ELECTRONICĂ ANALOGICĂ Departamentul de Electronică şi Calculatoare str. Politehnicii 1, 500024 Braşov 0268 478705 ELECTRONICĂ ANALOGICĂ Cursul nr. 6

C6 - Probleme tratate Limitări statice ale AO Probleme Generalități 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 C6 - Probleme tratate Limitări statice ale AO Generalități Structură simplificată de AO Offset-ul Probleme

6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Generalități Atât timp cât AO lucrează la frecvențe moderate și câștiguri moderate în buclă închisă, există, în general, un acord aproape perfect între comportamentul real și comportamentul prezis de modelul ideal al AO. Creșterea frecvenței și/sau a amplificării este însoțită de o degradare progresivă în ambele răspunsuri, atât în frecvență cât și în timp. Chiar dacă frecvențele de funcționare sunt menținute la un nivel corespunzător de scăzut, alte limitări intră în joc. În general, desemnate ca erori referite la intrare, ele sunt deosebit de vizibile în aplicații cu câștig mare de c.c. Cele mai obișnuite sunt curentul de polarizare a intrărilor, IB, curentul de intrare de offset, IOS, tensiunea de intrare de offset, VOS și densitățile de zgomot în c.a., en și in.

6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Generalități Subiecte înrudite sunt variația cu temperatura sau driftul termic, rejecția modului comun, CMRR (Common-Mode Rejection Ratio), rejecția surselor de alimentare, SVRR (Supply Voltage Rejection Ratio) sau PSRR (Power Supply Rejection Ratio) și neliniaritatea câștigului. Aceste neidealități sunt, în general, insensibile la proprietățile binefăcătoare ale reacției negative, iar efectele lor trebuie ameliorate individual, prin alte mijloace.

6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Generalități Aceste neidealități nu trebuie să scadă încrederea în utilizarea modelului ideal de AO în analiza preliminară a circuitelor realizate cu AO. Modelul de AO ideal reprezintă o unealtă puternică de studiu și analiză a tuturor circuitelor implementate cu AO. Abaterile de la idealitate sunt descrise de parametrii AO. Acești parametri trebuie luați în seamă doar într-o analiză de ordinul doi și trebuie analizată influența lor particulară asupra circuitului studiat pentru a preveni cât mai mult posibil neajunsurile provocate de acești parametri ai AO.

6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Generalități În principiu, fiecare limitare poate fi estimată fie prin calcul, fie prin simulare pe calculator, odată ce se cunosc structura internă și parametrii de proces ai AO. O abordare alternativă este de a considera dispozitivul drept o cutie neagră și de a folosi informațiile disponibile în foile de catalog pentru a-l modela și apoi a prezice comportamentul acesteia. Dacă performanțele reale nu îndeplinesc obiectivele, proiectantul va schimba fie abordarea de circuit sau va selecta un alt dispozitiv, fie va face o combinație a celor două aspecte, până la găsirea unei soluții satisfăcătoare. Interpretarea corectă a informațiilor din foile de catalog este esențială pentru realizarea cu succes a circuitelor analogice.

Structură simplificată de AO 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Structură simplificată de AO Chiar dacă foile de catalog furnizează toate informațiile pe care utilizatorul trebuie să le cunoască, o familiarizare de bază cu tehnologiile și topologiile de AO va ajuta la selectarea optimă a dispozitivului pentru o anumită aplicație. Bazat pe tehnologie, AO se împart în trei categorii: AO bipolare AO cu intrări cu TEC-J, numite și BiFET CMOS, unele fiind combinații cu bipolare – BiCMOS Bazat pe topologie, AO se împart în: VFA (Voltage Feedback Amplifier) CFA (Current Feedback Amplifier)

Structură simplificată de AO 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Structură simplificată de AO Pentru a înțelege sursa abaterilor de la idealitate, este util să se analizeze o structură internă de AO, cum ar fi, de exemplu, AO de tipul 741 (schema simplificată):

Structură simplificată de AO Etajul de intrare 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Structură simplificată de AO Etajul de intrare Acest etaj sesizează orice dezechilibru între tensiunile de intrare inversoare și neinversoare vN și vP și îl convertește într-un semnal de ieșire cu referință masa (curentul de ieșire iO1), adică face trecerea de la modul diferențial (double ended) la modul simplu (single ended). Q1 și Q2 alcătuiesc un amplificator diferențial, iar Q3 și Q4 o oglindă de curent. Este responsabil de: IB, IOS, VOS, en, in; o parte a amplificării în buclă deschisă; impedanța de intrare în buclă deschisă.

Structură simplificată de AO Etajul intermediar 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Structură simplificată de AO Etajul intermediar Etajul este alcătuit din repetorul Q5 și amplificatorul Q6 și conține condensatorul de compensare în frecvență, CC. Etajul este responsabil pentru: a doua parte a amplificării în buclă deschisă parametrul SR – viteză maximă de variație a tensiunii de ieșire a AO, fenomen datorat vitezei finite de încărcare/descărcare a lui CC. În aplicațiile cu reacție negativă, CC are rolul de a stabiliza AO împotriva oscilațiilor nedorite. Deoarece CC este fabricat pe același cip de siliciu, se spune că AO este compensat intern. La AO necompensați intern, utilizatorul conectează în exterior rețeaua de compensare.

Structură simplificată de AO Etajul de ieșire 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Structură simplificată de AO Etajul de ieșire Este realizat cu repetoarele pe emitor Q7 și Q8. Diodele D1 și D2 realizează o prepolarizare a celor două tranzistoare, prin căderi de tensiune identice cu cele de pe joncțiunile B-E ale tranzistoarelor. Etajul este responsabil pentru: Impedanță de ieșire mică în buclă deschisă; Curentul maxim de la ieșirea AO; Tensiunile de saturație.

Limitări statice ale AO Offset-ul 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Offset-ul Cea mai importantă limitare statică este OFFSET-ul sau DECALAJUL Limitările statice de offset (abateri de la idealitate) constau în erori determinate de: IB – curentul de polarizare a intrărilor: IB=(IP+IN)/2; IOS – curentul de intrare de offset: IOS=IP-IN; VOS – tensiunea de intrare de offset

Limitări statice ale AO Offset-ul 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Offset-ul AO cu offset  AO ideal + 3 generatoare de eroare: Sursa de tensiune, VOS și Sursele de curent, IP şi IN Pentru a determina erorile cauzate de offset se poate aplica principiul suprapunerii de efecte.

Limitări statice ale AO Offset-ul 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Offset-ul Modelul de circuit cu offset Pe schema reală analizată, AO se consideră ideal şi se adaugă în exterior un generator de eroare de tensiune VOS şi două generatoare de eroare de curent IN, respectiv IP:

Limitări statice ale AO Offset-ul 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Offset-ul Modelul de circuit cu offset (continuare) Pentru determinarea tensiunii de ieşire de decalaj (offset): se pasivizează intrarea/intrările (bornele notate „intrare”); se aplică superpoziţia: se consideră, pe rând, influenţa celor trei generatoare de eroare şi, la final, se adună efectele lor. Se consideră cazul în care prin pasivizare, cele două borne „intrare” se leagă la masă.

Limitări statice ale AO Offset-ul 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Offset-ul Influența curentului IP Curenţii prin intrările AO  0 şi deci curentul IP circulă prin RP şi determină căderea de tensiune (RPIP); Circuitul este o configuraţie neinversoare care amplifică această tensiune cu factorul de amplificare (1+R2/R1) şi se obţine:

Limitări statice ale AO Offset-ul 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Offset-ul Influența curentului IN Deoarece se consideră numai influenţa curentului IN, potenţialul intrării neinversoare este egal cu cel al masei (0V), deoarece nu circulă curent prin RP; Tensiunea de intrare diferenţială se presupune egală cu zero, astfel că şi intrarea inversoare are tot potenţial zero; Rezistenţa R1 având acelaşi potenţial (0V) la ambele capete nu este parcursă de curent; Rezultă că IN circulă numai prin R2.

Limitări statice ale AO Offset-ul 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Offset-ul Se observă că indiferent de sensul curenților IP și IN față de intrările AO, cele două componente EO1 și EO2 au semne contrare, în consecință contează doar mărimea acestei componente a tensiunii de ieșire de decalaj și de aceea se consideră în modul:

Limitări statice ale AO Offset-ul 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Offset-ul Influența tensiunii VOS Se obține o configuraţie neinversoare Curenţii prin intrările AO  0, deci căderea de tensiune pe RP este egală cu zero și doar VOS se aplică la intrarea neinversoare: unde

Limitări statice ale AO Offset-ul 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Offset-ul Tensiunea de intrare de offset, VOS are mai multe componente: Cea iniţială, determinată de neîmperecherea tranzistoarelor din AD de la intrarea AO, VOS0 Variaţia cu temperatura (numită drift), TC(VOS)xT Componenta datorată tensiunii de intrare de mod comun, vCM/CMRR Componenta datorată variaţiei tensiunii surselor de alimentare, VS/PSRR Componenta datorată variaţiei tensiunii de ieşire, vO/a

Limitări statice ale AO Offset-ul 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Offset-ul Prin superpoziţie se obţine pentru tensiunea de ieşire de decalaj, EO, relaţia: Observații: Tensiunea de decalaj se indică în foile de catalog doar ca mărime, de aceea s-a luat în modul; totdeauna tensiunile Eo1 şi Eo2, determinate de IP şi IN, au semn opus şi de aceea suma algebrică a termenilor care conţin cei doi curenţi se consideră în modul.

Limitări statice ale AO Offset-ul 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Offset-ul Rezistența de compensare a efectului curenţilor de polarizare a intrărilor AO, RP se determină ţinând seama de faptul că IOS este totdeauna mai mic decât IB. La AO-741, IOS=20...200nA iar IB=80...500nA. Pentru a face EO dependentă doar de IOS, se pune condiţia: de unde rezultă pentru RP relaţia:

Limitări statice ale AO Offset-ul 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Offset-ul Dacă RP=R1||R2 şi IOS=IP-IN atunci EO se scrie Se poate considera că tensiunea totală de offset la intrare este

6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Probleme P1. Circuitul din figură are R1=22kΩ și R2=2,2MΩ și conține un AO caracterizat prin VOS=5mV, IB=80nA și IOS=20nA. Să se determine: EO dacă RP=0; EO dacă RP=R1||R2; EO ca-n cazul b) dar cu rezistențe de 10 ori mai mici; EO ca-n cazul c) dar cu alt AO care are IOS=3nA.

6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Probleme P1. Rezolvare În relația tensiunii de ieșire de decalaj punând RP=0, rezultă Din sistemul de relații pentru IB și IOS rezultă:

Probleme P1. Rezolvare Deci și Eoa va avea valoarea: 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Probleme P1. Rezolvare Deci și Eoa va avea valoarea:

6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Probleme P1. Rezolvare b) Dacă RP are valoarea optimă R1||R2=21,78kΩ, atunci tensiunea de ieșire de decalaj se scrie: Se observă o scădere datorată micșorării componentei care este dependentă de curentul de offset.

6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Probleme P1. Rezolvare c) Dacă rezistențele au valori de 10 ori mai mici, atunci la fel ca mai înainte. În schimb se modifică valoarea lui RP, scăzând și ea de 10 ori: și tot de 10 ori va scădea și componenta din EO datorată curentului de ofset:

6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Probleme P1. Rezolvare d) Dacă IOS=3nA, atunci componenta de offset referită la intrare va fi și tensiunea de decalaj se scrie

6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Probleme P1. Observații În tensiunea de decalaj de la ieșire, componenta datorată curenților prin intrările AO, IP și IN are mărimea: 154mV 44mV 4,4mV și 0,65mV

Limitări statice ale AO Observații 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Observații Pentru reducerea efectului curenților de polarizare a intrărilor AO trebuie luate următoarele măsuri: Pe cât posibil, intrările AO să vadă, după pasivizarea surselor de semnal, rezistențe de valori egale, adică să fie îndeplinită o relație de forma RP=R1||R2; Valorile rezistenețelor să fie menținute la valorile cele mai mici permise de aplicație; Să se utilizeze AO cu parametrul IOS cât mai mic.

Limitări statice ale AO Circuite de anulare a offset-ului 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Circuite de anulare a offset-ului Circuite interne, AO fiind echipat cu pini speciali pentru conectarea circuitului de anulare a offset-ului Exemplu la AO de tipul 741 se utilizează un potențiometru al cărui cursor se conectează la tensiunea negativă de alimentare:

Limitări statice ale AO Circuite de anulare a offset-ului 6/7/2019 EA-Cursul nr. 6 Limitări statice ale AO Circuite de anulare a offset-ului Circuite externe, care se pot folosi cu orice AO Exemplu de utilizare la pinul fără semnal al AO