’entrée :capacité Miller : CMi

CMi=( 1 + gmRL) CGD


Montage Source CommuneRéponse en fréquence ( effet MILLER)

Impédance totale d'entrée :

( )iMGSS

Lm

inS

inLmin

out

CCRjRg

ZRZRgv

v++

−=+−= ω1

Pulsation de coupure ω0

( )[ ]GDLmSGS CRgCR ++= 1/10ω

Zin = 1/jω(CGS + CMI)

Gain en tension :

Exemplegm =1 mA/V, RL = 20kΩ, RS = 1kΩ

CGS = 2.5 pF, CGD = 0.5 pF

V1

v out

v in


Montage Source CommuneCaractéristiques globales

''Source Commune'' ⇒ configuration Transconductrice.

Grande impédance d'entrée: entrée en tension

Grande impédance de sortie: sortie en courant

montage inverseur


Montage Drain Commun(suiveur en tension)


Montage Drain Communle drain qui est commun à l’entrée et à la sortie

RsRL

outin

DD

v out

v in

Schéma équivalent petits signaux


Montage Drain CommunCaractéristique du quadripôle (basse fréquence)

111

1≈

+=

Lm

in

out

RgV

V

pas de courant dans la grilleRin= ∞

Rout = 1/gm//RL≈ 1/gm impédance basse ⇒ signal de sortie plutôt «en tension».

Impédance d’entrée :

Impédance de sortie :

Gain en tension :


Montage Drain Commun

Le montage '''drain Commundrain Commun'' est une configuration '''Suiveur de TensionSuiveur de Tension''.

''la source suit la grille'' en tension

gain en tension unité : vout/vin ≈ 1

grande impédance d'entrée

faible impédance de sortie ~ 1/gm

Caractéristiques globales


Montage Grille Commune(Convoyeur de courant)


Montage Source Communela grille est commune à l’entrée et à la sortie et reliée à la masse


Montage Source CommuneSchéma équivalent petits signaux

Approche basses fréquences ( on négliges les capacités)1/GDS supposée infinie

S

G

gmV1 RL

DRS

G

gmV1

Qui peut être mis sous la forme


Montage Source CommuneCaractéristique du quadripôle (basse fréquence)



Gain en courant :

Gain en tension :

S

G

gmV1 RL v out

v in

D

V1

RS

G

gmV1

Rin = 1/gm

DS

Smout g

RgR

+=

1

Ai = 1

Sm

Lmv Rg

RgA

+=

1


Montage Drain CommunCaractéristiques globales

Le montage '‘‘Source CommuneSource Commune'' est une configuration ‘Convoyeur de courantConvoyeur de courant''.

gain en courant unité: iout/iin = 1 non-inverseurfaible impédance d'entrée ~1/gmtrès grande impédance de sortie : 1/gDS


Montages composites

Sources de courant.Etage amplificateurOffset de tensionEtage de sortie


Miroirs de courant

Objectif ⇒⇒ courant constant et indépendant des paramètres du circuit et des tensions..plusieurs utilisations possibles :

Sources de courantspolarisation statique de transistorscharge active (synthèse de résistances virtuelles de valeur élevée)changement de point d'attache d'un signal


Miroirs de courant Miroir de courant Miroir de courant éélléémentairementaire

2 transistors MOS (Q1 et Q2) identiques. même tension grille-source ⇒⇒ même courant de drain. Si I1=Iref

alors II22= I= I11==IIrefref, ∀charge sur le drain de Q2.Impédance d'entrée:

Impédance de sortie:

Gain en courant unité:

min g

R 1=

DSout g

R 1=

1≈iA



Gain en courant :


Décaleur de tension

montages montages ddéécaleurscaleurs de tensionde tension⇒⇒ adaptation de niveau de tension entre deux

2 transistors MOS Q1 et Q2 parfaitement appairés et fonctionnent en régime saturé.

Equations d’états :ID1=ID2V1=VGS1+V2 et V2=VGS2

Ce qui donne en mode saturé

( ) ( )222

2221

1

1

22 toxn

toxn VV

LWCVVV

LWC

−=−−µµ

Dans le cas ou (W2/L2)= (W1/L1) on obtient : 12 21 VV =


Paire différentielleObjectifsObjectifs

Amplifier la différence entre 2 signauxNe pas amplifier la valeur moyenne des 2 mêmes signaux

2 transistors à sources couplées (M1, M2)

1 source de courant I0 (M3, M4, R)

2 résistances RL de charge sur les drains

2 entrées (Vi1, Vi2) grilles de (M1, M2).

2 sorties (Vo1, Vo2) drains de (M1, M2).


Paire différentielleMode diffMode difféérentiel et Mode Communrentiel et Mode Commun

221

21

iiic

iiidvvv

vvv+

=

−=

221

21

oooc

ooodvvv

vvv+

=

−=Différentiel

Commun

Equation en gain de la paire différentielle

icccidcdoc

icdcidddod

vAvAvvAvAv

+=+=

ObjectifNuisible

Taux de Réjection en Mode Commun (Common Mode Rejection Ratio)

)(log20 10dc

dd

AATRMC = ≅ 60 dB


Paire différentielleGain en Mode diffGain en Mode difféérentiel Arentiel ADDDD

M1 et M2 identique ⇒ Montage symétrique

I0 constant ⇒ masse virtuelle

Néglige:résistance Drain-Source 1/gDSles capacités parasites.

On obtient

idLm

od vRgv21 −=

Soit globalement

Lmid

oddd Rg

vvA −==


Paire différentielleGain en Mode Commun AGain en Mode Commun ADCDC

Tension vi2=0 ⇒⇒ Grille de M2 est connectée à la masse⇒⇒ vi1=vic.

Impossible de négliger la résistance parallèle de la source de courant Rss.

gain en Mode Commun.ssm

Lm

ic

occc Rg

RgvvA

21+−==

résistance Rss grande, le gain en mode commun est faible.

Taux de réjection en mode commun : )21(log20 10 ssmRgTRMC +=


Paire différentielleUtilisation dUtilisation d’’une charge activeune charge active

gain d’une paire différentielle % résistance de drain⇒⇒ augmentation par un miroir de courant

(transistors M5 et M6)

gain en mode différentiel :

)/()/(

11

55

1

5

LWLW

ggA

m

mdd −=−=

gain en commun :

)21( 11

1

ssmm

mcc Rgg

gA+

−=

M5

M6


Montages Amplificateurs


Amplificateur Simple

montage « source communesource commune »remplacer la résistance de drain.par un transistor NMOS.

caractéristique de transfert en tension


Amplificateur SimpleOn se place dans le cadre des 2 Transistors en mode saturés

22

2

22

21

1

11 )(

2)(

2 tDDoxnDtoxnD VVVL

WCIVVL

WCI −−==−= µµ

ce qui donne pour la tension de sortie :

)122

112 ( ttDD VV

LWLWVVV −−−=

Soit un gain dynamique en tension :

22

11

1

2

LWLW

dVdVAv −==


Amplificateur SimpleApproche Petit signaux

V1 gm1V1

-Gm2V2

1/gDS1

1/gDS2 V2

La loi des nœuds en sortie :

011 2

2

1

22211 =+++

dsdsmm g

VgVVgVg

211

2

2

1

sdsdm

mv ggg

gVVA

++−==

Soit le gain en tension

212

1

dsdsms ggg

R++

=

Résistance de sortie


Inverseur CMOS

caractéristique de transfert en tension

V1 gmnV1

GmpV1

1/gDSn

1/gDSn V2

Montage petits signaux

DSpDSn

mpmnv gg

ggVVA

++

−==1

2

Gain en tension


Amplificateur Opérationnel

Objectifs :Objectifs :Amplifier avec un gain important une différence de tension.Avoir une impédance de sortie la plus faible possibleAvoir une impédance d’entrée la plus grande possible

Une structure en plusieurs étages


Amplificateur OpérationnelExemple simplifié de structure


Amplificateur OpérationnelCaractCaractééristique dristique d’’un amplificateur opun amplificateur opéérationnel rrationnel rééelel

Par exemple pour le LF356 de National Semiconductor :TRMC :100 dBImpédance d’entrée : 1012Ω

Bande Passante



Rôles des plots dRôles des plots d’’EntrEntréée/Sortie :e/Sortie :Interfaçage entre l’extérieur et le cœur du circuit (interfaçage « mécanique » et électrique).Protéger le circuit contre les charges électrostatiques.Intégrer certaines fonctions de base : sortie bidirectionnelle, 3 états, test ( JTAG), ...



Interface Interface éélectriquelectriquebufferbuffer

Protection Protection éélectriquelectrique

Structure globale dStructure globale d’’un plot de sortieun plot de sortie

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