Capitolul 6 Amplificatoare operationale. Structuri interneCIA_CP_Curs_6.pdf · 6.1. Introducere AO ideal • impedanta de intrare infinita • impedanta de iesire nula • amplificare

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

Parametri (AO bipolar) Ordin de marime • amplificare in tensiune av0 > 105

• tensiune de intrare de offset vIO = 2mV

• curent de intrare de offset IIO = 5nA

• curenti de polarizare a intrarilor II = 80 nA

• impedanta de intrare Ri = 2M

• domeniul tensiunii de intrare de mod comun VCC – 2V

• excursia tensiunii de iesire VCC – (2…3VBE) – VCEsat

• factor de rejectie a tensiunii de mod comun

(common-mode rejection ratio) CMRR = 80dB

• factor de rejectie a tensiunii de alimentare PSRR = 80-120dB

• impedanta de iesire RO = 75

• frecventa de amplificare unitara (frecventa pentru care fT = 1MHz

amplificarea in bucla deschisa este unitara)

• slew-rate (panta maxima a raspunsului tranzitoriu pentru SR = (0,2-1)V/s

un semnal mare de intrare de tip treapta)

panta a

1V

1V

-VCC

VCC

vI+- vI

-

vO

saturatie negativa regiunea liniara saturatia pozitiva

-10V

10V

In regiunea liniara,

In saturatia negativa,

In saturatia pozitiva,

IIO vvav

V1Vv CCO

V1Vv CCO

6.2. Deviatii de la idealitate si limitari ale AO real

6.2. Deviatii de la idealitate si limitari ale AO real 6.2.1. Curentul de polarizare a intrarilor (IB)

Reprezinta media aritmetica a curentilor de intrare intr-un amplificator diferential.

Valori tipice:

• 10-100 nA – pentru etaje de intrare realizate in tehnologia bipolara

• < 0,001pA – pentru etaje de intrare realizate in tehnologia MOS

2

III 2B1B

B

21B1

22BO RI

R

R1RIV

Daca: si

se obtine:

21

21212B1B

RR

RRR//RRII

0VO

- +

R

R1

R2

VO

IB2

IB1

6.2. Deviatii de la idealitate si limitari ale AO real 6.2.2. Curentul de offset (decalaj) de intrare (IOS)

IB2 IB1

IO

-VCC

VCC

R2 R1

Q2 Q1

2B1BOS III

6.2. Deviatii de la idealitate si limitari ale AO real 6.2.3. Tensiunea de offset (decalaj) de intrare (VOS)

-

+

VOS

VO = 0

Reprezinta tensiunea care trebuie aplicata intre intrarile unui AO real pentru a

obtine o tensiune de iesire nula.

Valori tipice pentru VOS:

- pentru AO bipolare: 0,1 2 mV

- pentru AO CMOS: 1 20 mV

VOS prezinta o importanta dependenta de temperatura.

6.2. Deviatii de la idealitate si limitari ale AO real 6.2.3. Tensiunea de offset (decalaj) de intrare (VOS) Erori introduse de tensiunea de offset in functionarea amplificatorului neinversor

- +

R1

R2

VO

VOS

OS1

2O V

R

R1V

6.2. Deviatii de la idealitate si limitari ale AO real 6.2.4. Valoarea finita a amplificarii in bucla deschisa (a)

Amplificatorul inversor

-

+

a

vo/a vs

vo i1

i2 R2

R1

0R

a

vv

R

a

vv

2

oo

1

os

1

2a

1

211

2

s

o

R

R

R

RR

a

11

1

R

R

v

vA

6.2. Deviatii de la idealitate si limitari ale AO real 6.2.4. Valoarea finita a amplificarii in bucla deschisa (a)

Amplificatorul neinversor

-

+

a

vo/a

vs

vo

i1

i2 R2

R1

2

oso

1

os

R

a

vvv

R

a

vv

1

2a

1

211

21

s

o

R

R1

aR

RR1

1

R

RR

v

vA

6.2. Deviatii de la idealitate si limitari ale AO real 6.2.5. Valoarea nenula a rezistentei de iesire a AO (RO)

Valori tipice:

- pentru AO bipolare: 40 - 100

- pentru AO CMOS: rezistente de iesire mult mai mari (OTA), deoarece AO nu

comanda uzual sarcini rezistive

vx

R1

R2

vid

-

+

avid

RO

i2

i2

iO ix

x

xOUT

i

vR

21

x

O

idx2ox

RR

v

R

avviii

x21

1xid fv

RR

Rvv

Rezulta:

21Ox

x

OUT RR

1

R

af1

v

i

R

1

21OO

OUT RRaf1

R

af1

RR

pentru

6.2. Deviatii de la idealitate si limitari ale AO real 6.2.6. Valoarea nenula a rezistentei de intrare a AO (Ri)

Valori tipice:

- pentru AO bipolare: 100 k - 1 M

- pentru AO CMOS: rezistenta de intrare infinita

R1

R2

vid

-

+

avid vO

i2

i2

ix

vx Rid

v1

x

xIN

i

vR

x1

1xid21

1o1

id

1xx

vaf1

afv

vvafavfRR

Rvv

R

vvi

af1Ri

vR id

x

xIN

6.2. Deviatii de la idealitate si limitari ale AO real 6.2.7. Raportul de rejectie a modului comun (CMRR) Caracterizeaza capacitatea amplificatorului operational de a amplifica semnalele

de mod diferential si de a rejecta semnalele de mod comun.

6.2.8. Raportul de rejectie a tensiunii de alimentare (PSRR)

Caracterizeaza capacitatea amplificatorului operational de a rejecta variatiile

tensiunii de alimentare.

6.2. Deviatii de la idealitate si limitari ale AO real 6.2.9. Raspunsul in frecventa Amplificarea in tensiune a unui AO scade la cresterea frecventei, ca o consecinta a

capacitatilor interne ale dispozitivelor.

Exista o limitare a raspunsului in frecventa din cauza vitezei de crestere

(slew-rate - SR), in conditii de functionare la semnal mare.

fU f 10 Hz 1MHz

100 dB

aO

-20 dB/dec

fU – in domeniul 1MHz – 100MHz

Semnal de

intarare

treapta

Semnal de

iesire SR = dVOUT/dt

t

t

6.3. Structuri interne de amplificatoare operationale

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

Ri

vv

Ri

vv

vA

L71mdd RgA

Regim static

R

VV2I BECC

8,7,6,5C

2

II 5C

4,3,2,1C

Regim dinamic

6.3.1. Amplificator operational cu 2 etaje de amplificare

vI2 vI1

-VCC = - 6V

Q5

Q2 Q1

vO

VCC = 6V

Q6

Q4 Q3

Q10

Q9

Q8 Q7

R10

1k

R11

1k

R8

5,3k

R6

400 R9

4,3k

R5

3k

R7

2k

R4

2,6k

R3

2,6k

R2

9k

R1

9k


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

mA1R

VVRIRIV2I

mA1R

VVIII

mA2R2

VIRVII

mA502

III

mA1R

RII

mA1RR

VVI

5

10BE9BE79C44CCC10C

8

7BECC9C8C7C

6

3BE2C2CC4C3C

5C2C1C

11

106C5C

109

6BECC6C

,

Regim static

Regim dinamic (analiza de mod diferential)

Q1

vO

vI

R1 // r3 1o311mIdd rrRgA ////

Semicircuitul de mod diferential (etajul I)

2

1rRgA 3o33mIIdd //

Q3

vO

vI

R3

Etajul al III-lea

1A IIIdd

Semicircuitul de mod diferential (etajul al II-lea)

Regim dinamic (analiza de mod comun)

Q1

vO

vI

R1 // RI2

2RO1

9106m115

115o1O

632I

1O1

2I1Icc

R//)Rg/1(Rr

R1rR

R21rR

R21r

R//RA

Semicircuitul de mod comun (etajul I)

Semicircuitul de mod comun (etajul al II-lea)

Q3

vO

vI

R3

2R6

63

3IIcc

R21r

RA

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

IIIIIIIIR

VV2I 7C8C9C16C15C14C13C

3

BECC12C

I2II 18C17C III 2C1C 2IIIII 6C5C4C3C /

8

10

8S

10S11C10C

10S

10Cth

8Sth11BE10BE9BE8BE

A

AI

I

IIII

I

IlnV2

I

IlnV2VV/V//V/

Regim static

Regim dinamic Amplificarea primului etaj

Q1

vO

vI

R1 // r4

1o411mIdd rrRgA ////

74o6o3mIIdd rrrgA ////

A

r10 + (+1)Rl

ro16

2/gm9

ro7

l16o7o7mIIIdd RrrgA ////

1Rr

RA

l10

lIV

Amplificarea etajului al IV-lea

Amplificarea etajului al II-lea

Amplificarea etajului al III-lea

Rezistenta de intrare de mod diferential

1id r2R

Domeniul maxim al tensiunii de intrare de mod comun

sat18CE1BECCminIC VVVV

1BEsat1CE1C1CCIC VVIRVV max

Excursia maxima a tensiunii de iesire

l16C10BEsat16CECCO RIVVVV ;//minmax

//min

11BEsat7CECCO VVVV

Amplificatoare operationale clasice in tehnologie CMOS

IO

M9

M5

M6

M2

M3

M1

M4

M8

M7

VDD

vO

VC1

v2 v1

6.3.4. Amplificator operational cu un etaj de amplificare

Regim static

2T1CO

not

9D VV2

KII

2/II...II O8D2D1D

121m1D2D4D3D8D3D5D6D vvgiiiiiiii

O121mO5D6DO RvvgRiiv 5ds6dsO r//rR

125ds1mO121mO vvrg2

1Rvvgv

O5ds1m

I

K1rg

2

1a

Regim dinamic

6.3.5. 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 VV2

KI

8GS2

T8GS8GSDD VVV2

RKVV )( T8GS VV

2T8GSO VV2

KI

O8D7D6D5D IIIII

2I2IIIII O7D4D3D2D1D //

Regim dinamic

6ds5ds5m4ds2ds1m r//rgr//rga

K

I2VVVVVVVVV O

DDT5SGDD2GSsat2DS5SGDDIC max


K

I12VVVVVVV O

TT1GS7GS1GSsat7DSIC min

Amplificarea circuitului

v2 v1

VDD

vO

IO

M11 M12 M7

M14

M8

M10

M9

M4 M3 M5 M6

M13

M1 M2

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

Regim static

2

III

O8D1D ...

O14D9D III ...

Regim dinamic


Amplificarea circuitului

9ds10ds10m8ds4ds1m r//rgr//rga

K

IVVVVVV O

DD2GSsat2DS3SGDDIC max

TO

sat14DS2GSIC VK

I12VVV min

v2 v1

VDD

vO

M11

M10

M9

M8

M7

M6

M5 M4

M3 M2

VC3 VC2 VC1


Regim static

Regim dinamic

2

IIIII

VVV2

K

IIII

VVV2

KII

VVV2

KI

1D5D4D3D2D

2T3CDD

9D8D11D10D

2T2CDD7D6D

2T1CDD1D

5ds3ds2m1dd r//rgA

7ds6ds7m2dd r//rgA

11ds10ds8m3dd r//rgA

Amplificatoare operationale cascod in tehnologie CMOS

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

Regim static

2/II...II O14D2D1D

212ds12m

210ds10mO rg//rgR

122

10ds10m1mO121mO vvrgg2

1Rvvgv

210ds10m1m rgg

2

1a

Regim dinamic

v2 v1

IO

VDD

vO

M14

M12

M13

M11

M2 M1

M10

M8

M4

M6

M3

M9

M5

M7

6.3.9. 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 ///...

O1m Rga

29ds9m6ds8ds8m7ds9ds9mO rg

2

1rrgrrgR //

Amplificatoare operationale cascoda intoarsa (folded cascod)

in tehnologie CMOS

6.3.10. 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 VVV2

KII

2D6D10D

7D4D3D

III...

...III

O1m Rga

2ds6ds4m4ds10ds8m8dsO r//rgr//rgrR

2D1D1D5D2D6D3D4D8D4DO iiiIiIiiiii


Regim static

M9 M8

M11

M3

M2 M1

M15 M14

M16 M17

VC2

VC1

v2 v1

VDD

vO

M5 M4

M7 M6

M10

R

IO

M12

M13

RO’ K4K4K 1415

RIVV O15GS14GS

RIK4

I2V

K

I2V O

OT

OT

2OKR2

1I

2

II...III

O9D4D2D1D

17D10DO3D I...III

Regim dinamic

2ds11ds9m9ds5ds7m7ds1m1 r//rgr//rgrga

2/IIIasiguraV O5D4D2C

2D1D1D10D2D11D8D9D7D9DO iiiIiIiiii'i

'Rga O1m1

1a2


v2

IO

M14

K

M12

5K

M2A

3K/2 v1

VDD

vOUT

M3A

K

M1A

3K/2

M10

3K M9

3K M8

K

M4

K M6

K

M3

K

M4A

K

M11

27K M13

12K

M2

K

M1

K

M7

K

M5

K

2

I5

2

II3IIIIII;I27II

I12II;I3II;IIIII

OOO4D3DA2DA1DA4DA3DO12D11D

O14D13DO10D9DO8D7D6D5D

Regim static


v2

IO

M14

K

M12

5K

M2A

3K/2 v1

VDD

vOUT

M3A

K

M1A

3K/2

M10

3K M9

3K M8

K

M4

K M6

K

M3

K

M4A

K

M11

27K M13

12K

M2

K

M1

K

M7

K

M5

K

Regim dinamic

2ds10dsA2mA2ds2

A4dsA4m1O

1O1m1

r//rg1r//rgR

Rga

2O12m2 Rga

12ds11ds2O r//rR


IO2

M3 M4

IO1

M4A M3A

M14 IO1

V

V1

Analiza functionarii sursei de curent pentru tensiuni reduse

TGSTGSGSGSGSA3DS

TGSTGSGS4DS3DS

VVVVVVV2VVVV

VV2VVVVVVV

K

I2VVV

K

I2V

VVV

VV

2OT14GS

1OT

GS

not

4GS3GS

A4GSA3GS

Tranzistoare identice

Se obtine:

T1O2O

TT1O

T V2K

I2

K

I2VV

K

I2V2

Deci:

T1O2O

2O1O VK

I2

K

I2siII4 - conditii de proiectare

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

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

6.3.13. Amplificator operational transconductanta (1)

iD1 + iD3

VB’

VB

VA’

VA

IO IO

V1

V2

V1

VDD

M6

M4 Mb M3

M5

M2 Ma M1

iD2 + iD4

2T1B2

T2A2

T2B2

T1AOUT VV'V2

KVV'V

2

KVV'V

2

KVV'V

2

Ki

T21B21T21A12OUT V2VV'V2VV2

KV2VV'V2VV

2

Ki

21ABOUT VV'V'VKi

K

I2VVVV'V

OTASGaAA

K

I2VVVV'V

OTBSGbBB

21ABOUT VVVVKi

4D2D3D1DOUT iiiii

6.3.13. Amplificator operational transconductanta (1) - aplicatie AO

v1

v2

v1

IO IO

M8

M7

M10

M9

M16

M15

M14

M13 M12

M11 M6 M5

M4 Mb M3 M2 Ma M1

Vb’

Vb Va

VDD

vO

Va’

M18

M17

16ds15m15ds13ds14m14dsO rgr//rgrR

215ds15mABOm rgVVK

2

1RGa

VDD

M6

M5

M4 M3

M2 M1

I’ I

I2 I1

IO

iOUT2 iOUT1

VC 6SG5SG3SG1SG VVVV

1TC IV2V2

KI

TC12

TC1 V2VKI2V2V2

KII

TC12

TC2121OUT V2VKI2V2V2

KIIIIi

TC22

TC212OUT V2VKI2V2V2

KIIi

12TC2OUT1OUTOUT IIV2VK2iii

Circuit de extragere a radacinii patrate (I)


K

I22V2VVV

OT6SG5SGC

12O2OUT1OUT III4ii

21O7SG8SGO2OUT1OUT VVKI8VV2

KI4ii

VDD

M6

M5

M4 M3

M2 M1

I’ I

I2 I1

IO

iOUT2 iOUT1

IO

V2 V1

M8 M7

VC


Om KI8G

M3b

M2b M6

V1

M4b

M3a

M4a

M7

M5

M1a M1b

M2a

V2

iOUT1

I1b IO I3b

iOUT2

I3a I1a

V

O

K4

I2V2V2

2

VV

a3Ta3GS

1O

2

T1

Oa3 V22

VV

2

KI

2

T1

a1 V2

V

2

KI

TO1TOa3a1 VVVV3V2

KII

TO2TOb3b1 VVVV3V2

KII

21TO

b3b1a3a1a3b1b3a12OUT1OUT

VVV3V2

K

IIIIIIIIii

21O

2OUT1OUT VV2

KI3ii

2

KI3

VV

iiG O

21

2OUT1OUTm


VC

V2

I4

I3 I2

I1

V1

VDD VDD

M7

M4 M3

M2 M5 M6 M1

M8

TC1C2

TC12

T121 V2VV2V2

KVVV

2

KVV

2

KII

TC2C34 V2VV2V2

KII

21C3421OUT VVKVIIIIi


Documents

Capitolul 6 Amplificatoare operationale. Structuri interneCIA_CP_Curs_6.pdf · 6.1. Introducere AO ideal • impedanta de intrare infinita • impedanta de iesire nula • amplificare