Capitolul 6 Amplificatoare operationale. Structuri interne · 6.1. Introducere AO ideal • impedanta de intrare infinita • impedanta de iesire nula • amplificare in tensiune

Capitolul 6 Amplificatoare operationale.

Structuri interne

6.1. Introducere

( )−+ −= iiO vvav

6.1. Introducere

- +

a

vo

vi+

vi-

Un AO prezinta:

- intrare diferentiala si iesire simpla

- capacitatea de a rejecta semnalele parazite

6.1. Introducere

AO ideal

•  impedanta de intrare infinita •  impedanta de iesire nula •  amplificare in tensiune infinita •  banda de frecventa infinita (raspuns instantaneu) – slew rate infinit •  tensiune de iesire nula pentru tensiune de intrare nula •  diferenta de potential nula intre cele doua intrari •  curenti nuli de intrare

AO real: •  impedanta de intrare foarte mare •  impedanta de iesire mica •  amplificare in tensiune foarte mare

6.2. Structuri interne de amplificatoare operationale

Amplificatoare operationale clasice in tehnologie CMOS

IO M9

M5

M6

M2

M3

M1

M4

M8

M7

VDD

vO

VC1

v2 v1

6.2.1. Amplificator operational cu un etaj de amplificare

Regim static

( )2T1COnot

9D VV2KII −==

2/II...II O8D2D1D ====

( )121m1D2D4D3D8D3D5D6D vvgiiiiiiii −=−=−=−=−

( ) ( ) O121mO5D6DO RvvgRiiv −=−= 2/rr//rR 5ds5ds6dsO ==

( ) ( )125ds1mO121mO vvrg21Rvvgv −=−=

O5ds1m I

K1rg21a

λ==

Regim dinamic

6.2.2. Amplificator operational cu 2 etaje de amplificare (1)

v2 v1

M7 M8

R

VDD

vO

M6

M5

M4 M3

M2 M1 IO A

Regim static

DD8GSO VVRI =+

( )2T8GSO VV2KI −=

( ) 8GS2

T8GS8GSDD VVV2RKVV ⇒−+=⇒ )( T8GS VV >

( )2T8GSO VV2KI −=⇒

O8D7D6D5D IIIII ====

2I2IIIII O7D4D3D2D1D // =====

Regim dinamic

( ) ( )6ds5ds5m4ds2ds1m r//rgr//rga =

KI2VVVVVVVVV O

DDT5SGDD2GSsat2DS5SGDDIC −=+−=+−−=max

Domeniul maxim al tensiunii de intrare de mod comun

( )KI12VVVVVVV O

TT1GS7GS1GSsat7DSIC ++=−+=+=min

Amplificarea circuitului

v2 v1

VDD

vO

IO

M11 M12 M7

M14 M8

M10

M9

M4 M3 M5 M6

M13

M1 M2

6.2.3. Amplificator operational cu 2 etaje de amplificare (2)

Regim static

2I

II O8D1D === ...

O14D9D III === ...

Regim dinamic


Amplificarea circuitului

( ) ( ) 10ds4ds10m1m9ds10ds10m8ds4ds1m rrgg41r//rgr//rga ==

KIVVVVVV O

DD2GSsat2DS3SGDDIC −=+−−=max

( ) TO

sat14DS2GSIC VKI12VVV ++=+=min

v2 v1

VDD

vO

M11

M10

M9

M8

M7

M6

M5 M4

M3 M2

VC3 VC2 VC1 M1

6.2.4. Amplificator operational cu 3 etaje de amplificare

Regim static

Regim dinamic

( )

( )

( )

2IIIII

VVV2K

IIII

VVV2KII

VVV2KI

1D5D4D3D2D

2T3CDD

9D8D11D10D

2T2CDD7D6D

2T1CDD1D

====

−−=

====

−−==

−−=

( )5ds3ds2mddI r//rgA =

( )7ds6ds7mII r//rgA −=

( )11ds10ds8mIII r//rgA −=

Amplificatoare operationale cascod in tehnologie CMOS

6.2.5. Amplificator operational cascod cu un etaj de amplificare (1)

Regim static

2/II...II O14D2D1D ====

210ds10m

212ds12m

210ds10mO rg

21rg//rgR ==

( ) ( )12210ds10m1mO121mO vvrgg

21Rvvgv −=−=

210ds10m1m rgg

21a =

Regim dinamic

v2 v1

IO

VDD

vO

M14

M12

M13

M11

M2 M1

M10

M8

M4

M6

M3

M9

M5

M7

6.2.6. Amplificator operational cascod cu un etaj de amplificare (2)

Regim static

Regim dinamic

R

VC2

VC1

T10 T7

T9

T8

T6 T4 T5 T3

T1

T11

T2

T12

v1

VDD

vO

v2 IO

2I2I2IIII O12D11D10D2D1D ///... ======

29ds9m6ds8ds8m7ds9ds9mO rg

21rrgrrgR == //

O1m Rga =

Amplificatoare operationale cascoda intoarsa (folded cascod) in tehnologie CMOS

6.2.7. Amplificator operational cascoda intoarsa (1)

Regim static

Regim dinamic

v2 v1

VDD

vO

M6 M5

M4 M3

M8 M7

M10 M9

M11 M12

M2 M1

IO

R VC1

VC2

2/III O2D1D ==

O12D11D III ==

( )2T2CDD6D5D VVV2KII −−==

2D6D10D

7D4D3DIII......III

−==

===

O1m Rga =

( )[ ]2ds6ds4m4ds10ds8m8dsO r//rgr//rgrR =

( ) ( ) 2D1D1D5D2D6D3D4D8D4D iiiIiIiiii −=−−−=−=−

6.2.8. Amplificator operational cascoda intoarsa (2)

C v2

IO

M14 K

M12 5K

M2A 3K/2

v1

VDD

vOUT

M3A K

M1A 3K/2

M103K

M9 3K

M8K

M4 K

M6K

M3 K

M4A K

M11 27K

M13 12K

M2 K

M1 K

M7 K

M5K

2I5

2II3IIIIII;I27II

I12II;I3II;IIIII

OOO4D3DA2DA1DA4DA3DO12D11D

O14D13DO10D9DO8D7D6D5D

=−========

========

Regim static

6.2.8. Amplificator operational cascoda intoarsa (3) - continuare

C v2

IO

M14 K

M12 5K

M2A 3K/2

v1

VDD

vOUT

M3A K

M1A 3K/2

M103K

M9 3K

M8K

M4 K

M6K

M3 K

M4A K

M11 27K

M13 12K

M2 K

M1 K

M7 K

M5K

Regim dinamic

( )[ ]2ds10dsA2mA2ds2A4dsA4m1O

1O1m1

r//rg1r//rgR

Rga

+=

=

2O12m2 Rga −=

12ds11ds2O r//rR =

6.2.8. Amplificator operational cascoda intoarsa (3) - continuare

IO2

M3 M4

IO1

M4A M3A

M14 IO1

V

V1

Analiza functionarii sursei de curent pentru tensiuni reduse

( ) TGSTGSGSGSGSA3DS

TGSTGSGS4DS3DSVVVVVVV2VVVV

VV2VVVVVVV+<⇒−>−=−−=

−>⇒−>−==KI2VVV

KI2V

VVV

VV

2OT14GS

1OT

GSnot

4GS3GS

A4GSA3GS

+==

+=

====

==

Tranzistoare identice

Se obtine:

T1O2O

TT1O

T V2KI2

KI2VV

KI2V2 +<+<−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+Deci:

T1O2O

2O1O VKI2

KI2siII4 <−< - conditii de proiectare

Avantaj: (fata de oglinda clasica cascod avand ) GSmin1 VV = GSmin1 V2V =

6.2.8. Amplificator operational cascoda intoarsa (3) - continuare Efectul capacitorului C de compensare Miller

vO v12

gm1vi gm12v12

C

RO2 RO1

1212m122O

O

Oi1m1O

12

vgsCvsCR1v

sCvvgsCR1v

−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

Rezulta:

sCRRg1gsC1

aasCRRg1

gsC1

RRgga2O1O12m

12m21

2O1O12m

12m2O1O12m1m +

−=

+

−−=

Amplificatoare operationale in tehnologie bipolara

vo

R

v2 v1

RL

-VCC

VCC

Q8

Q7

Q6 Q5

Q4 Q3

Q2 Q1

io1

io

( )211m1o vvgi −=

21

L1o7

21

Lo

21

odd vv

RivvRi

vvvA

−=

−=

−=

β L71mdd RgA β=⇒

Regim static

RVV2I BECC

8,7,6,5C−

=

2II 5C

4,3,2,1C =

Regim dinamic


vI2 vI1

-VCC = - 6V

Q5

Q2 Q1

vO

VCC = 6V

Q6

Q4 Q3

Q10

Q9

Q8 Q7

R10 1kΩ

R11 1kΩ

R8 5,3kΩ

R6 400Ω R9

4,3kΩ

R5 3kΩ

R7 2kΩ

R4 2,6kΩ

R3 2,6kΩ

R2 9kΩ

R1 9kΩ


etajul I etajul al II-lea etajul al III-lea

mA1R

VVRIRIV2I

mA1RVVIII

mA2R2

VIRVII

mA502III

mA1RRII

mA1RRVVI

5

10BE9BE79C44CCC10C

8

7BECC9C8C7C

6

3BE2C2CC4C3C

5C2C1C

11

106C5C

109

6BECC6C

≅−−−−

=

=−

===

=−−

==

===

==

=+

−=

,

Regim static

Regim dinamic (analiza de mod diferential)

Q1

vO

vI

R1 // rπ3 ( )1o311mIdd rrRgA //// π−=

Semicircuitul de mod diferential (etajul I)

( )21rRgA 3o33mIIdd //−≅

Q3

vO

vI

R3

Etajul al III-lea

1AIII ≅

Semicircuitul de mod diferential (etajul al II-lea)

Regim dinamic (analiza de mod comun)

Q1

vO

vI

R1 // RI2

2RO1

( )( )

( )

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

++++=

++=

++−=

9106m11511

5o1O

632I

1O12I1

Icc

R//)Rg/1(RrR1rR

R21rRR21r

R//RA

π

π

π

β

β

ββ

Semicircuitul de mod comun (etajul I)

Semicircuitul de mod comun (etajul al II-lea)

Q3

vO

vI

R3

2R6

( ) 633

IIcc R21rRA++

−=ββ

π

vI2

-VCC

VCC

Rl

R2 R1

Q18

vI1

Q15 Q14 Q13 Q12

Q9

Q8

Q7 Q6 Q5

vO R3

Q17

Q16

Q11

Q10

Q4 Q3

Q2 Q1


etajul I etajul al II-lea etajul etajul al III-lea al IV-lea

A

IIIIIIIIRVV2I 7C8C9C16C15C14C13C3

BECC12C ========

−=

I2II 18C17C == III 2C1C ==2IIIII 6C5C4C3C /====

8

10

8S

10S11C10C

10S

10Cth

8Sth11EB10BE9BE8BE

AAI

IIIII

IIlnV2

IIlnV2VV/V//V/

===⇒

⇒=⇒+=+

Regim static

Regim dinamic Amplificarea primului etaj

Q1

vO

vI

R1 // rπ4 ( )1o411mIdd rrRgA //// π−=

( )74o6o3mIIdd rrrgA π////=

A

rπ10 + (β+1)Rl

ro16

2/gm9

ro7

( )l16o7o7mIII R//r//rgA β−=

1Rr

RAl10

lIV ≅

+=

ββ

π

Amplificarea etajului al IV-lea

Amplificarea etajului al II-lea

Amplificarea etajului al III-lea

Rezistenta de intrare de mod diferential

1id r2R π=


sat18CE1BECCminIC VVVV ++−=

1BEsat1CE1C1CCIC VVIRVV +−−=max

Excursia maxima a tensiunii de iesire

( )l16C10BEsat16CECCmaxO RI;V/V/VminV β−−=+

/V/VVV 11BEsat7CECCmaxO ++−=−

Amplificatoare operationale transconductanta (operational transconductance amplifiers – OTA) in tehnologie CMOS

Diferente fata de amplificatorul operational clasic: -  iesire in curent -  este utilizat in mod uzual in bucla deschisa, fara reactie negativa; amplitudinea tensiunii de iesire este controlata prin intermediul rezistentei de iesire Dezavantaje: -  neliniaritatea amplificatorului transconductanta -  dependenta de temperatura a transconductantei echivalente

( )21mOUT vvGi −=

( )21OmOOUTOUT vvRGRiv −==

Om21

OUT RGvv

va =−

=

Documents

Capitolul 6 Amplificatoare operationale. Structuri interne · 6.1. Introducere AO ideal • impedanta de intrare infinita • impedanta de iesire nula • amplificare in tensiune