Adesso vediamo un "algoritmo" per risolvere i circuiti semplici. Ci sono tanti approcci possibili, quello che sconsiglierei e` scrivere equazioni a maglie e nodi finche' basta e poi risolvere.
Per i circuiti analogici a MOS, in regione di saturazione, il mio modo di procedere per trovare il comportamento in piccolo segnale, prevede di conoscere l'impedenza vista guardando in ogni terminale (G, S, D) e le equazioni di funzionamento del dispositivo in piccolo segnale.
A me non piace sostituire il MOS con generatori di corrente pilotati, perche' non "vedo" piu` il circuito e non riesco a capire che cosa fanno tutti quei generatori pilotati. Lascio il simobolo del MOS e so che ha un funzionamento descritto dalla sua formula di piccolo segnale.
GeneralitàPer un MOS in saturazione, le impedenze sono quelle in questa figura
Se c'e` anche l'effetto della modulazione di canale, metto una resistenza

esterna al MOS, e lascio il MOS ideale. Ovviamente i conti si complicano, talvolta poco, talvolta tanto
Per il MOS c'e` una sola formula che descrive il suo funzionamento in piccolo segnale

, e la corrente di source, almeno a bassa frequenza, e` identica alla corrente di drain.
Le impedenze e i pallini vogliono solo dire che non e` importante tutto il resto, il legame e` solo dato dall'espressione indicata.
E` conveniente anche sapere a priori un altro risultato, visto che serve spesso. Quando si ha un MOS con una impedenza ZS collegata sul source, e si applica una tensione sul gate (NON su gate source) il comportamento e` diverso. Il circuito e` quello qui sotto a sinistra
Il MOS, che e`
miope, non vede oltre i suoi terminali, quindi lui fa

, ma la

non e` tutta quella di ingresso, una parte cade sulla impedenza ZS. La tensione Vgs vale quindi (tanto a te piacciono le equazioni)
e dato che si sa calcolare Id, si ha che la tensione Vgs vale

e quindi la corrente attraverso il MOS, quando c'e` una impedenza ZS sul source vale

gmeq e` la transconduttanza
equivalente quando c'e` una impedenza sul source. Al posto di fare i conti come ho fatto prima, basta ricordarsi che il modello equivalente di un MOS con ZS e`
ridotta di un fattore 1+gmZS e fare i conti con la nuova gm, come se il source fosse a ground.
In pratica il circuito a destra della figura sopra e` equivalente al circuito a sinistra con ancora la ZS.
Le impedenze e i guadagni di piccolo segnale sono
identici fra MOS a canale N e a canale P. Ripeto: IDENTICI, non cambia nulla.
Metodo di calcoloPer trovare il guadagno di un circuito si puo` partire dall'ingresso, e seguire il segnale fino all'uscita. Bisogna ricordare l'elettrotecnica di base, i partitori di tensione e corrente. Se ci sono delle simmetrie, ad esempio un differenziale con eccitazione differenziale, si usa la simmetria per semplificare il circuito.
Si trova Vgs del primo MOS, la sua Id, la Vgs del secondo MOS finche' si arriva alla fine.
C'e` anche il metodo opposto, altrettanto conveniente: si parte dall'uscita, che si suppone nota (ad esempio 1V o qualsiasi altro valore che e` comodo), e si va a ritroso verso l'ingresso, calcolato via via tutte le tensioni e correnti che generano appunto 1V in uscita. Si scrivono i valori intermedi sullo schema e in un attimo si ottiene il valore di Vin che da` l'uscita con il valore che avevamo supposto. Il metodo si chiama metodo di falsa posizione, o
regula falsi, sono appena piu` di 3700 anni che e` conoscito. Cerca qui gli articoli di
PietroBaima e
RenzoDF per approfondimenti. In questo messaggio non lo presentero`, chissa` poi in seguito...
EsempioProviamo con questo circuito, e` fatto assolutamente a caso con valori a capocchia, giusto per mostrare il procedimento. Per ogni MOS ho indicato la transconduttanza, e suppongo che siano tutti in zona satura.
Per cominciare, ho gia` eliminato le alimentazioni, che per il piccolo segnale sono come ground, non so se abbiate anche fatto i circuiti con MOS e condensatori, comunque se ci sono li considero cortocircuiti. Al posto di mettere tutti i generatori dipendenti, lascio il simbolo del MOS. M4 ha anche l'effetto della modulazione della lunghezza di canale, ro4, che come ho detto prima, la metto fuori dal simbolo.
Se la vostra prof mettesse la ro su M1 o M3 vorrebbe dire che vi vuole proprio male. Se vi dicesse di considerare anche l'effetto del substrato, vorrebbe dire che vi vuole MOLTO male

.
Per la soluzione si possono scrivere i risultati parziali sullo schema, di mano in mano che si calcolano, oppure si puo` scrivere l'espressione numerica, un pezzo per volta, o infine si puo` scrivere una formula unica, con tutti i fattori e poi calcolarla in una passata sola di calcolatrice alla fine.
Di solito non mi piace scrivere le formule letterali, si perde tempo, ma nelle formule con i valori scrivo SEMPRE le unita` di misura.
Qui non scrivero` i valori sullo schema, richiede troppo tempo, ma scrivero` prima i singoli contributi, e poi il formulone unico.
Si parte da Vin e si va verso l'uscita. La prima cosa che si incontra e` il partitore di tensione formato da R1 ed Rin. L'impedenza di gate di M1 e` infinita, quindi questo partitore non e` disturbato dal MOS, e la tensione di gate vale

Non faccio subito la divisione perche' introdurrei degli errori di troncamento inutili.
M1 e`uno stadio a source comune con impedenza di source, che abbiamo visto prima. La sua transconduttanza equivalente vale

, e quindi la corrente del primo MOS, che entra nel drain (perche' sto assumendo il gate positivo), vale

La tensione di drain Vd1, che e` anche la tensione di gate di M2, e` data dalla caduta sulla resistenza di drain RD1, e vale quindi

Il segno meno deriva dal fatto che sto cercando la tensione di drain, se metto una tensione positiva sul gate, il drain "succhia" dentro corrente e questa corrente, che scende attraverso RD1, da` una caduta di tensione con il positivo verso l'alto di RD1, quindi il lato in basso della resistenza da` una tensione negativa. Detto diversamente, lo stadio a source comune inverte il segnale, ha guadagno negativo.
Il secondo stadio e` ancora un source comune, ma questa volta il source e` collegato direttamente a ground e quindi la corrente di drain vale

Come si vede dallo schema, Vd1=Vg2, con la stessa convenzione di segno. Il valore
numerico di Vg2 potrebbe essere negativo, ma se indichiamo Vg2 in quel modo, la variabile e` positiva quando la freccia e` sul lato positivo [questa spiegazione non mi e` venuta bene

puoi anche dimenticarla].
Anche questo stadio a source comune e` invertente, MA non di vede nessun segno negativo nell'espressione perche' ho calcolato la corrente di uscita del secondo stadio. Se avessi calcolato la tensione di drain Vd2, sarebbe comparso un altro segno negativo, ma in questo caso la tensione Vd2 non mi serve (*)
Lo stadio successivo, M3, e` uno stadio a gate comune: il segnale entra dal source ed esce dal drain.
La corrente Id2 arriva da RD2 e dal source di M3. Questa volta non possiamo trascurare lo stadio formato da M3, perche' non si entra sul gate (impedenza infinita), ma sul source, la cui impedenza vale 1/gm3.
La corrente Id2 arriva da due impedenze in parallelo, RD2 e Zs3. A noi interessa la corrente che arriva (viene succhiata) da M3, quindi dobbiamo suddividere la corrente Id2 fra le due impedenze, con un partitore di corrente, fra RD2 e Zs3.

La corrente di drain di M3 e` uguale a quella di source, quindi

e questa corrente passa tutta attraverso RD3, dato che la corrente di gate dei MOS e` nulla, e la tensione di drain di M3, uguale alla tensione di gate di M4 vale quindi

Lo stadio a gate comune non e` invertente, ma salta fuori un segno negativo

. La ragione e` che sto considerando come ingresso di M3 la corrente di source, presa uscente dal source. Se avessi considerato la tensione di source, il conto sarebbe stato leggermente piu` lungo e il guadagno di M3 sarebbe venuto positivo, MA il guadagno di tensione di M2 sarebbe venuto negativo e quindi un segno meno me lo ritrovo sempre.
L'ultimo stadio e` un drain comune, il segnale entra sul gate ed esce dal source. Il suo guadagno di tensione e` minore di 1, e in questo caso c'e` anche ro4!
E` pero` facile vedere che la resistenza ro4 e` in parallelo a RS4, quindi il circuito da analizzare diventa
Questo e` il solito circuito di MOS con resistenza sul source, di cui dobbiano trovare la corrente di source, uguale a quella di drain. La procedura e` come prima

Conoscendo la corrente di source, si puo` finalmente calcolare la tensione di uscita

Da questa espressione si vede che la tensione di uscita e` sempre minore di quella di ingresso (in denominatore e` di una unita` piu` grande del numeratore). Anche qui niente segni negativi e lo stadio a drain comune non e` invertente.
Ora basta rimettere insieme tutti i pezzi per ottenere il guadagno. Si possono fare i conti con la calcolatrice una formula (semplice) per volta.
Oppure si puo` scrivere direttamente il formulone finale, solo guardando il circuito, senza scrivere prima i vari pezzetti.
Provero` a scrivere prima la formula letterale (cosa che non faccio mai) poi sostituisco i valori dei componenti e vediamo cosa viene


Se invece, come e` piu` conveniente, si scrive direttamente il formulone lungo con subito i valori dei componenti dentro si ha


Verifica della correttezza (parziale) dell'espressione. Dimensionalmente e` corretta le somme sono fra quantita` omogenee e tutta l'espressione, dopo Vin, e` adimensionata. L'epressione complessiva da` un valore positivo, congruente con il circuito, che ha due guadagni di tensione negativi (M1 ed
M2, e due guadagni positivi, M3 ed M4). Il prodotto di meno per meno fa piu`, come sanno anche i gatti

Lascio a te fare il conto numerico, voglio vedere il risultato numerico! Nota che ci sono un po' di trappole in giro per l'espressione, ad esempio ohm in parallelo a kiloohm, megaohm piu` kiloohm... Fai i conti GIUSTI!
Appendice(*) Per passare da M2 ad M3 ho usato il partitore di corrente, perche' e` la strada piu` veloce. Si puo` anche calcolare la tensione sul drain di M2, Vd2, che e` uguale alla tensione di source di M3, e poi, con la legge di Ohm la corrente di source di M3 e quindi sapere la corrente di drain di M3.
Il guadagno in tensione di M2 e` calcolato in questa figura

Questa tensione e` presente sul source di M3, da cui vede una impedenza di 1/gm3, e quindi fa scorrere dentro il source una corrente pari a I=V/Zs3

La corrente entra nel source, quindi esce dal drain e la tensione di drain
vale

Da cui si vede che il gate comune ha una amplificazione di tensione NON invertente. Se si mette insieme il guadagno di M3 con il guadagno di M2 si ottiene

e questo e` esattamente il guadagno che abbiamo ottenuto prima, nascosto nella lunga formula,

Continua? Forse...