Integrisana kola operacionih pojačavača - leda.elfak.ni ...leda.elfak.ni.ac.rs/education/Analogna elektronika/nastava/2015/05... · integrisana kola upravo zbog toga što se zahteva

Integrisana kola operacionih pojačavača

Uvod

U integrisanim kolima ne realizuju se induktivnosti zbog toga što je za to potrebna

velika površina čipa. Ukoliko su neophodne u kolu one mogu biti vezane na

spoljašne priključke integrisanog kola. Vrednosti kapacitivnosti kondenzatora u

integrisanoj tehnologiji su relativno male, a postoje ograničenja i u pogledu

maksimalne vrednosti otpornosti, naročito u kolima višeg stepena integracije (VLSI).

Specifičnosti različitih rešenja u linearnim integrisanim kolima savremenih

operacionih pojačavača sadržane su i u rešenjima drugih integrisanih kola kao što su

amplitudski komparatori, pojačavači za komunikacionu tehniku, sprežni uređaji za

analogno- digitalnu tehniku (A/D i D/A konvertori), regulatori i tako dalje.

Jedna od osnovnih razlika između integrisanih i diskretnih linearnih kola je u načinu

stabilizacije radne tačke pojačavačkog 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 integrisanih kola koriste se "izvori konstantne

struje".

Izvori konstantne struje

Standardni oblik stabilizacije radne tačke u tehnici kola sa diskretnim

komponentama za pojačavački stepen u sprezi sa zajedničkim emitorom pomoću

emitorskog otpornika premošćenog velikim kondenzatorom nije podesan za

integrisana kola upravo zbog toga što se zahteva velika kapacitivnost. S toga se u

integrisanim linearnim kolima za pretpolarizaciju tranzistora i stabilizaciju

jednosmernih radnih uslova koriste izvori konstantne struje.

Na slici je prikazano najprostije kolo strujnog izvora.

Napon baza-emitor tranzistora T1, koji je vezan kao dioda, jednak je naponu baza-

emitor tranzistora T2 . Referentna struja kroz otpornik R je: ( ) RVVI beCCR −=


Ukoliko su tranzistori T1 i T2 identični (površine emitorskih spojeva i inverzne struje

zasićenja jednake) tada su im jednake i bazne i kolektorske struje, jer je Vbe1=Vbe2,

pa se može pisati:

0

211

2

βc

cbcbR

IIIIII

⋅+=++=

0

21 21

β+

=== Rccc

IIII

Pri velikim vrednostima strujnog pojačanja β0 struja Ic2 je približno jednaka

referentnoj struji kroz otpornik R, pa se ovo kolo naziva "strujno ogledalo". Kada

referentna struja IR ima konstantnu vrednost i izlazna struja Ic2 će biti konstantna.


Izlazna otpornost strujnog izvora jednaka je izlaznoj otpornosti tranzistora T2 i iznosi:

Ako površine emitorskih spojeva tranzistora T1 i T2 nisu jednake (obeležimo ih sa

S1 i S2, respektivno), a kako su emitorske struje srazmerne površinama emitorskih

spojeva možemo pisati:

2

020

1

mgrR

⋅==η

KI

I

S

S

I

I

c

c

e

e =≅=1

2

1

2

1

2

pa je odnos izlazne i referentne struje:

0

2

11

βK

K

I

I

R

c

++

=


U slučaju kada je β0 >>1+K odnos izlazne i referentne struje zavisi samo od površina

emitorskih spojeva, koje se u procesu proizvodnje integrisanih kola mogu tačnije

kontrolisati nego vrednost koeficijenta strujnog pojačanja β0.

Iako u mnogim primenama ovaj najprostiji strujni izvor daje zadovoljavajuće rezultate,

s obzirom da je izlazna struja (kolektorska struja tranzistora T2) Ic2 zavisna od napona

kolektor-baza, zbog modulacije širine baze, to izlazna otpornost strujnog izvora nije

beskonačno velika. Kako se izvori konstantne struje često koriste i kao dinamička

opterećenja u kolektorskom kolu pojačavačkog stepena, umesto otpornika RC, veličina

izlazne otpornosti ima ograničavajuću ulogu u pogledu veličine pojačanja tog stepena.

Kod NPN tranzistora strujno pojačanje β0 je veliko pa je uticaj ovog faktora srazmerno

mali. Kada su u izvoru konstantne struje upotrebljeni PNP tranzistori kao na slici,

koeficijent strujnog pojačanja β0 ima mnogo manju vrednost pa je i njegov uticaj na

odnos struja Ic2/IR srazmerno veći.

Izvori konstantne struje - MOS

21 GSGS VV =

( )222

22

TGSRD VVK

II −==

( )211

12

TGSD VVK

I −=

2L

CK oxµ=

i

iox

d

WLC

εε 0= 1

2

21

12

1

1

2

2

1

2

ββ

===LW

LW

L

W

L

W

I

I

D

D

Izvori konstantne strujeWilsonovo strujno ogledalo

Kod Wilsonovog strujnog ogledala sa NPN tranzistorima uticaj koeficijenta strujnog

pojačanja β0 na odnos izlazne i referentne struje u velikoj meri je smanjen. Na sličan

način realizuje se ovaj strujni izvor sa PNP tranzistorima.

Odnos struja Ic2/IR kod ovog strujnog ogledala

dat je sledećim izrazom:

0

2

0

2

2

21

1

ββ ⋅++

=R

c

I

I

Ovaj odnos struja mnogo manje zavisi od veličine β0.

Sem toga, Wilsonov strujni izvor ima mnogo veću

izlaznu otpornost koja je približno:

Rr

00 0

2=

⋅β


Još jedan strujni izvor sa smanjenim uticajem koeficijenta strujnog pojačanja β0 na

odnos izlazne i referentne struje prikazan je na slici. Odnos izlazne i referentne struje u

ovom slučaju dat je izrazom:

0

2

0

2

21

1

ββ ++

=R

c

I

I


Kaskodno strujno ogledalo koristi negativnu povratnu spregu da stabilizuje izlaznu

struju i poveća izlaznu impedansu.

Tranzistori M2 i M4 prave negativnu povratnu spregu, što stabilizuje IR. Ako IR raste,

onda, kako konstantna struja teče kroz M3, napon na čvoru A raste, što uzrokuje

povećanje struje kroz M2. Pošto je struja kroz M1 takođe konstantna, napon na čvoru

B opada, tako da struja IR raste sa opadanjem napona VGS3.


Umesto da se odnos struje na izlazu i referentne struje podešava odgovarajućim

površinama emitorskih spojeva tranzistora T1 i T2 često se primenjuje Widlarov

logaritamski strujni izvor:

Ovo kolo je naročito pogodno za dobijanje male

izlazne struje, jer je otpornikom R2 napravljena

razlika napona baza-emitor tranzistora T1 i T2, tako

da i kolektorske struje ovih tranzistora nisu jednake.

Ukoliko su ova dva tranzistora identična tada važi

sledeća relacija:

( ) 2221ln cccTbe IRIIVV ⋅=⋅=∆


Očigledno je ovo transcedentna jednačina po struji Ic2. Međutim, potrebno je istaći da

se sa malim vrednostima otpornika R2 dobija veoma mala izlazna struja Ic2, iako je

referentna struja IR relativno velika. Kod najprostijeg strujnog izvora (strujnog

ogledala) za dobijanje male izlazne struje pri određenom naponu napajanja potreban je

veoma veliki otpornik R koji definiše referentnu struju. Izlazna otpornost Widlarovog

strujnog izvora je takođe značajno povećana ne samo zbog smanjenja struje Ic2

(povećava se gm=Ic/VT, pa se povećava i izlazna otpornost tranzistora r0=1/ηgm ) već i

zbog delovanja redno-redne negativne reakcije u kolu preko otpornika R2 u

emitorskom kolu.

( ) 2221ln cccTbe IRIIVV ⋅=⋅=∆


To se može potvrditi analizom ekvivalentnog kola sa slike, a rezultujuća izlazna

otpornost Widlarovog strujnog izvora iznosi:

( )2202 1 RgrI

VR m

x

xO ⋅+⋅≅=

Widlarov strujni izvor se može modifikovati na različite načine, na primer dodavanjem

otpornika i u emitorsko kolo tranzistora T1, tako da se odnos izlazne i emitorske struje

može podešavati odnosom otpornika R1 i R2. Za povećanje izlazne otpornosti u

Widlarovom strujnom izvoru može se kao otpornik R2 koristiti najprostiji strujni izvor -

strujno ogledalo, čija izlazna otpornost r0 u ovom slučaju zamenjuje vrednost otpornika

R2, tako da pri istom naponu napajanja, odnosno pri istom jednosmernom režimu rada

dobijamo znatno veću izlaznu otpornost Widlarovog strujnog izvora.

Temperaturska stabilizacija izlazne struje izvora konstantne struje

Izlazna struja izvora konstantne struje je funkcija temperature, jer zavisi od napona

Vbe, koji zavisi od termičkog potencijala VT i inverzne struje zasićenja kolektorskog

spoja Ics čije su temperaturske zavisnosti poznate. Na slici a prikazano je kolo za

smanjenje uticaja temperature korišćenjem pomerača jednosmernog nivoa. Kao mera

tog uticaja definiše se temperaturski koeficijent TCF na sledeći način:0

1 0

0

→⋅=T

I

ITCF

δδ


Prema slici a je : ( ) bez VnRIV ⋅++⋅= 20

pa je temperaturski koeficijent dat izrazom: ( )T

R

RT

Vn

T

V

RITCF bez

δδ

δδ

δδ

⋅−

⋅+−⋅

⋅=

12

1

0

Iz uslova da je temperaturski koeficijent jednak nuli dobija se izraz za potreban broj redno

vezanih dioda n:

21

1

−⋅⋅−

⋅⋅−=

T

R

RV

T

VT

R

RV

T

V

n

bebe

zz

δδ

δδ

δδ

δδ


21

1

−⋅⋅−

⋅⋅−=

T

R

RV

T

VT

R

RV

T

V

n

bebe

zz

δδ

δδ

δδ

δδ

Naravno, broj redno vezanih dioda je celi broj, što znači da se na ovaj način ne

može dobiti nulti temperaturski koeficijent. Zbog toga se umesto n redno

vezanih dioda može upotrebiti veza tranzistora i dva otpornika prema slici b.

Napon između kolektora i emitora određena odnosom primenjenih otpornika,

prema izrazu:

UR

RUce

A

B

be= +

⋅1

i može biti proizvoljni broj veći od jedan. Tom prilikom treba uzeti otpornike

takvih vrednosti da su struje kroz njih daleko veće od struje baze tranzistora.

Blok šema operacionog pojačavača

Operacioni pojačavač se može predstaviti blok šemom prema slici:

1. ulazni diferencijalni pojačavač

2. kolo za prilagođenje simetričnog izlaza prvog stepena na

nesimetrični ulaz trećeg stepena (ovo kolo je obično u sastavu prvog stepena)

3. pojačavač napona

4. pomerač jednosmernog nivoa napona

5. izlazni pojačavač

Šema operacionog pojačavača



Osnovne karakteristike operacionog pojačavača

Ulazni stepen je uvek diferencijalni pojačavač koji u najvećoj meri definiše, tj. određuje

osnovne karakteristike operacionog pojačavača, a to su:

1. Ulazni ofset napon - naponska nepodešenost ulaza - to je napon koji treba priključiti

između ulaznih priključaka pojačavača sa diferencijalnim ulazom, ili između jednog

ulaznog priključka i mase kod pojačavača s jednim ulazom, tako da napon na izlazu

pojačavača bude jednak nuli.

2. Ulazna struja polarizacije - srednja vrednost ulaznih struja u slučaju diferencijalnog

ulaza, odnosno potrebna ulazna struja na ulazu pojačavača sa jednim ulazom.

3. Strujna nepodešenost ulaza - 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 diferencijalnog signala - odnos promene napona na izlazu i promene

napona diferencijalnog ulaza i naziva se pojačanjem diferencijalnog pojačavača.

6. Pojačanje srednje vrednosti signala - ovo pojačanje treba da teži nuli, odnosno

faktor potiskivanja srednje vrednosti signala (odnos pojačanja diferencijalnog signala i

pojačanja srednje vrenosti signala) CMRR (common mode rejection ratio) treba da bude

što veći.

Osnovne karakteristike operacionog pojačavača

7. Potiskivanje promene napona napajanja - promene napona na izlazu, pored toga

što zavise od promene napona na ulaznim priključcima, zavise i od promene napona

napajanja. Faktor potiskivanja promena napona napajanja definiše se odnosom promene

napona jednog od izvora za napajanje i odgovarajućeg naponskog ofseta ulaza.

8. Naponski opseg srednje vrednosti signala na ulazu - ovaj parametar je određen

maksimalnom srednjom vrednošću signala na ulazu za koji pojačavač još uvek radi u

linearnom režimu.

9. Ulazna i izlazna otpornost - ulazna otpornost (za promenljiv signal) definiše se za

diferencijalni signal i za srednju vrednost signala. Izlazna otpornost se obično daje za

slučaj kada kolo reakcije nije priključeno.

10. Frekvencijski opseg - o njemu najpotpunije informacije daje frekvencijska

karakteristika pojačavača, mada se obično navodi samo frekvencija jediničnog

pojačanja.

11. Brzina promene napona na izlazu, tj. brzina odziva na velike signale (slew rate) -

je maksimalna brzina promene napona na izlazu pri pobuđivanju velikim ulaznim

signalom i izražava se u V/µs.

Većina ovih parametara, koji direktno utiču na karakteristike operacionog pojačavača

potiču od razlika u izvođenju i konstrukciji ulaznog stepena - diferencijalnog

pojačavača. Zbog toga su različite modifikacije ulaznog diferencijalnog stepena u

narednom izlaganju nešto deteljnije analizirane.

Diferencijalni pojačavač

Osnovno kolo diferencijalnog pojačavača prikazano je na slici 1, a ekvivalentna šema

polovine pojačavača dobijene primenom bisekcione teoreme za nesimetrične ulazne

signale u1=-u2=ud/2 prikazana je na slici 2.

Slika 1 Slika 2


Koristeći ekvivalentnu šemu sa slike može se dobiti izraz za diferencijalno pojačanje

diferencijalnog pojačavača sa simetričnim izlazom koje iznosi:

0

1

)0(

p

s

A

u

uA d

d

id

+−== gde je:

T

CEECmd

U

RIRgA

⋅⋅

−=⋅−=2

)0(

( )0

0

1

1

T

b

T C C

r

rp

C R

π ω

β ω

+ ⋅

=⋅ +


Ako je diferencijalni pojačavač sa nesimetričnim izlazom, odnosno ako se izlazni signal

uzima samo sa jednog kolektora, diferencijalno pojačanje pri niskim frekvencijama

iznosi:

2)0( Cm

d

RgA

⋅−=

Kada se diferencijalni pojačavač pobuđuje simetričnim signalom - signalom

srednje vrednosti (common mode) u1=u2 =ucm, diferencijalni pojačavač se svodi

na ekvivalentno kolo sa slike:


Pojačanje srednje vrednosti signala je u ovom slučaju:

Ako se zanemari otpornost rb, izraz za pojačanje signala srednje vrednosti pri

niskim frekvencijama postaje:

( ) ( )( )Ag r R

r g R r R sr Ccm

m C

m E b E t

= −+ + + +

π

π π1 2 2 1

Em

Cmcm

Rg

RgA

+−=

1

Faktor potiskivanja srednje vrednosti signala pri niskim frekvencijama, koji je

definisan odnosom diferencijalnog pojačanja i pojačanja srednje vrednosti signala,

je prema tome:

CMRRA

Ag R

d

cm

m E= = +( )

( )

0

01 2


Naravno, ovaj izraz je izveden pod pretpostavkom da je diferencijalni pojačavač

potpuno simetričan, ali je u praksi CMRR manji zbog nepodešenosti tranzistora. CMRR

se može povećati povećanjem otpornika RE, što nije pogodno jer se zahteva veći napon

izvora za napajanje za ostvarivanje istog jednosmernog režima, a pored toga za veći

otpornik RE potrebna je i veća površina na čipu za njegovu realizaciju. Zbog toga se

ovaj otpornik zamenjuje izvorom konstantne struje, prema slici. U tom slučaju

efektivna otpornost koja deluje u emitorskom kolu tranzistora T1 i T2 jednaka je izlaznoj

otpornosti izvora konstantne struje R0 =r03(1+gm3R2).


Dalje povećanje CMRR može se postići primenom povratne sprege prema slici:

Pretpostavimo da se povećava srednja vrednost signala na izlazu prvog stepena. Usled

toga povećava se i jednosmerna struja kroz emitorske otpornike (RA i RB) u drugom

pojačavačkom stepenu, pa se zbog toga povećava i potencijal na bazi tranzistora T3. Kao

rezultat toga raste struja I0 , tj. struje tranzistora T1 i T2, pa se smanjuju naponi na

kolektorima ovih tranzistora, tj. smanjuje se početna promena na izlazu prvog

pojačavačkog stepena.

Konverzija simetričnog izlaza diferencijalnog pojačavača u nesimetrični

Da bi pojačanje ulaznog diferencijalnog stepena sa nesimetričnim izlazom bilo jednako

pojačanju u slučaju simetričnog izlaza koristi se strujno ogledalo, tj. dinamičko

opterećenje kao kolo za konverziju simetričnog izlaza diferencijalnog pojačavača u

nesimetrični. Ovakvo kolo je prikazano na slici:


Kolektorske struje tranzistora T1 i T2 zavise od diferencijalnog napona (ud =u1-u2), ali se

u linearnom režimu rada mogu predstaviti kao:

II

I i II

IC

EE

C

EE

1 22 2≅ + ≅ −∆ ∆

Strujno ogledalo promenu kolektorske struje IC1 , tj. struje IC3 (IC3=IC1) preslikava

kao promenu struje IC4, pa je:

II

II EECC ∆+≡≅

214

Struja kroz opterećenje RL je jednaka razlici kolektorskih struja tranzistora T4 i T2

i iznosi:IIII CCL ∆⋅=−= 224

Očigledno je da je struja kroz opterećenje RL (nesimetričan izlaz), a samim tim i

vrednost napona na njemu, srazmeran dvostrukoj vrednosti promene struje jednog

tranzistora u diferencijalnom paru, što odgovara vrednosti napona na potrošaču, koji je

spojen između kolektora tranzistora diferencijalnog pojačavača.


Nedostaci ovakvog načina prilagođenja simetričnog ulaza na

nesimeričan su sledeći:

-postoji nesimetrija u kolektorskim kolima tranzistora T1 i T2, pa

se stoga naponi na njihovim kolektorima međusobno dosta

razlikuju. Zbog toga efekti modulacije širine baze kod ovih

tranzistora nisu jednaki što dovodi do povećanja naponske

nepodešenosti ulaznog kola (naponski ofset). Na nepodešenost

kolektorskih struja tranzistora T1 i T2 utiče i mala vrednost

koeficijenata strujnog pojačanja PNP tranzistora koji čine strujno

ogledalo, što ima za posledicu povećanje strujnog 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 ogledalo izvedeno sa

NPN tranzistorima (slika). Međutim, ovo rešenje daje smanjeno

diferencijalno pojačanje diferencijalnog pojačavača sa mnogo

nižom graničnom frekvencijom.

Smanjivanje ulazne struje

Strujna nepodešenost ulaza, tj. strujni ofset je jedan od karakterističnih parametara u

projektovanju ulaznog stepena operacionih pojačavača. Iako se struja baze ulaznih

tranzistora može dobiti pomoću kola za polarizaciju u samom operacionom pojačavaču,

jedan deo ulazne struje uvek potiče iz generatora signala kojim se pojačavač pobuđuje.

Ako su otpornosti generatora signala velike, nejednakost ulaznih struja dovodi do znatne

naponske nepodešenosti na ulazu. Zbog toga ulazne struje treba da su što manje.

Najjednostavniji način smanjivanja ulazne struje je korišćenje baznih otpornika:

Nedostatak ovakvog načina smanjivanja ulazne struje

je to što je potrebna velika vrednost otpornika R1, što

zahteva veliku površinu čipa u integrisanoj tehnologiji.

Pored toga, struja I zavisi od napona napajanja VCC, što

je takođe veliki nedostatak.

Smanjivanje ulazne struje Veliko smanjenje ulazne struje može se postići primenom Darlingtonove sprege

tranzistora u ulaznom diferencijalnom pojačavaču, ali se na taj način dobija mnogo veći

naponski drift. Zbog svega toga se u integrisanoj tehnici najčešće koriste kola sa

povratnom spregom prikazana na slikama:

Ukoliko PNP i NPN tranzistori imaju veliki koeficijent strujnog pojačanja β tada je

ulazna struja operacionog pojačavača približno jednaka nuli. Međutim, s obzirom da je

strujno pojačanje β PNP tranzistora mnogo manje od strujnog pojačanja β NPN

tranzistora ovaj uslov najčešće nije ispunjen. U tom slučaju tranzistori istog tipa moraju

biti dobro upareni kako bi ulazna struja bila što manja.

Pojačavač napona Pošto naponsko pojačanje ulaznog diferencijalnog pojačavača nije dovoljno veliko,

operacioni pojačavači imaju između ulaznog i izlaznog stepena još jedan ili dva

naponska pojačavačka stepena. Pored toga ovaj pojačavač treba da ostvari i dovoljno

strujno pojačanje za pobuđivanje izlaznog stepena. Naponsko pojačanje treba da iznosi

50-60 dB, i da ima veliku ulaznu otpornost da bi se smanjilo opterećenje izlaznog

priključka prvog pojačavača. Zbog toga se koristi kompaundovana veza stepena sa

zajedničkim kolektorom i stepena sa zajedničkim emitorom i dinamičkim opterećenjem,

koji može biti i Darlingtonov par tranzistora sa dinamičkim opterećenjem:

Pojačavač napona Drugi način povećanja pojačanja je kada se stepen sa zajedničkim emitorom zameni

kaskadnim pojačavačem sa dinamičkim opterećenjem. Dominantni pol u prenosnoj

funkciji pojačavačkog stepena potiče od vremenske konstante kolektorskog kola

tranzistora T3 u kolu na slici, pošto je ekvivalentna otpornost r03||r04. Mala izlazna

otpornost tranzistora T1 sa malom ulaznom kapacitivnošću tranzistora T2 daje malu

vremensku konstantu, čak 10 puta manju od prethodne.

Izlazni stepen

Izlazni stepen treba da zadovolji sledeće zahteve:

- da potrošaču može da preda dovoljnu korisnu snagu

- da ima dovoljno veliku dinamiku signala (dovoljno velike promene napona i

struje)

- da ima što manju disipaciju

- da ima veliku ulaznu, a malu izlaznu impedansu

- da ima zaštitu od kratkog spoja izlaznog priključka na masu ili na neki od

izvora za napajanje.

Većinu ovih zahteva ispunjava običan stepen sa zajedničkim kolektorom (velika ulazna i

mala izlazna otpornost, nedominantni pol). Nedostatak ovog stepena je velika potrošnja,

koja se može smanjiti ako se emitorski otpornik zameni strujnim izvorom. I pored toga

potrošnja je velika jer pojačavač radi u klasi A.

Izlazni stepen

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 T1.

Zaštita od preopterećenja ili kratkog spoja izlaznog priključka sa izvorom za napajanje

vrši se na način prikazan na slici 2. Vrednosti otpornika RE1 i RE2 su odabrane tako da

tranzistori T4 i T5 počinju da vode pri određenoj maksimalno dozvoljenoj struji

tranzistora T1 i T2. Kada provedu tranzistori T4 i T5 smanjuju se bazne struje tranzistora

T1 i T2, jer deo izlazne struje preuzimaju tranzistora T4 i T5.

Slika 1 Slika 2

Documents

Integrisana kola operacionih pojačavača - leda.elfak.ni ...leda.elfak.ni.ac.rs/education/Analogna elektronika/nastava/2015/05... · integrisana kola upravo zbog toga što se zahteva