INTEGRISANA KOLA OPERACIONIH POJAČAVAČA

Transcript

1 NTEGRSN KOL OPERONH POJČVČ 1 UVOD U interisanim kolima ne realizuju se induktivnosti zbo toa što je za to potrebna velika površina čipa. Ukoliko su neophodne u kolu one mou biti vezane na spoljašne priključke interisano kola. Vrednosti kapacitivnosti kondenzatora u interisanoj tehnoloiji su relativno male, a postoje oraničenja i u poledu maksimalne vrednosti otpornosti, naročito u kolima više stepena interacije (VLS). Specifičnosti različitih rešenja u linearnim interisanim kolima savremenih operacionih pojačavača sadržane su i u rešenjima druih interisanih kola kao što su amplitudski komparatori, pojačavači za komunikacionu tehniku, sprežni uredjaji za analonodiitalnu tehniku (/D i D/ konvertori), reulatori i tako dalje. Jedna od osnovnih razlika izmedju interisanih i diskretnih linearnih kola je u načinu stabilizacije radne tačke pojačavačko stepena sa zajedničkim emitorom, kao i u načinu na koji se vrši polarizacija aktivnih elemenata u složenijim pojačavačkim kolima. U tu svrhu u tehnici linearnih interisanih kola koriste se "izvori konstantne struje". ZVOR KONSTNTNE STRUJE Standardni oblik stabilizacije radne tačke u tehnici kola sa diskretnim komponentama za pojačavački stepen u sprezi sa zajedničkim emitorom pomoću emitorsko otpornika premošćeno velikim kondenzatorom nije podesan za interisana kola upravo zbo toa što se zahteva velika kapacitivnost. S toa se u interisanim linearnim kolima za pretpolarizaciju tranzistora i stabilizaciju jednosmernih radnih uslova koriste izvori konstantne struje. Na slici1. prikazano je najprostije kolo strujno izvora. Napon baza-emitor tranzistora T 1, koji je vezan kao dioda, jednak je naponu bazaemitor tranzistora T. Referentna struja kroz otpornik R je: V V R (.1) ( ) R be de je V be napon baza emitor provodno tranzistora. Slika 1 Ukoliko su tranzistori T 1 i T identični (površine emitorskih spojeva i inverzne struje zasićenja jednake) tada su im jednake i bazne i kolektorske struje, jer je V be1 V be, pa se može pisati: c (.) R b + c + b c β tj.

2 48 NLOGN ELEKTRONK R (.3) c1 c c 1 + β Pri velikim vrednostima strujno pojačanja β struja c je približno jednaka referentnoj struji kroz otpornik R, pa se ovo kolo naziva "strujno oledalo". Kada referentna struja R ima konstantnu vrednost i izlazna struja c će biti konstantna. zlazna otpornost strujno izvora jednaka je izlaznoj otpornosti tranzistora T i iznosi: 1 (.4) R r η m ko površine emitorskih spojeva tranzistora T 1 i T nisu jednake (obeležimo ih sa S 1 i S, respektivno), a kako su emitorske struje srazmerne površinama emitorskih spojeva možemo pisati: e S c (.5) K e1 S1 c1 pa je odnos izlazne i referentne struje: c K (.6) K R β U slučju kada je β >>1+K odnos izlazne i referentne struje zavisi samo od površina emitorskih spojeva, koje se u procesu proizvodnje interisanih kola mou tačnije kontrolisati neo vrednost koeficijenta strujno pojačanja β. ako u mnoim primenama ovaj najprostiji strujni izvor daje zadovoljavajuće rezultate, s obzirom da je izlazna struja (kolektorska struja tranzistora T ) c zavisna od napona kolektor-baza, zbo modulacije širine baze, to izlazna otpornost strujno izvora nije beskonačno velika. Kako se izvori konstantne struje često koriste i kao dinamička opterećenja u kolektorskom kolu pojačavačko stepena, umesto otpornika R, veličina izlazne otpornosti ima oraničavajuću ulou u poledu veličine pojačanja to stepena. Kod NPN tranzistora strujno pojačanje β je veliko pa je uticaj ovo faktora srazmerno mali. Kada su u izvoru konstantne struje upotrebljeni PNP tranzistori kao na slici, koeficijent strujno pojačanja β ima mnoo manju vrednost pa je i njeov uticaj na odnos strija c / R srazmerno veći. Slika. Slika 3. Na slici 3 prikazano je kolo poznato kao "Wilsonovo strujno oledalo" sa NPN tranzistorima kod koa je uticaj koeficijenta strujno pojačanja β na odnos izlazne i referentne struje u velikoj meri smanjen. Na sličan način realizuje se ovaj strujni izvor sa PNP tranzistorima. Odnos struja c / R kod ovo strujno oledala dat je sledećim izrazom: c 1 (.7) R 1 + β + β

3 NTEGRSN KOL OPERONH POJČVČ 49 Ovaj odnos struja mnoo manje zavisi od veličine β. Sem toa, Wilsonov strujni izvor ima mnoo veću izlaznu otpornost koja je približno β r (.8) R Još jedan strujni izvor sa smanjenim uticajem koeficijenta strujno pojačanja β na odnos izlazne i referentne struje prikazan je na slici 4. Odnos izlazne i referentne struje u ovom slučaju dat je izrazom: c 1 (.9). R 1 + β + β Umesto da se odnos struje na izlazu i referentne struje podešava odovarajućim površinama emitorskih spojeva tranzistora T 1 i T često se primenjuje Widlarov loaritamski strujni izvor sa slike 5. Slika 4. Slika 5 Ovo kolo je naročito poodno za dobijanje male izlazne struje, jer je otpornikom R napravljena razlika napona baza-emitor tranzistora T 1 i T, tako da i kolektorske struje ovi tranzistora nisu jednake. Ukoliko su ova dva tranzistora identična tada važi sledeća relacija: V V R (.1) ( ) be T ln c 1 c c Očiledno je ovo transcedentna jednačina po struji c. Medjutim, potrebno je istaći da se sa malim vrednostima otpornika R dobija veoma mala izlazna struja c, i ako je referentna struja R relativno velika. Kod najprostije strujno izvora (strujno oledala) za dobijanje male izlazne struje pri odredjenom naponu napajanja potreban je veom a veliki otpornik R koji definiše referentnu struju. zlazna otpornost Widlarovo strujno izvora je takodje značajno povećana ne samo zbo smanjenja struje c (povećava se m c /V T, pa se povećava i izlazna otpornost tranzistora r 1/(η m ) već i zbo delovanja redno-redne neativne reakcije u kolu preko otpornika R u emitorskom kolu. To se može potvrditi analizom ekvivalentno kola sa slike 6., a rezultujuća izlazna otpornost Widlarovo strujno izvora iznosi: V x (.11) R r ( 1 + R ) O x m Slika 6. Widlarov strujni izvor se može modifikovati na različite načine, na primer dodavanjem otpornika i u emitorsko kolo tranzistora T 1, čime se odnos izlazne i emitorske struje može podešavati odnosom otpornika R 1 i R. Za povećanje izlazne otpornosti u Widlarovom strujnom izvoru može se kao otpornik R koristiti najprostiji strujni izvor -

4 5 NLOGN ELEKTRONK strujno oledalo, čija izlazna otpornost r u ovom slučaju zamenjuje vrednost otpornika R, tako da pri istom naponu napajanja, odnosno pri istom jednosmernom režimu rada dobijamo znatno veću izlaznu otpornost Widlarovo strujno izvora. 3 TEMPERTURSK STBLZJ ZLZNE STRUJE ZVOR KONSTNTNE STRUJE zlazna struja izvora konstantne struje je funkcija temperature, jer zavisi od napona V be, koji zavisi od termičko potencijala V T i inverzne struje zasićenja kolektorsko spoja cs čije su temperaturske zavisnosti poznate. Na slici 7a prikazano je kolo za smanjenje uticaja temperature korišćenjem pomerača jednosmerno nivoa. Kao mera to uticaja definiše se temperaturski koeficijent TF na sledeći način: 1 δ (3.1) TF δt Kako je prema slici 7a: V R + n + V (3.) ( ) z be Slika 7. to je temperaturski koeficijent dat izrazom: 1 δvz δvbe R (3.3) TF ( n + ) R T T 1 R δ δ δ δt z uslova da je temperaturski koeficijent jednak nuli dobija se izraz za potreban broj redno vezanih dioda n: δvz 1 δr Vz (3.4) n δt R δt δvbe 1 δr Vbe δt R δt Naravno, broj redno vezanih dioda je celi broj, što znači da se na ovaj način ne može dobiti nulti temperaturski koeficijent. Zbo toa se umesto n redno vezanih dioda može upotrebiti veza tranzistora i dva otpornika prema slici 7b. Napon izmedju kolektora i emitora R odredjena odnosom primenjenih otpornika, prema izrazu Uce 1 + U be, i može biti R B

5 NTEGRSN KOL OPERONH POJČVČ 51 proizvoljni broj veći od jedan. Tom prilikom treba uzeti otpornike takvih vrednosti da su struje kroz njih daleko veće od struje baze tranzistora. 4 BLOK ŠEM OPERONOG POJČVČ Operacioni pojačavač se može predstaviti blok šemom prema slici 8. Slika ulazni diferencijalni pojačavač. kolo za prilaodjenje simetrično izlaza prvo stepena na nesimetrični ulaz treće stepena (ovo kolo je obično u sastavu prvo stepena) 3. pojačavač napona 4. pomerač jednosmerno nivoa napona 5. izlazni pojačavač Ulazni stepen je uvek diferencijalni pojačavač koji u najvećoj meri definiše, tj. odredjuje osnovne karakteristike operaciono pojačavača, a to su: 1. Ulazni ofset napon - naponska nepodešenost ulaza - to je napon koji treba priključiti izmedju ulaznih priključaka pojačavača sa diferencijalnim ulazom, ili izmedju jedno ulazno priključka i mase kod pojačavača s jednim ulazom, tako da napon na izlazu pojačavača bude jednak nuli.. Ulazna struja polarizacije - srednja vrenost ulaznih struja u slučaju diferencijalno ulaza, odnosno potrebna ulazna struja na ulazu pojačavača sa jednim ulazom. 3. Strujna nepodešenost ulaza je razlika ulaznih struja kod pojačavača sa diferencijalnim ulazom. 4. Naponski i strujni drift - naponska, a naročito strujna nepodešenost su nelinearne funkcijske zavisnosti od temperature. 5. Pojačanje diferencijalno sinala - predstavlja odnos promene napona na izlazu i promene napona diferencijalno ulaza i naziva se pojačanjem diferencijalno pojačavača. 6. Pojačanje sredje vrednosti sinala - ovo pojačanje treba da teži nuli, odnosno da faktor potiskivanja srednje vrednosti sinala (odnos pojačanja diferencijalno sinala i pojačanja srednje vrenosti sinala) MRR (common mode rejection ratio) treba da bude što veći. 7. Potiskivanje promene napona napajanja - promene napona na izlazu, pored toa što zavisi od promene napona na ulaznim priključcima, zavise i od promene napona napajanja. Faktor potiskivanja promena napona napajanja definiše se odnosom promene napona jedno od izvora za napajanje i odovarajuće naponsko ofseta ulaza. 8. Naponski opse srednje vrednosti sinala na ulazu - ovaj parametar je odredjen maksimalnom srednjom vrednošću sinala na ulazu za koji pojačavač još uvek radi u linearnom režimu. 9. Ulazna i izlazna otpornost - ulazna otpornost (za promenljiv sinal) definiše se za diferencijalni sinal i za srednju vrednost sinala. zlazna otpornost se obično daje za slučaj kada kolo reakcije nije priključeno. 1. Frekventni opse - o njemu najpotpunije informacije daje frekventna karakteristika pojačavača, mada se obično navodi samo frekvencija jedinično pojačanja. 11. Brzina promene napona na izlazu, tj. brzina odziva na velike sinale (slew rate) - to je maksimalna brzina promene napona na izlazu pri pobudjivanju velikim ulaznim sinalom i izražava se u V/µs. Većina ovih parametara, koji direktno utiču na karakteristike operaciono pojačavača potiču od razlika u izvodjenju i konstrukciji ulazno stepena - diferencijalno pojačavača.

6 5 NLOGN ELEKTRONK Zbo toa su različite modifikacije ulazno diferencijalno stepena u narednom izlaanju nešto deteljnije analizirane. 4.1 Diferencijalni pojačavač Osnovno kolo diferencijalno pojačavača prikazano je na slici 9, a ekvivalentna šema polovine pojačavača dobijene primenom bisekcione teoreme za nesimetrične ulazne sinale u 1 -u u d / prikazana je na slici 1. Slika 9. Slika 1. Koristeći ekvivalentnu šemu sa 1. može se dobiti izraz za diferencijalno pojačanje diferencijalno pojačavača sa simetričnim izlazom koje iznosi: u i d ( ) EE R d, de je: d ( ) m R u s d UT 1+ p p r π 1+ ωt rb β + ( 1 ω R ) T. ko je diferencijalni pojačavač sa nesimetričnim izlazom, odnosno ako se izlazni sinal uzima samo sa jedno kolektora, diferencijalno pojačanje pri niskim frekvencijama iznosi: m R d ( ). Kada se diferencijalni pojačavač pobudjuje simetričnim sinalom - sinalom srednje vrednosti (common mode) u 1 u u cm, diferencijalni pojačavač se svodi na ekvivalentno kolo sa slike 11. Pojačanje srednje vrenosti sinala je u ovom slučaju: mrπr cm. r 1+ R + r + R 1+ sr π ( m E ) ( b E )( π t ) Slika 11. ko se zanemari otpornost r b, izraz za pojačanje sinala srednje vrednosti pri niskim frekvencijama postaje:

7 NTEGRSN KOL OPERONH POJČVČ 53 mr cm. 1 + mr E Faktor potiskivanja srednje vrednosti sinala pri niskim frekvencijama, koji je definisan odnosom diferencijalno pojačanja i pojačanja srednje vrednosti sinala, je prema tome: d ( ) MRR 1 + mr E cm ( ) Naravno, ovaj izraz je izveden pod pretpostavkom da je diferencijalni pojačavač potpuno simetričan, ali je u praksi MRR manji zbo nepodešenosti tranzistora. MRR se može povećati povećanjem otpornika R E, što nije poodno jer se zahteva veći napon izvora za napajanje za ostvarivanje isto jednosmerno režima, a pored toa za veći otpornik R E potrebna je i veća površina na čipu za njeovu realizaciju. Zbo toa se ovaj otpornik zamenjuje izvorom konstantne struje, prema slici 1. U tom slučaju efektivna otpornost koja deluje u emitorskom kolu tranzistota T 1 i T jednaka je izlaznoj otpornosti izvora konstantne struje R r 3 (1+ m3 R ). Slika 1. Slika 13. Dalje povećanje MRR može se postići primenom povratne spree prema slici 13. Pretpostavimo da se povećava srednja vrednost sinala na izlazu prvo stepena. Usled toa povećava se i jednosmerna struja kroz emitorske otpornike (R i R B ) u druom pojačavačkom stepenu, pa se zbo toa povećava i potencijal na bazi tranzistora T 3. Kao rezultat toa raste struja, tj struje tranzistora T 1 i T, pa se smanjuju naponi na kolektorima ovih tranzistora, tj. smanjuje se početna promena na izlazu prvo pojačavačko stepena. 4. Konverzija simetrično izlaza diferencijalno pojačavača u nesimetrični Da bi pojačanje ulazno diferencijalno stepena sa nesimetričnim izlazom bilo jednako pojačanju u slučaju simetrično izlaza koristi se strujno oledalo, tj. dinamičko opterećenje kao kolo za konverziju simetrično izlaza diferencijalno pojačavača u nesimetrični. Ovakvo kolo je prikazano na slici 14. Kolektorske struje tranzistora T 1 i T zavise od diferencijalno napona (u d u 1 -u ), ali se u linearnom režimu rada mou predstaviti kao: EE EE 1 + i. Strujno oledalo promenu kolektorske struje 1, tj. struje 3 ( 3 1 ) preslikava kao promenu struje 4, pa je: EE 4 1 +

8 54 NLOGN ELEKTRONK Struja kroz opterećenje R L je jednaka razlici kolektorskih struja tranzistora T 4 i T i iznosi: L 4 Očiledno je da je struja kroz opterećenje R L na slici 14. (nesimetričan izlaz), a samim tim i vrednost napona na njemu, srazmeran dvostrukoj vrednosti promene struje jedno tranzistora u diferencijalnom paru, što odovara vrednosti napona na potrošaču, koji je spojen izmedju kolektora tranzistora diferencijalno pojačavača (slučaj simetrično izlaza sa slike 1.). Slika 14. Slika 15. Nedostaci ovakvo načina prilaodjenja simetrično ulaza na nesimeričan su sledeći: -postoji nesimetrija u kolektorskim kolima tranzistora T 1 i T, pa se stoa naponi na njihovim kolektorima medjusobno dosta razlikuju. Zbo toa efekti modulacije širine baze kod ovih tranzistora nisu jednaki što dovodi do povećanja naponske nepodešenosti ulazno kola (naponski ofset). Na nepodešenost kolektorskih struja tranzistora T 1 i T doprinosi i mala vrednost koeficijenata strujno pojačanja PNP tranzistora koji čine strujno oledalo, što ima za posledicu povećanje strujno ofseta. Ovaj nedostatak se može znatno smanjiti ako se PNP tranzistori koriste kao ulazni tranzistori u osnovnom diferencijalnom pojačavaču, dok je dinamičko opterećenje, tj. strujno oledalo izvedeno sa NPN tranzistorima (slika 15.). Medjutim, ovo rešenje daje smanjeno diferencijalno pojačanje diferencijalno pojačavača sa mnoo nižom raničnom frekvencijom. 4.3 Smanjivanje ulazne struje Strujna nepodešenost ulaza, tj. strujni ofset je jedna od karakterističnih parametara u projektovanju ulazno stepena operacionih pojačavača. ako se struja baze ulaznih tranzistora može dobiti pomoću kola za polarizaciju u samom operacionom pojačavaču, jedan deo ulazne struje uvek potiče iz eneratora sinala kojim se pojačavač pobudjuje. ko su otpornosti eneratora sinala velike, nejednakost ulaznih struja dovodi do znatne naponske nepodešenosti na ulazu. Zbo toa ulazne struje treba da su što manje. Najjednostavniji način smanjivanja ulazne struje je korišćenje baznih otpornika, kao što je dato na slici 16. Nedostatak ovakvo načina smanjivanja ulazne struje je to što je potrebna velika vrednost otpornika R 1, što zahteva veliku površinu čipa u interisanoj tehnoloiji. Pored toa, struja zavisi od napona napajanja V, što je takodje veliki nedostatak. Veliko smanjenje ulazne struje može se postići primenom Darlintonove spree tranzistora u ulaznom diferencijalnom pojačavaču, ali se na taj način dobija mnoo veći naponski drift. Zbo svea

9 NTEGRSN KOL OPERONH POJČVČ 55 toa se u interisanoj tehnici najčešće koriste kola sa povratnom spreom prikazana na slikama 17. i 18. Slika 16. Slika 17 Slika 18 Ukoliko PNP i NPN tranzistori imaju veliki koeficijent strujno pojačanja β tada je ulazna struja operaciono pojačavača približno jednaka nuli. Medjutim, s obzirom da je strujno pojačanje β PNP tranzistora mnoo manje od strujno pojačanja β NPN tranzistora ovaj uslov najčešće nije ispunjen. U tom slučaju tranzistori isto tipa moraju biti dobro upareni kako bi ulazna struja bila što manja. 4.4 Pojačavač napona Pošto naponsko pojačanje ulazno diferencijalno pojačavača nije dovoljno veliko, operacioni pojačavači imaju izmedju ulazno i izlazno stepena još jedan ili dva naponska pojačavačka stepena. Pored toa ovaj pojačavač treba da ostvari i dovoljno strujno pojačanje za pobudjivanje izlazno stepena. Naponsko pojačanje treba da iznosi 5-6 db, i da ima veliku ulaznu otpornost da bi se smanjilo opterećenje izlazno priključka prvo pojačavača. Zbo toa se koristi kompaundovana veza stepena sa zajedničkim kolektorom i stepena sa zajedničkim emitorom i dinamičkim opterećenjem, koji može biti i Darlintonov par tranzistora sa dinamičkim opterećenjem (slika 19.). Slika 19 Slika. Drui način povećanja pojačanja je kada se stepen sa zajedničkim emitorom zameni kaskadnim pojačavačem sa dinamičkim opterećenjem. Dominantni pol u prenosnoj funkciji

10 56 NLOGN ELEKTRONK pojačavačko stepena potiče od vremenske konstante kolektorsko kola tranzistota T 3 u kolu na slici, pošto je ekvivalentna otpornost r 3 r 4. Mala izlazna otpornost tranzistora T 1 sa malom ulaznom kapacitivnošću tranzistora T daje malu vremensku konstantu, čak 1 puta manju od prethodne. 4.5 zlazni stepen zlazni stepen treba da zadovolji sledeće zahteve: - da potrošaču može da preda dovoljnu korisnu snau - da ima dovoljno veliku dinamiku sinala (dovoljno velike promene napona i struje) - da ima što manju disipaciju - da ima veliku ulaznu, a malu izlaznu impedansu - da ima zaštitu od kratko spoja izlazno priključka na masu ili na neki od izvora za napajanje. Većinu ovih zahteva ispunjava običan stepen sa zajedničkim kolektrorom (velika ulazna i mala izlazna otpornost, nedominantni pol). Nedostatak ovo stepena je velika potrošnja, koja se može smanjiti ako se emitorski otpornik zameni strujnim izvorom. pored toa potrošnja je velika jer pojačavač radi u klasi. Manju potrošnju imaju pojačavači u klasi B. Najčešće se koristi stepen u klasi B sa komplementarnim tranzistorima, koji je prikazan na slici 1. Nedostatak je malo pojačanje PNP tranzistora T 1. Zaštita od preopterećenja ili kratko spoja izlazno priključka sa izvorom za napajanje vrši se na način prikazan na slici. Vrednosti otpornika R E1 i R E su odabrane tako da tranzistori T 4 i T 5 počinju da vode pri odredjenoj maksimalno dozvoljenoj struji tranzistora T 1 i T. Kada provedu tranzistori T 4 i T 5 smanjuju se bazne struje tranzistora T 1 i T, jer deo izlazne struje preuzimaju tranzistora T 4 i T 5. Slika 1. Slika. 4.6 Brzina odziva na velike sinale Brzina odziva na velike sinale (slew rate) predstavlja maksimalno mouću brzinu promene sinala na izlazu. Operacioni pojačavač se uprošćeno može predstaviti kao na slici 3.

11 NTEGRSN KOL OPERONH POJČVČ 57 Slika 3. Kada na ulazu pojačavača deluje sinal oblika jedinične funkcije amplitude veće od U T tranzistor T se skoro trenutno zakoči pa tranzistor T 1 preuzima celokupnu struju strujno izvora. Zbo strujno oledala tranzistori T 3 i T 4 vode istu struju tako da se kondenzator K puni konstantnom strujom pa je napon na njemu (ujedno i izlazni promenljivi napon) dat izrazom: t 1 u dt t o K K Kako je izlazni napon linearna funkcija vremena, njen naib predstavlja maksimalnu brzinu odziva na velike sinale duo c SR dt max K S drue strane kondenzator K odredjuje dominantni pol i kako je pojačanje dato izrazom: u o m ui s K frekvencija jedinično pojačanja, tj. kritična frekvencija iznosi: 1 K ω. m Prema tome, brzina odziva na velike sinale (slew rate) je: du o c S R ω ω UT dt max m i ona je, za datu frekvenciju jedinično pojačanja ω, konstanta, jer je i U T, temperaturski napon, konstantan za datu temperaturu. Maksimalna brzina odziva se u tom slučaju može povećati ubacivanjem otpornika R E u emitorska kola ulaznih tranzistora T 1 i T i na taj način se smanjuje strmina ulazno stepena, i iznosi: * m m. 1 + mr E Nažalost, na ovaj način povećava se naponski ofset (naročito zbo neuparenosti otpornika R E ), kao i šumovi na ulazu operaciono pojačavača. Kada se pojačavač pobudjuje velikim prostoperiodičnim sinalom, napon na izlazu može biti prostoperiodičan samo za frekvencije za koje je maksimalna vrednost izvoda izlazno sinala manja ili jednaka maksimalnoj brzini odziva. Kako je du dt o ω U o cos ωt

12 58 NLOGN ELEKTRONK to je brzina odziva na velike sinale duo S R ω Uo. dt max