Current-Current-ffeeedbacedback k Operacioni Operacioni PojačavačPojačavač

- Seminarski rad –

Mrdović Miloš 39/02

Sadržaj

Uvod Struktura CFB operacionog pojačavača Princip rada CFB operacionog pojačavača Izbjegavanje konstantnog A*fc proizvoda Ne postojanje ograničenja brzine odziva Poređenje CFB i VFB pojačavača Zadaci za vježbu Literatura

Uvod

Current-feedback op-amp, ili CFB operacioni pojačavač je vrsta pojačavača čiji je invertujući ulaz osjetljiv na struju umjeto na napon kao sto je to slučaj kod konvencionalnih VFB pojačavača.

CFB op-amp je dizajniran u Americi u Comlinear Corporation-u od strane David Nelson-a i Kenneth Saller-a, a prvi integrisani CFB op-amp je proizveden 1987. godine.

Najčešće se proizvode sa identičnim rasporedom pinova, kao i kod VFB-a, sto omogućava da se ova dva tipa kod prostijih realizacija kola mogu zamijeniti bez prethodne modifikacije.

Uvod

Kod kola linearnih pojačavača CFB op-amp se može koristiti umjesto VFB-a bez ikakve modifikacije, dok se kod ostalih slučajeva, kao recimo kod integratora, mora izvrsiti redizajniranje kola.

CFB op-amp se može koristiti i kod realizacije diferencijalnog pojačavača sa 4 otpornika, ali je CMRR odnos u ovom slučaju nešto lošiji.

Struktura CFB OP

Na slici je prikazana šema jednostavnog CFB operacionog pojačavača.

Sekcija označena crvenim obrazuje ulazni stepen i pojačavač greške.

Invertujući ulaz ima malu impedansu te je stoga osjetljiv na promjenu struje.

Otpornici R1-R4 su podešeni tako da su struje kolektora tranzistora Q1 i Q2 jednake.

U većini slučajeva se koristi kolo sa aktivnim opterećenjem umjesto pasivnih otpornika, tako da se neinvertujući ulaz može modifikovati da obezbijedi malu ulaznu impedansu sto doprinosi minimizaciji offset-a.

Struktura CFB OP

Kada ne postoji signal na ulazima, zbog strujnih ogledala (Q3/Q4 i Q5/Q6), kolektorske struje tranzistora Q4 i Q6 će biti jednake ako su jednake i struje kolektora tranzistora Q1 i Q2. Stoga neće biti struje na ulazu buffer-a (strujnog pojačavača označenog ljubičastim).

S obzirom da je u praksi nemoguće realizovati dva tranzistora identičnih karakteristika, kolektorske struje tranzistora Q4 i Q6 nece biti jednake. Zato će ulazom buffer-a teći razlika struja ic4-ic6, što ce rezultirati offset-om na njegovom izlazu.

Ovaj offset se koriguje tako što se podese otpornici R1-R4, ili tako što se doda kolo za kompenzaciju na izlazu pojačavača.

Struktura CFB OP

Sekcija označena plavim (tranzistori Q3-Q6) obrazuje konvertor struje u napon.

Najmanja promjena kolektorskih struja tranzistora Q1 i Q2 će rezultirati ekvivalentnom promjenom napona na spoju kolektora Q4 i Q6.

Zbog velikog propusnog opsega, kolo CFB pojačavača veoma lako može da zaosciluje. Kondenzator Cs obezbijeđuje stabilnost kola u svim uslovima rada tako što prigušuje karakteristične frekvencije koje mogu inicirati oscilovanje pojačavača.

Izlazni stepen je buffer koji obezbjeđuje strujno pojačanje, a čije je naponsko pojačanje +1.

Princip rada CFB OP

Kao što je prikazano na slici, CFB OP se od konvencionalnog operacionog pojačavača razlikuje u dva aspekta:

1. Njegov ulazni stepen je jedinični naponski buffer čija je funkcija da primora napon Vn da prati Vp; vrlo slično konvencionalnom OP. Međutim, zbog male izlazne impedanse ovakvog buffera, u normalnim uslovima veoma mala struja teče kroz invertujući ulaz.

2. Pojačanje se ostvaruje preko pojačavača transimpedanse koji reaguje na struju iz ulaznog buffer-a i koji na izlazu daje napon Vo=z(jf)*In, gdje je z(jf) pojačanje transimpedanse.

Princip rada CFB OP

Ulazni bafer se sastoji od tranzistora Q1 do Q4. Tranzistori Q1 i Q2 formiraju push-pull stepen male izlazne impedanse. Tranzistori Q3 i Q4 obezbjeđuju kompenzaciju napona Vbe za push-pull par kao i visoku ulaznu impedansu.

Sumranje push-pull emitorskih struja na invertujućem ulazu daje I1-I2=In.

Dva strujna ogledala koja se sastoje od tranzistora Q9-Q10-Q11 i Q13−Q14−Q15 reflektuju struje I1 i I2 i rekombinuju ih u zajedničkom čvoru, čija je ekvivalentna kapacitivnost prema signalnoj nuli označena sa C.

Strujna ogledala cine da je struja Ic=In=I1-I2.

Princip rada CFB OP

Napon koji se formira na kondenzatoru C se dalje proslijeđuje na izlaz preko drugog bafera sačinjenog od tranzistora Q5 do Q8.

Na gornjoj slici je prikazana uprošćena funkcionalna blok-šema CFB OP.

Kada je zatvorena povratna sprega, kao što je to prikazano na donjoj slici, i kada god eksterni signal pokuša da debalansira dva ulaza, ulazni bafer tada produkuje struju disbalansa In ka spoljnim impedansama.

Ovaj disbalans se preko strujnih ogledala prenosi do kondenzatora C, što prouzrokuje promjenu izlaznog napona Vo sve dok se struja In ne neutrališe, a ulazi ne rebalansiraju.

Stoga struja In predstavlja signal greske kola.

Princip rada CFB OP

Prenosna karakteristika pojačavača pri zatvorenoj povratnoj sprezi se moze odrediti u nekoliko koraka.

Sabiranjem struja na invertovanom ulazu dobijamo In=Vn/R1−(Vo-Vn)/R2.

Pošto bafer obezbjeđuje Vn=Vp=Vi imamo da je In=Vi/(R1||R2)−Vo/R2, što potvrđuje da je signal povratne sprege Vo/R2 u obliku struje.

Kako je Vo=z(jf)*In, imamo A(jf)=(1+R2/R1)*1/(1+1/T(jf)), gdje je A(jf) traženo pojačanje kola pri zatvorenoj povratnoj sprezi, a T(jf)=z(jf)/R2 predstavlja pojačanje povratne sprege.

Princip rada CFB OP

Pojačanje povratne sprege T(jf) trazimo tako sto prekidamo strujnu konturu kao na slici, postavimo neinvertujući ulaz na nulu, te primijenimo testni napon Vx.

Kolo će prvo napon Vx konvertovati u struju In=-Vx/R2, a potom istu struju In, opet, u napon Vo/z.

Stoga imamo da je T=-(Vo/Vx)=z/R2, kao što se moglo i očekivati.

Princip rada CFB OP

Da bi obezbijedili dovoljno veliko kružno pojačanje u cilju smanjenja greške, proizvođači teže da uvećaju z u odnosu na očekivane vrijednosti za R2.

S obzirom da je In=Vo/z, struja kroz invertujući ulaz će za veliko z biti veoma mala.

U graničnom slučaju kada z→∞, imamo da struja In→0. Drugim riječima, CFB OP će obežbjediti koliko je god potrebno struje i napona na izlazu da bi doveo struju In na nulu.

Zato, uslovi Vn=Vp i In=Ip=0 koji važe i za konvencionalni OP takođe važe i za CFB op-amp.

Izbjegavanje konstantnog A*fc proizvoda

Frekventna karakteristika pojačanja transimpedanse z(jf) kod CFB OP je data sa: z(jf)=z0/(1+jf/fa), gdje je z0 jednosmjerna komponenta pojačanja transimpedanse, a fa predstavlja frekvenciju dominantnog pola.

Ako ovo uvrstimo u prenosnu karakteristiku pojačavača, uz pretpostavku da je R²/z0<<1, dobijamo: A(jf)= =(1+R2/R1)/(1+jf/fA), gdje fA=z0*fa/R2 predstavlja pojačanje pri zatvorenoj povratnoj sprezi.

Izbjegavanje konstantnog A*fc proizvoda

Upoređujući prethodne jednačine za A(jf) i z(jf) sa jednačinama koje smo imali kod konvencionalnih VFB operacionih pojačavača uviđamo da su one formalno identične.

Međutim, u slučaju CFB operacionih pojačavača propusni opseg ovdje zavisi samo od impedanse R2, za razliku od VFB-a gdje je on zavisio od kružnog pojačanja 1+R2/R1!

Sposobnost CFB OP da nezavisno kontroliše pojačanje i propusni opseg predstavlja osnovnu prednost nad konvencionalnim VFB OP.

Na slikama su prikazani Bodeovi dijagrami pojačanja za VFB i CFB.

Ne postojanje ograničenja brzine odziva

Još jedno od osnovnih prednosti CFB OP je u tome što kod njih ne postoji ograničenje brzine odziva, kao što je to bio slučaj sa konvencionalnim VFB OP.

Ova prednost proizilazi iz činjenice da je struja punjenja internog kondenzatora uvjek proporcionalna strmini ulaznog signala bez obzira na to koliko je ta strmina velika.

Drugim riječima, proizvoljni korak ulaznog napona ΔVi indukuje inicijalni strujni disbalans In=ΔVi/(R1||R2) koji strujna ogledala direktno prenose na kondenzator.

Inicijalna brzina punjenja kondenzatora je Ic/C=In/C= =ΔVi/[(R1||R2)*C]=[ΔVi(1+R2/R1)]/(R2*C); Ic/C=ΔVo/(R2*C) što indicira eksponencijalnu izlaznu tranziciju sa vremenskom konstantom τ=R2*C.

Kao što je to bio slučaj i sa frekventnim odzivom, brzina tranzicije zavisi samo od vrijednosti otpora R2, bez obzira na to koliko je pojačanje zatvorene sprege.

Ne postojanje ograničenja brzine odziva

Vrijeme odziva (rise time) se definiše kao vrijeme koje je potrebno da bi se izlaz promijenio sa 10% na 90% vrijednosti koraka na ulazu.

U našem slučaju se radi o eksponencijalnoj tranziciji, stoga će ovo vrijeme biti jednako tr=τ*ln(0.9/0.1)=2.2τ, odnosno nešto više od dvije vremenske konstante.

Odsustvo ograničenja brzine odziva ne samo što smanjuje vrijeme stabilizacije, već i eliminiše nelinearnosti koje su posledica prebrze promjene signala na ulazu kao na primjer kod intermodulacione distorzije.

Ovo CFP OP čini veoma poželjnim kod visoko kvalitetnih audio pojačavača.

Poređenje CFB i VFB pojačavača

Osnovne prednosti CFB nad VFB pojačavačima su dakle: Mnogo veća brzini odziva Izbjegavanje konstantnog proizvoda

pojačanje-propusni opseg (VFB => fc*A=const). CFB pojačavači imaju veoma veliku brzinu odziva

što ih čini nezamjenjivim u Video pojačavačima gdje ograničena brzina odziva vodi izobličenju.

Propusni opseg CFB pojačavača zavisi isključivo od otpornosti njegove povratne sprege.

Stoga je česta zabuna da CFB pojačavači imaju i veći propusni opseg.

Poređenje CFB i VFB pojačavača

Kada su CFB operacioni pojačavači po prvi put predstavljeni, njihovo pojačanje je bilo ogromno u odnosu na tadašnje VFB pojačavače što ih je činilo pogodnijim za visokofrekventna kola kao sto su video i RF pojačavači.

Prvi CFB operacioni pojačavači su bili nestabilni jer ih je i namanja parazitna kapacitivnost na njihovom invertujućem ulazu mogla dovesti stanje oscilovanja.

Vremenom su CFB operacioni pojačavači postajali sve stabilniji i danas su prihvaćeni kao standardne komponente električnih kola.

U međuvremenu su proizvođači VFB operacionih pojačavača bili prinuđeni da poboljšavaju njihov propusni opseg, što je rezultiralo da danas imamo i veoma brze VFB operacione pojačavače.

Poređenje CFB i VFB pojačavača

Jedan od nedostataka CFB OP je u tome što imaju veliki DC offset, što ih čini nepogodnim u primjenama gdje se zahtijeva visoka preciznost (kao recimo kod instrumentacionih pojačavača, ili u mjernim instrumentima).

CFB OP imaju visok strujni šum, te se s toga ne primjenjuju kao foto-diodni pojačavači. No, u drugim primjenama nizak naponski šum može biti prednost.

Na kraju, CFB OP nisu optimizovani za rad sa nesimetričnim napajanjem, jer njihov izlazni stepen ne moze dati maksimalni/minimalni napon dovoljno blizak naponu napajanja (izlazni napon je u najboljem slučaju u granicama –Vee+1.3V < Vout < +Vcc-1.3V).

Zadaci za vježbu

Ako su karakteristike svih tranzistora identične, i ako je R1=R2=R3=R4=R, odrediti napon na izlazu iz kola ako je njegov neinvertujući ulaz uzemljen, a na njegovom invertujućem ulazu postoji napon +Vcc.

Zadaci za vježbu

Na slici je prikazana šema pojačavača kod koga se koristi CFP OP. Za poznate vrijednosti z, R1, R2 odrediti odnos Vo/Vi. Ponoviti račun ako na izlazu pojačavača postoji otpornost R3 prema signalnoj nuli.

Zadaci za vježbu

Za CFB integroator sa slike odrediti A(jf) ako su poznate vrijednosti otpora R, R1, R2, R3 i kapacitivnosti C. CFA1 i CFA2 pojačavači su identičnih karakteristika sa konstantnom transimpedansom z. Naći frekvenciju na kojoj ovaj integrator ima jedinično pojačanje. fo=(R2/R1)/(2π*RC)

Literatura

"Op Amps for Everyone Design Guide (Rev. B)" by Ron Mancini of Texas Instruments Inc.,August 2002.

"Current Feedback Amplifiers" by Erik Barnes of Analog Devices Inc.

Sergio Franco, "Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits," 3rd Ed., McGraw-Hill, New York, 2002 ISBN 0-07-232084-2.

P. Harold, Current-Feedback Op Amps Ease High-Speed Circuit Design, to be published in EDN, 1988.

A New Approach to Op Amp Design, Comlinear Corporation Application Note 300-1, March 1985.

Current-Feedback Op Amp Applications Circuit Guide, Comlinear Corporation Application Note OA-07, 1988.

1988 Current-Feedback Seminar, Comlinear Corp.