O Problema Central: Resistência de Saída Finita
Um espelho de corrente MOSFET simples (dois FETs casados, gates e sources ligados) tem resistência de saída ro = 1/(λID). Para MOSFETs modernos de canal curto, λ é grande → ro é baixa (10–100 kΩ). Isso causa:
- Corrente de saída varia com VDS (péssima regulação de corrente).
- Ganho de tensão limitado em cargas de amplificadores.
- Sensibilidade à modulação do comprimento do canal.
Espelho de Corrente Cascode: Estrutura e Mecanismo
Espelho Simples: Espelho Cascode: ┌─── M3 (cascode) Iref ──[M1]──┐ Iref ──[M1]──┐ │ │ │ M2 (saída) M2 │ │ │ │ GND GND │ │ M4 (polarização) ── Vbias
- M1, M2: Par do espelho (casados, mesmo VGS).
- M3: Transistor cascode — gate polarizado em Vbias fixo, source no dreno de M2.
- M4: Gerador de polarização (frequentemente cópia diodo-conectada de M3).
Por Que Cascode Aumenta a Resistência de Saída
- Tensão de dreno de M2 é estabilizada em Vbias - VGS3 (≈ constante).
- M3 atua como estágio common-gate: sua resistência de entrada (no source) ≈ 1/gm3 (baixa).
- M2 vê carga de baixa impedância → seu VDS mal muda com tensão de saída.
- Resistência de saída efetiva: Rout ≈ gm3ro2ro3 ≈ β·ro (melhoria de 10–100×).
Vantagens Adicionais do Cascode
| Parâmetro | Espelho Simples | Espelho Cascode |
|---|
| Resistência de saída | ro | gmro² (100×–10.000×) |
| Swing de tensão de saída (mín) | VDS(sat) | 2×VDS(sat) + VGS3 - Vth (maior) |
| Sensibilidade ao casamento | Alta (ΔVDS → ΔI) | Baixa (VDS de M2 fixo) |
| Distorção | Moderada | Menor (M2 em região linear) |
| Estabilidade (efeito Miller) | Cgd no nó de saída | Cgd2 bootstrapado, Cgd3 em nó de baixa-Z |
| Tensão mínima de alimentação | Baixa | Maior (precisa headroom para 2 VDS(sat) + VGS) |
Trade-off de Projeto: Headroom
- Cascode precisa ~0.5–1 V a mais de headroom VDD que espelho simples.
- Projetos de baixa tensão (< 1.8 V) podem usar cascode regulado (RGCM) ou follower de tensão invertido (FVF) para reduzir headroom.
- Para > 3.3 V, cascode padrão é preferido.
Quando Usar Qual
- Espelho simples: Correntes de polarização para blocos não-críticos, baixa tensão, área restrita, onde variação de 10% na corrente é aceitável.
- Espelho cascode: Referências de precisão, cargas de OTA, cargas ativas em amplificadores, DACs de direcionamento de corrente, qualquer nó de alta impedância.
Conclusão
O espelho de corrente cascode usa um transistor common-gate para fixar a tensão de dreno do transistor do espelho, multiplicando a resistência de saída por gmro. Esta é a técnica mais importante para projeto analógico de CI de alta precisão. O custo de headroom geralmente vale a melhoria de 100× na constância da corrente.
