¿Cómo optimizar el rendimiento de un amplificador cascode en amplificadores CMOS?

En los amplificadores cascode, uno de los principales beneficios es el aumento significativo de la resistencia de salida, lo que conduce a una mejora en la ganancia. Para entender cómo esto sucede, es necesario considerar los modelos de pequeña señal y las interacciones entre las resistencias y las ganancias de transconductancia de los MOSFETs involucrados.

Además, la ganancia de voltaje del amplificador desde el input $v_{in}$ hasta el drenaje de $M1$ (denotado como $v1$) se puede aproximar bajo ciertas condiciones, como cuando las resistencias $g_{ds2}$ y $g_{ds3}$ son iguales. En este caso, la ganancia de voltaje de esta etapa es aproximadamente 2, lo que se debe a la división de corriente en el camino que conecta la fuente de $M2$ y la resistencia de salida $r_{ds3}$.

Cuando se analiza la respuesta en frecuencia de un amplificador cascode, se deben considerar varios factores, incluidos los capacitores presentes en el circuito. Estos incluyen $C1$, que solo incluye $C_{gd1}$, $C2$ que incluye $C_{bd1}, C_{bs2}, C_{gs2}$, y $C3$, que incluye los capacitores de carga y los de los transistores $M2$ y $M3$. A partir de estos componentes, se obtiene una ecuación para la respuesta en frecuencia del amplificador, que, cuando se resuelve, muestra los polos y ceros de la función de transferencia del sistema.

La ecuación que describe la respuesta de frecuencia es la siguiente:

Este análisis es fundamental porque revela cómo las interacciones entre la resistencia y la capacitancia a tierra afectan el comportamiento en frecuencia. A partir de este análisis, se pueden obtener los polos del sistema y determinar la respuesta de frecuencia del amplificador.

Además, la existencia de un cero en la respuesta de frecuencia a menudo es un factor crucial para entender el comportamiento del amplificador. Este cero tiene una relación directa con la transconductancia de $M1$ y la capacitancia $C1$, lo que indica que el camino de corriente controlado por $gm1v_{in}$ influye en la respuesta en frecuencia de manera significativa.

En resumen, la configuración cascode en amplificadores CMOS es una técnica avanzada para mejorar la ganancia y la resistencia de salida, optimizando el rendimiento en aplicaciones de alta frecuencia. Para obtener el máximo rendimiento de estos amplificadores, es necesario tener en cuenta no solo las resistencias y transconductancias de los MOSFETs, sino también cómo las capacitancias y las interacciones entre ellas afectan tanto la ganancia como la respuesta en frecuencia del sistema.

¿Cómo Diseñar un Amplificador Cascode para Obtener Alta Ganancia y Controlar el Rendimiento en Circuitos Analógicos?

En el diseño de amplificadores cascode, se observa que la ganancia de voltaje pequeña está determinada por una fórmula aproximada, que incluye el valor de la corriente de drenaje $I_D$. Por ejemplo, en un caso práctico con un amplificador cascode simple, se puede calcular que la ganancia de voltaje pequeña es de 37.1 V/V, mientras que la resistencia de salida se encuentra en 125 kΩ. El cálculo de los polos, tanto dominantes como no dominantes, es fundamental para comprender el comportamiento del amplificador en frecuencias altas. Por ejemplo, un polo dominante podría encontrarse a 1.22 MHz, mientras que el polo no dominante a 579 MHz.

A medida que los diseñadores avanzan en la creación de amplificadores cascode, se enfrentan a la tarea de ajustar los parámetros de diseño como las relaciones $W/L$, la corriente continua y los voltajes de polarización. Un aspecto crucial es la selección de estos parámetros para alcanzar especificaciones tales como la ganancia de voltaje, el rango de voltaje de salida y la disipaicón de potencia. Por ejemplo, al diseñar un amplificador cascode con un suministro de voltaje de 5 V y una disipaicón de potencia de 1 mW, se debe considerar el impacto de la corriente en la velocidad de subida y la disipación de energía. Es esencial realizar ajustes finos en la relación de los transistores $W/L$ para lograr un equilibrio entre el rendimiento de ganancia, la eficiencia energética y las características de salida.

Además de estos cálculos y ajustes, el amplificador cascode también ofrece ventajas relacionadas con la estabilidad de los polos y la capacidad de mantener una alta ganancia en una sola etapa. Esta configuración es útil para circuitos más complejos, donde el control sobre el rendimiento a pequeña señal y la reducción de la distorsión son necesarios. El uso de amplificadores cascode permite, por ejemplo, obtener una ganancia de voltaje extremadamente alta sin recurrir a etapas adicionales que compliquen el diseño del circuito.

La capacidad de controlar de manera precisa los parámetros de ganancia y polarización es lo que hace al amplificador cascode ideal para muchas aplicaciones en circuitos analógicos, especialmente cuando se busca alta ganancia sin sacrificar el comportamiento a altas frecuencias. En este tipo de diseño, la atención al detalle en los valores de resistencia de salida y la configuración de los polos se vuelve fundamental para obtener los resultados esperados.