Yvan Bonnassieux ECOLE POLYTECHNIQUE … · Introduction à ECOLE POLYTECHNIQUE l’électronique...
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Introduction àl’électronique analogique
ECO
LE P
OLY
TEC
HN
IQU
EPHY 568 Microelectronique
Yvan Bonnassieux
Promotion X2003
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
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Modèle hybride π du transistor MOS
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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))
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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.
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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..
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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
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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
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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=∂∂=
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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
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Montage source commune (transconductance)
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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)
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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
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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
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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
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Montage Source CommuneCaractéristiques globales
''Source Commune'' ⇒ configuration Transconductrice.
Grande impédance d'entrée: entrée en tension
Grande impédance de sortie: sortie en courant
montage inverseur
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Montage Drain Commun(suiveur en tension)
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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
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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 :
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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
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Montage Grille Commune(Convoyeur de courant)
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Montage Source Communela grille est commune à l’entrée et à la sortie et reliée à la masse
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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
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Montage Source CommuneCaractéristique du quadripôle (basse fréquence)
Impédance d’entrée :
Impédance de sortie :
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
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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
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Montages composites
Sources de courant.Etage amplificateurOffset de tensionEtage de sortie
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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
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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
Impédance d’entrée :
Impédance de sortie :
Gain en courant :
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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 =
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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).
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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
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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 −==
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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 +=
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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
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Montages Amplificateurs
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Amplificateur Simple
montage « source communesource commune »remplacer la résistance de drain.par un transistor NMOS.
caractéristique de transfert en tension
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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 −==
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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
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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
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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
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Amplificateur OpérationnelExemple simplifié de structure
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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
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Plots d’Entrée/Sortie
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Plots d’Entrée/Sortie
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), ...
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Plots d’Entrée/Sortie
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Plots d’Entrée/Sortie
Interface Interface éélectriquelectriquebufferbuffer
Protection Protection éélectriquelectrique
Structure globale dStructure globale d’’un plot de sortieun plot de sortie
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Plots d’Entrée/Sortie