Transcript Mikroel4_3 - CARNet lms

Elektrotehnički fakultet
Kneza Trpimira 2b, 31000
Osijek, HRVATSKA
Sveučilište J.J.
Strossmayera u
Osijeku
Prof. dr. Tomislav Švedek
MIKROELEKTRONIKA
3+1+2
MODUL 4 /3 od 3
4.1.4. Pojačala
4.1.4.1. Pojačalo u spoju zajedničkog
emitera s Widlarovim strujnim
zrcalom
4.1.4.2. Pojačalo s Darlingtonovim spojem
4.1.4.3. Pojačala s negativnom povratnom
vezom
4.1.4.4. Diferencijalno pojačalo
4.1.5. Monolitno operacijsko pojačalo (741)
MODUL 4/2od 3
2
4.1.4. Pojačala
Istosmjerno vezana pojačala.
4.1.4.1. Pojačalo u spoju zajedničkog emitera s
Widlarovim strujnim zrcalom
UCC
T1T2
Rp IC2
I0
R0
R1= R'1 - iste
izlaz
R1
R'1
struje baze
T2
IB
IC1IB
T1
UBE1
UBE2
ulaz
T1 s R0 određuje I0,
IC1 i IC2
UCE2
T2
pojačalo
MODUL 4/2od 3
Uz R'1 =0
izmjenična struja bi
tekla u kolektor C1,
pa ne bi bilo
pojačanja signala!
3
UCC
Statička analiza
IB1= IB2= IB

IC1= IC2
Rp
I0
R'1
R0
R1
IC1IB
IB
T1
UBE1
IC2
izlaz
T2
UBE2
ulaz
U CC  I 0  R0  I B  R1  U BE1
I 0  2  I B  I C1  2     I B
I C1    I B  I C 2
UCE2
1)
2)
3)
U CC  2     I B  R0  I B  R1  U BE1
  U CC  U BE1 
I C1  I C 2    I B 
R1  2     R0
MODUL 4/2od 3
4)
5)
4
Da promjena strujnog pojačanja () ne bi utjecala na
statičku radnu točku tranzistora T2 treba biti zadovoljeno:
R1  2    R0 ,
kao i   2
U tom slučaju struja IC2 jednaka je:
U CC  U BE1
I C1  I C 2    I B 
R0
a izlazni napon:
U CE 2  U CC  I C 2  R p  U CC 
U CC  U BE1  R p
R0
Za maksimalni hod izlaznog izmjeničnog signala, napon UCE2
treba biti UCC/2, odakle:
Rp
R0

U CC
1

2  U CC  U BE1  2
za U CC  U BE1
MODUL 4/2od 3
5
Dinamička analiza
Rizl(T1)>>Rul(T2)
IC1
IC
IB2
IB
IB
UCE UCE1
UBE UBE2
Režim malog signala - zanemariti izlazni otpor strujnog
izvora T1 i kratko spojiti UCC
C2
B2
ip
T2
uul
uizl
Rp
E2
MODUL 4/2od 3
6
Za statičku radnu točku Q(UCE2, IC2) mogu se naći
niskofrekvencijski hibridni parametri. Model pojačala:
hie
C2
B2
ib
uul
ip
+
hreuce
hfeib
uul  ib  hie  hre  uizl
E2
hoe
uizl
Rp
uizl  u p  i p  R p
i p  h fe  ib  uizl  hoe  0
Naponsko
pojačanje
uizl
AV 

uul
h fe

1
hie   hoe 

Rp

MODUL 4/2od 3

  hre  h fe


7
hre  h fe
uul
 hie 
Dinamički ulazni otpor Rul 
1
ib
hoe 
Rp
U većini slučajeva vrijedi hoe·Rp<0,1 ; hfe>>hre ·hfe ·Rp, odatle:
Rul  hie
prenizak ulazni otpor - uvođenje emiterske degeneracije!

IC2
U CC  U BE1  R p
AV  
 Rp  gm  Rp  
 Rp  

hie
UT
UT
R0
h fe
Za optimalnu statičku
U CC
AV  
radnu točku vrijedi:
2 U T
MODUL 4/2od 3
- temperaturno ovisno
pojačanje - uvođenje
emiterske degeneracije!
8
4.1.4.2. Pojačalo s Darlingtonovim spojem
Statička analiza
NPN tranzistor i lateralni
UCC
PNP tranzistor
I
UB1 UEB
IB1
uul
R1
IC2
T1
IB2 =IC1
IE2
T2
R2
UE2
Tranzistori rade u normalnom
aktivnom području. Struja ICB0
je zanemarena.
I B 2  I C1  1  I B1
I E 2  I B2  I C 2 
 1   2   I B 2
 1  1   2   I B1
uizl
Rezultantni r Darlingtonovog spoja
I E2
 1  1   2   1   2
I B1
MODUL 4/2od 3
9
Budući da je r>>1 vrijedi:
UCC
I
UB1 UEB
IB1
uul
I E2  IC2  I
R1
U CC  I  R1  U EB  U B1
U E 2  I  R2
IC2
T1
IB2 =IC1
IE2
T2
R2
UE2
uizl
odatle:
U E2
R2

 U CC  U EB  U B1 
R1
Omjer otpora R2 i R1 određuju razliku napona UE2 i UB1 (kod
sklopa za pomak naponskih razina!!)
MODUL 4/2od 3
10
Dinamička analiza
Model Darlingtonovog spoja za izmjenični signal.
ueb
T1
T2
ie
R1
uul
ie
Odatle vrijedi
R2
AV 
uizl
u izl
R
 2
u ul
R1
Struja kroz otpornike
R1 i R2 je praktički
jednaka ie. Ako se
napon ueb zanemari u
odnosu na pad napona
na otporu R1 vrijedi:
uul  ie  R1 i uizl  ie  R2
- pojačanje ovisi samo o
omjeru otpora!
MODUL 4/2od 3
11
4.1.4.3. Pojačala s negativnom povratnom vezom
Negativna povratna veza osigurava da u prvoj aproksimaciji
pojačanje izmjeničnog signala ovisi samo o malom broju
parametara (npr. dva otpornika).
Negativnom povratnom vezom postižu se uske tolerancije
iznosa pojačanja uz široke tolerancije aktivnih i pasivnih
komponenata sklopa.
MODUL 4/2od 3
12
Primjer: Dvostepeno pojačalo s istosmjernom vezom i
strujno-paralelnom povratnom vezom
UCC
UCC
Rp1
uul
T1
iul
ib1
if
ip
ub2
Rp2
up
T2
RF
(if +ie2)
ue2
RE
MODUL 4/2od 3
Dinamička analiza:
Za iul  i uul ,
-ub 2 , ue2( -ub 2 ),
if , pa ib1 
ib1  iul  i f
Strujno-paralelna
negativna povratna veza
stabilizira strujno
pojačanje AI
13
Za uul<<ue2 povratna veličina (struja if ) jednaka je :
UCC
UCC
Rp1
uul
iul
T1
ib1
if
ip
ub2
RF
ie2
(if +ie2)
Rp2
up
uul  u e 2
ue2
if 

RF
RF
ue2  (i f  ie2 )  RE
T2
ue2
RE
hfe tranzistora T2 puno je
veći od jedinice, pa je
ie2  -ip , odnosno:
ue2
RE
RE
if  
 (i f  ie 2 ) 
 (i f  i p ) 
RF
RF
RF
a odatle i f 
RE
ip
RE  RF
Za if >> ib je if  iul pa je pojačanje definirano kao:
MODUL 4/2od 3
14
AI PV 
ip
iul
ip
Pojačanje stabilno za
stabilan omjer RF/RE!
RF

 1
if
RE
Mana: za veliko strujno pojačanje potreban je veliki omjer
otpornika RF i RE što pogoršava njihovu toleranciju. Veliki
RF znači veliku površinu. Moguće rješenje RE zamijeniti
tranzistorskom diodom (otpor RE = rD).
UCC
UCC
Rp1
T1
Rp2
RF
AI PV
T2
RF
 1
rD
;
UT
rD 
ID
tranzistorska dioda
MODUL 4/2od 3
15
4.1.4.4. Diferencijalno pojačalo
UCC
IC
RB
B1
uul1
IB
Rp
Rp
up1 up2
T1 U
CE
UBE
UE
E
IC
IB
NAP
RB
T2
UBE
T1 T2
>>1; IEIC
B2
uul2
I0
I0
Kada na ulazu nema signala (u "zraku" su): I E  I C 
2
IC
I0
IB 

β
2 β
I0
U E  U CC  I B  RC  U BE  U CC 
 RC  U BE
2 
MODUL 4/2od 3
16
 RB
 I0
U CE  U CC  I C  R p  U E  U BE  
 R p  
 
 2
Izlazima pojačala u točkama C1 i C2 odgovaraju potencijali:
U C1  U C 2  U CC 
I0  Rp
2
U C1  U C 2  0 - pojačalo je u ravnoteži!
A) Uul1=Uul2 (ISTOFAZNI SIGNALI)
U C1  U C 2  0 - pojačalo je i dalje u ravnoteži!
B) Uul1=-Uul2 (PROTUFAZNI SIGNALI)
I C1  I C 2 ; I C1  I C 2  I 0
 U C1  U C 2
- pojačalo više nije u ravnoteži!
MODUL 4/2od 3
17
Statičku radnu točku Q treba tako odabrati da tranzistori budu
u normalnom aktivnom području rada, tj. UCE>UBE>0 V što je
moguće ako u izrazu:
 RB
 I0
U CE  U CC  I C  R p  U E  U BE  
 R p  
 
 2
vrijedi: RB    R p Uz Rp =1 k, RB treba biti oko 100 k
(prevelik otpor u monolitnoj tehnologiji)
Rp
Rp
uul1
UBE
up1 up2
T1
T2
E
I0
UCC
uul2
UEE
MODUL 4/2od 3
U BE
I B  I s  exp(
)
UT
Struja IB osigurava se
naponom UBE,
pomoću napona
baterije - UEE (otpor
RB nepotreban).
18
Osnovna dinamička svojstva diferencijalnog pojačala
Izvor konstantne struje I0 zamijenjen otporom RE; zanemareni
hre i hoe parametri!
Rp
Rp
up1
hie
hfeib
uul1
1
hfeib
E
1
ib
up2
(1+hfe)ib1
2
(1+hfe)ib2
RE
hie
ib
2
uul2
uul1  ib1  hie  (1  h fe )  (ib1  ib2 )  RE ; u p1  -h fe  R p  ib1
uul 2  ib2  hie  (1  h fe )  (ib1  ib2 )  RE ; u p 2  -h fe  R p  ib2
MODUL 4/2od 3
19


u p 2  Guul 2  uul1   (1  h fe )  RE  hie  uul 2 
u p1  G uul1  uul 2   (1  h fe )  RE  hie  uul1
G

h fe  R p
hie  hie  2  (1  h fe )  RE
uiz  u p1  u p 2 
h fe  R p
hie
A) istofazni signali (uul1=uul2)
B)protufazni signali (npr uul1= - uul2)
MODUL 4/2od 3

uul1  uul 2 
uiz  0
uiz  2
h fe  R p
hie
uul1
20
Pojačanje zajedničkog signala (engl. common mode) AZ:
AZ1 
u p1
uul1

uul 1 uul 2
h fe  R p
hie  2  (1  h fe )  RE
 AZ 2
(pojačanje spoja zajednički emiter s emiterskom degeneracijom!)
Pojačanje protufaznog signala ili diferencijalno
pojačanje (engl. differential mode) Ad:
Ad1 
u p1
uul1

h fe  R p
uul 1  uul 2
hie
 Ad 2
(ovdje RE na djeluje na Ad jer protufazni ulazni signal generira
protufazne izmjenične struje koje se na RE poništavaju!!)
MODUL 4/2od 3
21
Dobro diferencijalno pojačalo mora imati veliki faktor
potiskivanja (engl. Common mode rejection ratio - CMRR)
tj. što veće diferencijalno, a što manje zajedničko pojačanje:
Ad
Ad 1 Ad 2
RE
CMRR   


 1  2  (1  h fe ) 
AZ AZ 1 AZ 2
hie
CMRR raste s porastom RE i izborom radne točke Q u
normalnom aktivnom području. Uz pretpostavku hfe>>1:
(1  h fe ) h fe
I CQ

 gm 
hie
hie
UT
CMRR  1  2 
I CQ
UT
 RE
CMRR raste uz veći RE i veću struju
ICQ.
MODUL 4/2od 3
22
Sa stanovišta statičkog rada povoljno je da RE bude što niži, a
sa stanovišta dinamičkog rada što viši (dinamički otpor).
Primjer: linearni RE= 2 M određuje struju ICQ=1 mA
U E  2  I CQ  RE  2 103  2 106  4 103 V
Tranzistor T kao strujni
izvor u krugu emitera
diferencijalnog pojačala:
E
I0
E
I0
R1
T
Veliki dinamički otpor.
Otpornici R1, R2 i R3 za rad
tranzistora T u normalnom
aktivnom području
-UEE
MODUL 4/2od 3
R3
R2
-UEE
23
Simetričan i nesimetričan izlaz iz diferencijalnog
pojačala
A) simetričan izlaz
uiz  u p1  u p 2  f uul1  uul 2 
Napon između kolektora C1 i C2 proporcionalan je razlici
ulaznih napona i ne ovisi o faktoru potiskivanja !
B) nesimetričan izlaz u  u  f u -u   g u  ili
iz
p1
ul1
ul 2
ul1
uiz  u p 2  f uul 2-uul1   g uul 2 
Napon između kolektora C1 i mase (ili C2 i mase)
proporcionalan je razlici ulaznih napona, ali i ulaznom
naponu uul1 (ili uul2). Samo kod dovoljno visokog faktora
potiskivanja , nesimetričan izlaz je kao i simetričan izlaz
proporcionalan samo razlici ulaznih napona!
MODUL 4/2od 3
24
Monolitne izvedbe diferencijalnog pojačala
Diferencijalno pojačalo je podsklop operacijskog pojačala sa
svrhom pojačanja razlike, a gušenja istofaznog signala.
U monolitnoj tehnici mogu se lako realizirati identični
tranzistori (T1 i T2 ) i kolektorski otpornici Rp.
Promjena električnih karakteristika i promjena temperature
mora biti ista i za T1 i za T2.
MODUL 4/2od 3
25
Primjer: Diferencijalno pojačalo s Widlarovim logaritamskim
strujnim zrcalom
+UCC
R1
Lokalni naponski T3
izvor
Rp
Rp
uul1
up1 up2
T1
T2
E
T4
R2
uul2
T5
R3
-UEE
Widlarovo logaritamsko strujno zrcalo (istosmjerna struja 10 20 A za T1 i T2)
MODUL 4/2od 3
26
4.1.5. Monolitno operacijsko pojačalo (741)
741 tipični predstavnik operacijskih pojačala
Diferencijalno
pojačalo
Naponsko
pojačalo
Izlazno
pojačalo
1. Stupanj
2. Stupanj
Izlazni
stupanj
36 komponenata : 24 bipolarnih NPN i PNP tranzistora
11 otpornika
1 kondenzator
MODUL 4/2od 3
27
Pojednostavljena shema:
+UCC
Rul=2 M
uul1
T1
+
DC pomak
uul2 T13B
T2
-
T14
T3
T4
I1
T5
+UCC
uizl
T18
T23A
T16
T6
1. Stupanj
T19
T20
-UEE
Rp
T13A
T17
2. Stupanj
Darlington
MODUL 4/2od 3
Izlazni stupanj
(AB klasa)
-UEE
28
1. Stupanj - diferencijalno pojačalo
• veliki CMRR
• veliki i Rul
• veliko pojačanje - poželjno što veće kako bi
se smanjio šum (šum generiran u 1. i 2.
stupnju dijeli se s pojačanjem 1. stupnja)
DIFERENCIJALNO POJAČALO:
pojačanje 1. Stupnja 316 (50 dB)
MODUL 4/2od 3
29
T1 i T2 - emitersko slijedilo
(Rul , Cul )
uul1
T1
+
T3
I1
-UEE
T5
+UCC
uul2
T2
T3 i T4 - spoj zajedničke baze
(lateralni PNP
tranzistori) - osiguravaju
T4
pomak naponske razine
bliže naponu -UEE (I1 je
generator njihove bazne
upl2
struje)
T6
T5 i T6 - (strujno zrcalo) trošila
pojačala T3 i T4 -UEE
pretvaranje simetričnog
u nesimetrični izlaz Up2
MODUL 4/2od 3
30
2. Stupanj -naponsko pojačalo
+UCC
T13B
+UCC
upl2
uizl2
T16
T17
T16 i T17 - Darlingtonov spoj
(T16 u spoju zajednički
kolektor - prilagođenje
na niski ulazni otpor
tranzistora T17 koji je u
spoju zajedničkog
emitera s T13B kao
aktivnim teretom).
Naponsko pojačanje oko 1000
puta (60 dB).
-UEE
MODUL 4/2od 3
31
3. Stupanj -izlazno pojačalo
+UCC
T13B
T14
T19
uizl
T18
T20
uizl2 T23A
T14 (NPN) i T20 (PNP)- pojačalo
snage AB klase s komplementarnim
parom u spoju zajedničkog
kolektora. Rad u klasi AB osiguran
kolektorskim strujama IC= 135 A.
Pojačalo se pobuđuje preko dvoemiterskog tranzistora T23A u spoju
zajedničkog kolektora koji služi za
odvajanje Darlingtonovog pojačala
od izlaznog stupnja.
-UEE
Naponsko pojačanje 1 (0 dB), ali velika izlazna struja
MODUL 4/2od 3
32
Kapacitet C (30 pF) spojen između izlaza 2. stupnja i izlaza
izlaznog stupnja služi za frekvencijsku kompenzaciju
pojačala 741. Kod 741 ugrađen je u pojačalo, a kod nekih
drugih pojačala spaja se izvana!
C
Diferencijalno
pojačalo
Naponsko
pojačalo
Izlazno
pojačalo
UKUPNO POJAČANJE POJAČALA 741:
oko 300 000 puta ili 50 + 60 = 110 dB
MODUL 4/2od 3
33