Comentários básicos sobre este workhorse em eletrônica. O conceito de amplificador diferencial é elemento-chave em uma infinidade de aplicações analógicas: buffers, filtros, osciladores, reguladores de tensão, referências de tensão/corrente, processamento de sinais, PLLs, etc., devido às suas características. As figuras foram retiradas do livro CMOS Circuit, Design, Layout and Simulation (Baker).
O Par diferencial
O conceito de diferencial é comum em engenharia e consiste na ideia de que determinado fluxo de energia é distribuído entre dois ramos ‘complementares’ de um dispositivo (no automóvel, isto permite que uma roda gire mais rápido que a oposta para que possamos fazer uma curva – cada uma das rodas vai percorrer diferentes comprimentos de arco no mesmo tempo). Em eletrônica o par diferencial nos permite principalmente eliminar ruídos de modo-comum (neste caso especificamente aqueles provindos de uma mesma fonte DC que alimenta os circuitos que geram os sinais AC de entrada, e possivelmente o amp-op).
O Amplificador Diferencial
A apresentação clássica do amplificador diferencial é assim:
Vout = (V+ – V–)*Ganho [V]
Também sempre é dito que idealmente temos:
- impedância de entrada infinita
- impedância de saída nula
- ganho infinito em malha aberta
- rejeição de modo comum infinita
Vou tentar mostrar aqui porque estas características são importantes, utilizando circuitos analógicos CMOS básicos e análises intuitivas.
Talvez a primeira coisa que vem à mente de quem é introduzido ao assunto é que se o ganho é muito grande (como deve ser), a tensão Vout vai explodir. Primeiramente, esta equação está em malha aberta, sem a realimentação negativa, quando parte do sinal de saída é subtraído do sinal de entrada. Depois, na maior parte das vezes estamos interessados em trabalhar em pequenos sinais AC – centésimos ou milésimos de Vdd (v+, v-). Cabe ainda dizer que ganho mede-se em V/V (é um número sem dimensão), e independente do seu tamanho a máxima tensão alcançada será sempre Vdd.
Os pequenos sinais (v+,- v-) variam em torno da polarização DC (V+, V-). Polarizar significa determinar um ponto de operação do circuito, de cada transistor na verdade (em elementos semicondutores, as características elétricas variam conforme às tensões elétricas a que o dispositivo é submetido). Na figura acima o ganho de malha aberta (open-loop) é mostrado como função da frequência do sinal de entrada. Uma topologia clássica do circuito amplificador diferencial em CMOS é assim:
(PS: transistores NMOS estarão em região linear se VGS >= Vth, e PMOS com VSG >= Vth. IDS = f(VDS,VGS), assume formas distintas a depender da região de operação)
A corrente Iss é resultado da tensão de gate em M6, que estará com a corrente estável em um range de tensão dreno-fonte. Supondo uma tensão Vn, de modo comum aplicada aos gates de M1 e M2, a corrente drenada por M6 seja um valor Iss = Id1 + Id2.
Se extrairmos a tensão de saída no dreno de cada um dos transistores M1 e M2, Vout1,2= Id1,2*RCarga1,2. Isto basicamente diz que o ganho Av=Vout/Vin é proporcional à transcondutância do transistor em determinado ponto de polarização multiplicado pela carga, pois ID/Vin = Gm = 1/(Rds).
A saída Vout diferencial é VD1-VD2 ou ao contrário, a depender do que estabelecermos como saída positiva e negativa. Com a topologia acima é impossível dizer qualquer coisa sobre qual será a entrada positiva e qual será a negativa. Só podemos dizer isto quando definirmos qual a entrada que aumenta a tensão de saída, e a entrada que a diminui.
Para tanto, completa-se o par diferencial com uma carga espelho de corrente do tipo PMOS, uma carga ativa.
Se a tensão do gate M1 aumenta, mais corrente é drenada, maior a tensão VSG de M3 e M4 (ou menor a tensão VGS, se preferir). Se ambos M1 e M2 tiverem a mesma tensão de gate, a corrente no sentido dreno-fonte de cada elemento do par será ID1 = ID2 = Iss/2 [A]. Se tensão de gate em M1 aumenta em relação à tensão de gate M2, menos corrente é drenada por M2 e portanto menor a queda dreno-fonte em M2. Se M2 continuar no ponto de operação desejável, sua (trans)condutância é constante. Se a condutância de M2 mantém-se constante, mas sua corrente diminui, a tensão Vout = VDD – VSD4 obrigatoriamente aumenta. Então VG1 = V+. O raciocínio inverso vale para V–: quanto maior a corrente drenada em M2, menor a tensão Vout. É este balanço na entrada que nos permite reduzir drasticamente o ruído de modo comum, se comparado a um amplificador de entrada única. Se adicionarmos mais um estágio de amplificação teremos ganho suficiente para chamá-lo de amplificador operacional. Tradicionalmente, o próximo estágio seria um amplificador PMOS, dreno-comum, com carga NMOS.
Ainda nesta topologia de só um estágio, a curva de transferência assume o seguinte, sendo o eixo horizontal a tensão de modo comum Vin nos gates do par diferencial, e no eixo vertical, Vout a tensão medida nos drenos de M2 e M4.
A derivada no ponto de polarização é o ganho do amplificador quando polarizado com a tensão correspondente Vin. Um bom ponto de polarização é aquela cuja derivada em relação ao pequeno sinal vin mantenha o maior intervalo em vout sem perturbar a transcondutância de M2 // M4. Idealmente é um ponto com derivada infinita. Pois para o sinal vout não remover M2 e M4 do ponto de operação desejável, as correntes drenadas não podem causar quedas de tensão que retire os transistores do ponto de operação, o que no limite significa impedância nula no nodo vout. Para a impedância de entrada ser infinita, a variação da tensão vgs de M1 e M2, não deve causar variação de tensão vgs + Vgs que retire o transistor da região de operação desejada. Se for saturado na região linear, a tensão dreno-fonte precisa manter-se em Vds >= tensão de overdrive (Vgs – Vth). A rejeição de modo comum será tão boa quanto a precisão do espelhamento de corrente – o mais iguais o módulo das correntes de dreno de M3 e M4, mais ruídos do sinal de tensão de modo-comum Vin estarão subtraídos no nodo Vout = Iout*RLout.
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