UFRGS - DELET PPGEE ELE Eletrônica Avançada. Amplificadores Operacionais

Transcrição

1 UFGS - DELET PPGEE ELE Eletrônica Aançada Amplificadores Operacionais Prof. Dr. Hamilton Klimach O que é? Bloco analógico de baixo custo Amplificador pronto para o uso Versátil Eficiente Com asta gama de aplicações Características Ganho eleado Entrada na forma diferencial (amplifica a diferença entre os sinais de duas entradas) Baixa impedância de saída e alta impedância de entrada Emprega realimentação para determinar a relação entre a entrada e a saída (ganho)

2 Para que sere? Originalmente, o AmpOp foi desenolido isando a implementação de operações matemáticas sobre os sinais (computadores analógicos) Multiplicação por constante (amplificação) Soma (subtração) Produto (diisão) ntegração (diferenciação) Potência (raiz) 3 Onde é aplicado? Amplificadores em geral Circuitos comparadores de níel Osciladores Filtros Condicionadores para sensores Amostradores e etentores (sample & hold) Conersores (ADC e DAC) Outros... 4

3 Apresentando o AmpOp Simbologia e conexões Dois terminais de entrada (diferencial) Um terminal de saída (geralmente) Dois terminais de alimentação (simétrica) Geralmente, não apresenta conexão de terra Entradas Saída Fontes de Alimentação 5 AmpOp deal x eal AMPLFCADO OPEACONAL DEAL -Ganho diferencial infinito (Ad) -mpedância de entrada infinita (i) -mpedância de saída zero (o) AMPLFCADO OPEACONAL EAL -Ganho diferencial alto (Ad: a ) -mpedância de entrada alta (i: 50 kω a 5 MΩ) -mpedância de saída baixa (o: 0 Ω a 00 Ω) 6

4 Estrutura nterna 7 Modelo Linear deal 8

5 epresentação de Sinais epresentação de dois sinais V e V atraés da superposição de dois sinais, um diferencial (Vd) e outro de modo comum (Vcm) d + cm d cm d cm + 9 Amplificadores Operacionais Aplicações 0

6 Corrente de entrada 0 Amplificador nersor Configuração nersora OpAmp ideal com ganho infinito esistência de Entrada nfinita Amplificador nersor com ede T Usa-se uma rede resistia no lugar do resistor de realimentação. OpAmp ideal com ganho infinito Vantagem: operar com alto ganho empregando resistores de realimentação não eleados!

7 Amplificador de Corrente Baseado no circuito anterior. Carga mpedância de entrada 0 mpedância de saída infinita Apresenta ganho de corrente MAS a carga 4 tem ser flutuante. 3 Amplificador Somador Ponderado Permite a soma de sinais com diferentes pesos OpAmp deal com ganho infinito 4

8 Amplificador Somador/Subtrator Permite a soma de sinais com pesos positios (não inersor) e negatios (inersor) Qual a expressão de o? 5 Amplificador Não-nersor Configuração Não nersora Configuração nersora Quais são as diferenças entre as duas topologias? 6

9 Amplificador Não-nersor Seqüência de Análise Considerando o como OpAmp ideal:. O Ganho infinito do OpAmp implica em tensão diferencial 0. A tensão na entrada + é replicada para a entrada - (tensão diferencial 0 ) 3. Calcula-se a corrente em 4. Corrente de entrada igual a 0 5. A corrente em é igual a 7 Buffer ou Seguidor de Tensão Caso particular do amplificador não inersor Tem ganho unitário Tem por finalidade isolar a fonte de sinal da carga Tem resistência de entrada infinita (deal) Tem resistência de saída 0 (deal) Circuito Modelo Elétrico 8

10 9 Amplificador Subtrator Análise por Superposição Efeito de Efeito de 0 Amplificador Subtrator Análise por Superposição Efeito de Efeito de 0 o o o o o o ( ) Fazendo o o o

11 Amplificador Subtrator mpedância ista pela fonte diferencial id Amplificador Subtrator Análise do efeito da tensão de Modo Comum - CM Se CM d CM ocm CM CM ocm A A A CM A d /A CM

12 Amplif. de nstrumentação Configuração nicial Configuração Melhorada Versão nicial:. A tensão de modo comum tem o mesmo ganho que a tensão diferencial no primeiro estágio. O Segundo Estágio é responsáel pelo CM Versão Melhorada:. A tensão de modo comum não é amplificada (Gcm ) no primeiro estágio, diminui a relação Vcm/Vd. O Segundo Estágio é responsáel pelo CM 3 Amplif. de nstrumentação Cálculo da função de transferência Para promoer a ariação de ganho o resistor pode ser substituído pelo conjunto ao lado. 4

13 Amplificadores Operacionais Não-dealidades Características e Limitações do Amplificador Operacional 5 Amplificador Linear deal V CC AMPL sinal O i L o A V i Amplificador de tensão excitado com um sinal (t) e conectado a uma carga resistia L Característica de transferência de um amplificador linear de tensão com ganho de tensão A. 6

14 Amplificador eal V CC AMPL sinal O i L o A V AV A V V i + V V ( i, L, f, T, VCC,...) (, T, V,...) L CC Há uma parcela na saída que independe da entrada O ganho A depende do sinal (amplitude e frequência), da alimentação, da temperatura, da carga, etc A dependência de A. com a frequência do sinal possui partes linear e não-linear 7 Modelo de um AmpOp Modelo de um AmpOp real 8

15 Especificações de um AmpOp Especificações de um AmpOp real??? 9 Características Estáticas - DC 30

16 Tipos de Características Estáticas As características estáticas principais de um AmpOp são: Ganho diferencial finito Tensão de off-set Correntes de polarização de entrada 3 Ganho finito Efeito do ganho diferencial finito no ganho do amplificador (realimentado) OpAmp ideal com ganho finito A o + i A i o o i A o [ + ( + ) ] A 3

17 Tensão de Offset de Entrada Modelo para V os - d + OpAmp com V os de 5 mv dealmente, para entrada diferencial igual a zero a saída estaria em zero ealmente, uma tensão surge quando as entradas são iguais, deido a desequilíbrios internos nos blocos que compõem o A. O. Aplicando-se uma tensão diferencial às, entradas olta-se a zerar a saída! Esta tensão é chamada de tensão de offset de entrada V os 33 Efeito de V os Amplificador não inersor: efeito de Vos na saída 34

18 Efeito de V os Uma opção para correção de off-set (zeramento) Lembrar que Vos é muito dependente da temperatura!!! 35 Efeito de V os Amplificador com Acoplamento Capacitio Circuito equialente para Vos Vantagem: Não amplifica o efeito de Vos na saída Limitação: Só sere para sinais dinâmicos 36

19 Correntes de Polarização Modelo para B dealmente seriam 0 esultam da necessidade de polarização dos transistores de entrada Correntes de polarização de cada entrada: B+ e B- No data sheet: Corrente de polarização das entradas ( B ): representa a média das correntes nas duas entradas Corrente de off-set ( OS ): representa a diferença entre as correntes nas duas entradas 37 Efeito de B 38

20 39 eduzindo os efeitos de b pelo uso de 3. Efeito de B ( ) 3 3 Fazendo -se OS o B B OS B B o B B o B B o B B o Corrente de Offset 40 Efeito de B Amplificador com Acoplamento Capacitio Obs: Sem 3 o circuito não funciona! Por que?

21 Características Dinâmicas - AC 4 Tipos de Características Dinâmicas As características dinâmicas de um AmpOp podem ser classificadas como: Limitações lineares Limitações não-lineares uído ntrínseco nterferente 4

22 Características Dinâmicas - AC Limitações não-lineares 43 Excursão Máxima de Saída Amplificador não inersor com ganho A 0 A. O. utilizado satura a saída em ±3V (limitado pela alimentação de ± 5V) Máxima amplitude de sinal de entrada para operação linear? e: i(máx),3vp! 44

23 Slew ate da Saída S Seguidor de Tensão G Excitação de entrada Salto Limitado pelo BW - Linear Limitado pelo S do OpAmp Não Linear Amplitude V suficientemente pequena! eta Exponencial 45 Slew ate da Saída S Efeito do S na limitação da resposta para sinais senoidais 46

24 Características Dinâmicas - AC Limitações lineares 47 Definição de Largura de Banda 48

25 esposta em Freqüência ede Passa Baixas ede Passa Altas 49 esposta em Freqüência ede Passa Baixas 50 5

26 esposta em Freqüência ede Passa Altas 5 Tipos de Amplificadores Amplificador com Acoplamento Capacitio Amplificador com Acoplamento Direto Amplificador Sintonizado ou Passa Banda 5 6

27 OpAmp esposta em Freqüência Modelo de polo dominate Aproximação boa para maioria dos OpAmp! Ganho DC ou de Laço Aberto Por que a maioria dos OpAmp é projetado para ter este tipo de esposta em Freqüência? 53 OpAmp esposta em Freqüência Amplificador NÃO nersor G 0 Amplificador nersor G 0 Freqüência de Corte fc Por que esta diferença? 54

28 OpAmp esposta em Freqüência Limitação de largura de Banda A largura de banda é medida quando o ganho cai -3dB O ganho em laço aberto tem uma banda plana muito estreita A operação em malha fechada amplia a largura de banda plana do amplificador MAS o ganho é reduzido!!! 55 Produto Ganho Faixa GBW Ganho X BW Freqüência de Ganho Unitário do AmpOp BW Largura de Banda Este produto é conhecido como GBW (gainbandwidth) GBW é uma especificação do AmpOp (manual) Ganho é fixado pelo usuário (rede de realimentação) BW GBW / Ganho 56

29 Características Dinâmicas - AC Limitações lineares Efeitos da ealimentação Negatia 57 ealimentação AmpOps quase sempre operam sob realimentação negatia! azão: Fixar a relação entrada saída atraés de componentes externos (tornando-a independente do AmpOp) Considerando-se um AmpOp ideal (A ) o ganho de um amplificador como o abaixo pode ser ajustado apenas pela razão de e 58

30 ealimentação Um sistema realimentado pode ser representado por: Caso Aβ >>, tem-se: OUT N β 59 ealimentação Considerando-se que A (ganho diferencial finito), e /9, e que necessitamos de menos que 0,% de erro de ganho, qual o mínimo ganho diferencial necessário ao AmpOp? esposta: A >

31 ealimentação Como o ganho do AmpOp diminui Como o com ganho a frequência, do AmpOp o erro diminui de um com amplificador a frequência, o realimentado erro de um amplificador aumenta com ela!!! realimentado aumenta com ela!!! 6 Estrutura nterna do AmpOp Blocos básicos que compõem um AmpOp Cada bloco contribui com sua resposta em frequência, geralmente simplificada por um pólo dominante Especificações do projetista: Ganho, largura de banda, S, área, consumo, potência, excursões de sinal, ruído... Dee ser estáel para a realimentação utilizada (geralmente busca-se para a unitária) 6

32 ealimentação Comportamento Dinâmico do AmpOp típico e definição de Margem de Fase 63 ealimentação e Estabilidade Efeito da posição de p em um AmpOp com pólos Margem de Fase Negatia nstáel!!! 64

33 ealimentação e Estabilidade Efeito da posição de p em um AmpOp com pólos 65 ealimentação e Estabilidade Critérios de Estabilidade Aβ apresenta módulo e fase!!! Na frequência em que mag(aβ): Se φ(aβ)80 MF 0 instáel! Se φ(aβ)35 MF 45 boa estabilidade relatia Se φ(aβ)0 MF 60 ótima estabilidade relatia 66

34 Estabilidade elatia 67 Margem de Fase e Tempo de Acomodação 68

35 Compensação Compensação significa a inclusão de elementos ao circuito amplificador, isando melhorar seu comportamento dinâmico: Aumento da estabilidade relatia edução de oer-shoot edução de tempo de acomodação Pode ser: nterna (geralmente Miller) Externa no AmpOp Externa na rede de realimentação Associação destas formas 69 Compensação Miller Uso de uma realimentação capacitia ao redor de um amplificador inersor de alto ganho: Capacitor Miller somente ( zero no SPD) Capacitor Miller + esistor reduz o caminho direto atraés do Cc (atenua o zero no SPD) Capacitor Miller + Buffer (G ~ ) elimina o caminho direto atraés do Cc (cancela o zero no SPD) 70

36 Ocorre quando um amplificador inersor é realimentado atraés de uma capacitância Efeito Miller i i i -A C Análise por Laplace: i i ( [ A ]) i i Zi ii V C ( + A )C eq i Cs ( + A ) Cs ( + A ) V V i i V Cs 7 Efeito Miller Obsere que, como A depende de f, o alor de Ceq também depende de f. C ( + A ) C C eq i A C o i i -A(f) C C eq Ao p C s A C eq V eq Ao + s V p A o + C s p + ω p ω A o p C eq C 7

37 AmpOp CMOS tipo Miller Estrutura nterna do AmpOp 73 Estrutura nterna do AmpOp 74

38 Capacitâncias Enolidas 75 Modelo para Pequenos Sinais Modelo de Pequenos sinais Modelo de Pequenos sinais simplificado 76

39 Análise do Modelo Atraés do equacionamento dos nós do modelo de pequenos sinais simplificado, encontra-se sua função de transferência do ganho Onde: p dee ser projetado para ser o pólo dominante p dee ser projetado para atender a MF desejada z dee-se eitar que seja significatio, pois é um zero no SPD (impacto na estabilidade) 77 Split de Pólos Objetios Forçar uma característica de a ordem na resposta em frequência do OpAmp até GB (ganho unitário) -0dB/dec Giro de fase 90 o Característica de pólo dominante Atender à MF requerida 0 db Depois da Compensação Antes da Compensação ealimentação Unitária Antes da Compensação Depois da Compensação 78

40 Estratérgia de Projeto A freqüência de ganho unitário (0 db) GB é dada por: Para uma MF 45 o temos: Considerando ω 0dB GB e assumindo que z 0 GB temos ealculando, para uma MF 60 o temos: 79 Estratérgia de Projeto Estimando Cc para uma MF 60 o : g C m z e GB c g C m c p C C g C m L > 0,C >,GB L g C m L g >, C m C Obseração: 80