TD miroirs, sources et amplis

2. Travaux Dirigés
Circuits Intégrés Analogiques – 2008/2009
Les caractéristiques suivantes seront utilisées pour tous les exercices (sauf indication contraire) :
µn.Cox=120 µA/V2 ; µp.Cox=50 µA/V2 ; λn=4e-3 V-1; λp=2e-3 V-1 ; Vtn=0,5 V ; Vtp=-0,7 V ; Vdd=3,3 V
2.3. Les miroirs de courant
1°) Soit le miroir de courant ci-contre
contre :
Iin=120 µA
• Expliquez pourquoi le transistor T1 est toujours saturé. Exprimer Vgs1 en
IS
fonction de : IT1, W1/L1 et des paramètres technologiques. En supposant que
T2 est saturé, exprimez IT2 en fonction de Vgs1, W2/L2 et des paramètres
T1
T2 Vs
technologiques. En déduire que le rapport I2/I1 ne dépend que des dimensions
de T1 et T2.
• On considère que T1 et T2 sont identiques et que λn=0, déterminer
éterminer une plage de rapports W/L telle
que le courant de sortie soit identique à Iin lorsque VS varie entre 0,5V et 3,3V.
V.
• On considère maintenant λn≠0. Calculer la résistance de sortie du miroir de courant. Estimer la
variation de IS lorsque VS varie de 0,5V à 3,3 volts.
• Mêmes questions que précédemment pour chacun des montages ci-dessous.
120µA
T1
120µA
IS
T2
Rs
Rs
120µA
IS
IS
T3
T4
T3
T4
T1
T2
T1
T2
Iin
contre. Réaliser le schéma dual dans le plan P. Pour les deux
2°) Soit le miroir de wilson ci-contre.
montages, on choisit Iin=100µA :
• Si l’on souhaite que le miroir P (resp. N) fonctionne sur la gamme 0 à Vdd-1V
(resp. 1V à Vdd), calculer des dimensions raisonnables pour les transistors.
transistors
• donner un schéma équivalent petit-signal
petit
dee ces montages et en déduire leur
T3
T4
T1
T2
résistance de sortie.
2.4. Les sources de courant
1°) on souhaitee utiliser le montage ci-contre
ci
de façon à ce que le courant dans la charge RL
soit égal à 100 µA quelle que soit la valeur de la résistance RL dans la gamme [0 ; 30kΩ].
30k
• Déterminer la gamme admissible pour la tension VA. Choisir VA au centre de cellecelle
ci. Sachant que l’on souhaite Ip=10µA, calculez la valeur de Rp et les dimensions
des transistors T1 et T2.
• Que devient le courant dans la charge si Vdd augmente de 10% ?
• Tracer
racer la variation du courant dans la charge en fonction de RL.
IS
Vdd
T1
VA
T2
IL
IP
RL
Rp
Vdd
R
2°) Soit le schéma ci-contre
contre destiné à fournir une tension VA indépendante de Vdd. On
considèrera tout d’abord que λ=0
=0 et on pose (WL )3 = k (WL )4 avec k > 1.
•
•
Expliquez pourquoi IT1=IT2 si T1 et T2 sont identiques. En déduire la relation entre
Veff3 et Veff4. Exprimez Vgs4 en fonction de Vgs3, R et Ib. En déduire Veff3 et Veff4 en
fonction de R, Ib, k. Montrez alors que gm3 et gm4 ne dépendent que de k et R.
Montrez ensuite que Ib ne dépend pas de Vdd.
Avec Ib=10µA, calculez
alculez le rapport de dimensions de T4 de façon à avoir VB=1,5V.
Sachant que k=4,, calculez R.
R Calculez les dimensions de T1 et T2 pour que
T4
VB
Ib
T2
T3
Ib
VA
T1
•
•
VA=0,9V. En déduire les valeurs de gm1 et gm2.
Que se passe-t-il lorsque la tension d’alimentation diminue ? Quelle est la plus petite valeur de Vdd
pour laquelle le montage fonctionne encore ? Que valent alors les courants I1 et I2 ?
On considère maintenant λ≠0. En supposant que rds >> 1 g m , faites un schéma petit-signal du
montage pour étudier la sensibilité de Ib et de VA à Vdd.
Vdd
3°) Soit la source de courant à large dynamique (et résistance) de sortie représentée
ci-contre. On souhaite délivrer 120µA pour une consommation totale de 127,5µA et
on choisit une tension effective de grille de 0,1V.
• Calculer les dimensions des transistors et les valeurs de R1 et R2 afin
d’obtenir une dynamique de sortie maximale que l’on calculera.
• En négligeant l’effet substrat, calculer la résistance de sortie du miroir de
courant.
4°) On utilise le schéma n°1 pour réaliser une source de courant.
• Déterminer la tension effective de grille et le W/L de chacun des transistors
de façon à ce que le miroir de courant délivre 8µA pour toute valeur de Vs
inférieure à 2,3 Volts. Calculez la valeur de la résistance R1. Calculez la
résistance de sortie de la source de courant. On négligera l’effet substrat.
• Redimensionner la structure pour obtenir un courant de sortie de 100 µA en
changeant le W/L de T3 et T4. Que devient la résistance de sortie de la source
de courant ?
• Que devient le courant de sortie si Vdd augmente de 10% ?
R1
R2
T3
T1
T2
Vs
Vdd
T1
5°) On remplace la résistance R1 par le transistor T5 (schéma n°2).
T1
• Déterminer la tension effective de grille (Veff=Vgs-Vtn) nécessaire pour
conserver les mêmes conditions de polarisation (8 µA dans la branche T
2
composée de T1, T2 et T5). En déduire le W/L de T5.
• Proposer une solution permettant de réduire la surface de la source de
courant en remplaçant la résistance par deux transistors. Donner le W/L de T5
chacun de ces transistors. Que devient le courant de sortie si Vdd augmente
de 10% ?
2.5. Les amplificateurs élémentaires
IS
T3
T4
T2
R1
IS
Vs
Vdd
T3
T4 I
S
Vs
Vdd
100µA
1°) On étudie maintenant l’amplificateur du schéma n°3.
• Calculez la résistance de sortie de l’amplificateur. Donner l’expression du gain
petit-signal de cet amplificateur. En déduire la valeur de Vin donnant un gain égal à
-1000 et le W/L du transistor.
Vin
• On utilise la source de courant n°1 pour polariser l’amplificateur. Calculer le
Vout
T7
nouveau gain de l’amplificateur ainsi que sa résistance de sortie en petit-signal.
Quelle est la dynamique de sortie de l’amplificateur ?
• On connecte une capacité de 10nF à l’amplificateur ainsi obtenu. Calculer la bande
passante de l’amplificateur ? On connecte une résistance de 10kΩ en sortie de l’amplificateur. Que
devient le gain de l’étage ? Que peut-on faire pour conserver un gain et une bande passante
acceptables dans les deux cas ci-dessus ?
Vdd
2°) Soit le montage de la figure ci-contre. Le miroir de courant est construit avec des
Vin
transistors ayant un W/L=50. On prendra Vin=2,5V.
T1
100µA
• Déterminer le W/L de T1. Quelle est la plage de fonctionnement de la tension de
sortie (dynamique de sortie) ?
T3
T2
• Donnez le schéma équivalent petit-signal du montage. En déduire le gain en
tension du montage ? En déduire la dynamique d’entrée.
• On remplace le transistor T1 par un transistor N identique à T2. Donner les nouvelles dynamiques
d’entrée et de sortie ainsi que le gain en tension petit-signal et la résistance de sortie.
Vout