O Amplificador Operacional 741. p. 2/2

Transcrição

1 p. 1/2 Resumo O Amplificador Operacional 741 Circuito de Polarização e circuito de protecção contra curto-circuito O andar de Entrada O Segundo andar e andar de Saída Polarização do 741 Análise de pequeno sinal do 741

2 O Amplificador Operacional 741 p. 2/2

3 p. 3/2 Circuito de Polarização Circuito de Polarização I REF é gerada por os dois transístores Q 11 e Q 12 ligados como díodos e a resistência R 5. O espelho de corrente Widlar, formado por Q 11, Q 10 e R 4, gera a corrente de polarização para o espelho de corrente formado por Q 8 e Q 9. I REF é usado para gerar duas correntes proporcionais no colector Q 13. Este transístor lateral pnp pode ser pensado como dois transístores cuja junções base-emissor são ligados em paralelo. O colector de Q 13B faz a polarização de Q 17 e Q 13A faz a polarização do andar de saída. Q 18 e Q 19 servem para estabelecer a queda de tensão de duas vezes V BE nas junções base-emissor em série, nos transístores de saída Q 14 e Q 20

4 p. 4/2 Circuito de protecção contra curto-circuito Circuito de Protecção contra curto-circuito Existem no 741 diversos transístores que estão normalmente ao corte e apenas conduzem quando se tenta que o Amplificador Operacional forneça uma corrente demasiado elevada. to está normalmente O componentes que implementam este circuito de protecção são R 6, R 7, Q 15, Q 21, Q 24, R 11, e Q 22. Na restante análise estes transístores são considerados como estando ao corte.

5 p. 5/2 O andar de Entrada O circuito do 741 consiste em três andares: um andar diferencial de entrada, um andar intermédio de saída única de alto ganho e uma andar de saída de ganho em corrente. O andar de entrada consiste nos transístores Q 1 a Q 7 com a polarização feita por Q 8, Q 9 e Q 10. Os transístores Q 1 e Q 2 são seguidores de emissor que entregam o sinal a transístores em base comum Q 3 e Q 4. Isto é uma configuração diferencial Colector-Comum, Base-Comum. Os transístores Q 5, Q 6 e Q 7 e resistências R 1, R 2 e R 3 são o circuito de carga do circuito de entrada. Este é um circuito de espelho de corrente elaborado que será analisado posteriormente. Este circuito de carga não só providencia uma carga activa como transforma o sinal diferencial em saída única sem perda de ganho ou rejeição em modo comum.

6 p. 6/2 O andar de Entrada Cada Amplificador Operacional tem um conversor de nível de tensão cujo objectivo é colocar a tensão DC num nível apropriado de forma que a saída do amplificador operacional possa ter excursões positivas e negativas. Neste Amplificador Operacional isto é feito no primeiro andar através dos transístores laterais pnp Q 3 e Q 4. Apesar dos transístores laterais pnp terem fraca resposta em frequência a sua utilização não afecta demasiado o funcionamento do 741. O uso de transístores laterais pnp Q 3 e Q 4 dá protecção contra a ruptura da junção Emissor-Base inversamente polarizada que nestes transístores é cerca 50V contra 7V nos npn. (prevenir, por exemplo, contra o facto da alimentação ser ligada aos terminais de entrada).

7 p. 7/2 O segundo andar Segundo andar Composto Q 16, Q 17 e Q 13B e as resistências R 8 e R 9. Q 16 seguidor de emissor. Grande resistência de entrada. Isto minimiza a carga sobre o primeiro andar e evita a perda de ganho. O transístor Q 17 é um emissor comum com resistência de emissor de 100Ω. A sua carga é composta pela fonte de corrente formada pelo transístor Q 13B em paralelo com a resistência de entrada do andar de saída. Utilizando uma fonte de corrente como resistência de carga permite obter grandes ganhos sem o uso de resistências reais de carga que ocupariam grandes áreas de circuito integrado. O condensador C C está ligado em realimentação e sofre pelo o efeito de Miller uma reflexão na entrada sendo a capacidade amplificada criando um pólo na resposta do circuito (neste circuito por volta de 4Hz). A área ocupada por este condensador é 13 vezes a área dum transístor npn.

8 p. 8/2 Andar de Saída Andar de Saída Andar em Classe AB. Já estudado anteriormente. O andar de saída do 741 consiste num par complementar Q 14 e Q 20. Os transístores Q 18 e Q 19 são alimentados pela fonte de corrente formada por Q 13A e polarizam os transístores de saída Q 14 e Q 20, garantindo o funcionamento em classe AB. O transístor Q 23 actua como um seguidor de emissor minimizando o efeito de carga do andar de saída no segundo andar Parâmetros dos transístor npn, I S = A, β = 200, V A = 125V pnp, I S = A, β = 50, V A = 50V Transístores Q 13A e Q 13B respectivamente I SA = 0.25x10 14 A, I SA = 0.75x10 14 A Os Transístores de Saída têm áreas de junção Emissor-Base três vezes maiores que o transístor standard.

9 p. 9/2 Polarização do 741 Corrente de Polarização de Referência I REF = V CC V EB12 V BE11 ( V EE ) R 5 Sendo V CC = V EE = 15V, V BE11 = V EB12 0.7V então I REF = 0.73mA. Polarização do andar de entrada Fonte de corrente Widlar V T ln I REF I C10 = I C10 R 4 I C10 = 19µA

10 p. 10/2 Polarização do 741 2I I C10 Para o 741, I C10 = 19µA e então I 9.5µA Polarização do andar de entrada Por questões de simetria I C1 = I C2. Considerando I C1 = I e β elevado, para os transístores npn temos que I E3 = I E4 I. As correntes de base de Q 3 e Q 4 são iguais com um valor de I/(β P + 1) I/β P em que β P é o β dos transístores pnp. Então I C9 = 2I 1+2/β P Se β P 1 então

11 p. 11/2 Polarização do 741 Polarização do andar de entrada Os transístores Q 1 até Q 4, Q 8 e Q 9 formam uma malha de realimentação negativa que estabiliza o valor de I em aproximadamente I C10 /2. Considere então que I aumenta em Q 1 e Q 2. Aumentará a corrente em Q 8 e o mesmo acontecerá em Q 9. Mas como I C10 permanece constante as correntes de base de Q 3 e Q 4 tem que diminuir fazendo diminuir as correntes de emissor dos mesmos. Logo a corrente I também diminui o que contraria o efeito inicial do aumento de I.

12 p. 12/2 Polarização do 741 Polarização do andar de entrada Desprezando a corrente de base de Q 16 então I C6 I. Desprezando a corrente de base de Q 7 obtemos I C5 I. A corrente de polarização de Q 7 pode ser determinada por I C7 I E7 = 2I β N + V BE6+IR 2 R 3 em que β N é o β dos transístores npn. Para calcular V BE6 usamos a relação exponencial do transístor V BE6 = V T ln I I S Substituindo I S = A e I = 9.5µA resulta em V BE6 = 517mV e I C7 = 10.5µA

13 p. 13/2 Polarização do 741 Corrente de Polarização de entrada no Amplificador Operacional I B = I B1+I B2 2 = I β N Para β N = 200 temos que I B = 47.5nA. Valor típico dum amplificador operacional com entrada de transístores. No caso de entrada por FET este valor é da ordem de picoamperes ou fentaamperes.

14 p. 14/2 Polarização do 741 Polarização do segundo estágio Se desprezarmos a corrente de base de Q 23 vemos que a corrente de colector de Q 17 é aproximadamente igual à corrente fornecida por Q 13B. Uma vez que Q 13B tem uma corrente de escala 0.75 vezes a de Q 12 temos que I C13B 0.75I REF em que se assume β P 1. Então I C13B = 550µA e I C17 550µA. A tensão base-emissor de Q 17 será V BE17 = V T ln I C17 I S = 618mV A corrente de colector de Q 16 pode ser determinada de I C16 I E16 = I B17 + I E17R 8 +V BE17 R 9 Obtém-se I C16 = 16.2µA. Deve notar-se que a corrente de base de Q 16 será desprezável quando comparada com a corrente de polarização I.

15 p. 15/2 Polarização do 741 Polarização do Andar de Saída A figura mostra o andar de saída com o circuito de protecção de curto circuito omitido. A fonte de corrente Q 13A fornece a corrente de 0.25I REF ao circuito composto por Q 18, Q 19 e R 10. Se desprezarmos as correntes de base de Q 14 e Q 20 então a corrente de emissor de Q 23 será também igual a 0.25I REF I C23 I E I REF = 180µA A corrente de base de Q 23 é só 180/50 = 3.6µA que é desprezável comparado com I C17.

16 Polarização do 741 Polarização do Andar de Saída Se V BE18 é aproximadamente 0.6V a corrente em R 10 é 15µA. Temos então que I C18 = I E18 = = 165µA Com este valor de corrente temos que V BE18 = 588mV (através da formula exponencial do transístor) que é próximo do valor assumido de 0.6V. A corrente de base de Q 18 é 165/200 = 0.8µA que pode ser somada à corrente em R 10 para determinar a corrente em Q 19 como I C19 I E19 = 15.8µA. A queda de tensão na junção base emissor de Q 19 será V BE19 = V T ln I C19 I S = 530mV A tensão V CE18 que é igual V CE18 = V BB = V BE18 +V BE19 = V BE14 +V EB20 = = 1.118V Podemos calcular a corrente de colector em Q 14 e Q 20 sabendo que V BB = V T ln I C14 I S14 +V T ln I C20 I S20 Atendendo que I S14 = I S20 = 3x10 14 A as correntes de colector serão I C14 = I C20 = 154µA p. 16/2

17 Análise para pequenos sinais do 741 Andar Diferencial de Entrada Atendendo a que os colectores de Q 1 e Q 2 estão ligados a uma tensão DC constante são mostrados na figura ligados à massa. A polarização de corrente constante das bases de Q 3 e Q 4 é equivalente para sinal às duas bases comuns não estando ligadas a nenhum ponto. O sinal diferencial v i aplicado entre os terminais de entrada aparece através das quatro resistências de emissor de cada um dos transístores de Q 1, Q 2, Q 3 e Q 4. A corrente correspondente será i e = v i 4r e (1) r e = V T I = 25mV 9.5µA = 2.63KΩ A resistência diferencial de entrada será R id = 4(β N + 1)r e = 2.1MΩ considerando β N = 200. p. 17/2

18 p. 18/2 Análise para pequenos sinais do 741 Andar Diferencial de Entrada Transcondutância Desprezando a corrente de sinal na base de Q 7 a corrente de sinal no colector de Q 5 é aproximadamente igual à corrente αi e. Formando Q 5, Q 6 e Q 7 um espelho aproximadamente simétrico a corrente em Q 6 é também αi e. Então a corrente de saída i o é i o = 2αi e (1) De (1) e (1) do acetato anterior a transcondutância será G m1 = i o vi = 2r α e = 1/5.26mA/V

19 p. 19/2 Análise para pequenos sinais do 741 Andar Diferencial de Entrada Resistência de Saída A resistência de saída R o1 é o paralelo da resistência de saída vista para dentro de Q 4 e a resistência de saída de Q 6. Considera-se que as bases comuns de Q 3 e Q 4 estão numa terra virtual (considerando que o sinal de entrada é aplicado numa forma complementar). Apesar de isto constituir uma aproximação o erro cometido não é significativo. As figuras (a) e (b) mostram como calcular estas resistências de saída. r o = V A /I R o4 = r o [1+g m (r e r π )] = 10.5MΩ R o6 = r o [1+g m (R 2 r π )] = 18.2MΩ R o1 = R o4 R o6 = 6.7MΩ

20 p. 20/2 Análise para pequenos sinais do 741 Andar Diferencial de Entrada Circuito equivalente para sinal O circuito equivalente será utilizado para calcular o ganho total do circuito.

21 p. 21/2 Análise para pequenos sinais do 741 Segundo andar Resistência de Entrada Por inspecção do circuito da esquerda R i2 = (β )[r e16 + R 9 ((β )(r e17 + R 8 )) r o16 ] 4MΩ

22 p. 22/2 Análise para pequenos sinais do 741 Segundo andar Resistência de Saída R o2 é obtido da seguinte forma: R o2 = (R o13b R o17 ), R o13b = r o13b = 90.9KΩ Considerando a resistência da base de Q 17 à massa (figura da direita) é pequena R o17 r 017 [1+g m (R 8 r π17 )] = 787KΩ R o2 = (R o13b R o17 ) 81KΩ

23 p. 23/2 Análise para pequenos sinais do 741 Segundo Estágio Transcondutância Do circuito equivalente do segundo andar (figura da esquerda) a transcondutância G m2 é a razão da corrente em curto-circuito para a tensão de entrada. Curto-Circuitando o terminal de saída à massa faz com que a corrente de sinal na resistência de saída de Q 13B seja nula. A corrente em curto-circuito será igual à corrente de sinal do colector de Q 17 (i c17 ). Podemos encontrar as seguintes relações i c17 = αv b17 (R r e17 +R 8 v b17 = v 9 R i17 ) i2 (R 9 R i17 )+r R e16 i17 = (β )(r e17 + R 8 ) Podemos combinar estas três equações para obtermos G m2 = i c17 v i2 6.5mA/V O circuito da direita apresenta outro circuito equivalente de sinal ao segundo andar.

24 p. 24/2 Análise para pequenos sinais do 741 Andar de Saída Resistência de Entrada Vemos na figura o circuito equivalente de sinal do andar de saída em que está também representada a resistência de carga R L e a resistência de saída do segundo estágio. A resistência R in3 é a resistência de entrada do andar de saída considerando o amplificador com uma carga de R L. Supondo que Q 20 está a conduzir 5mA. A resistência de entrada vista para dentro da base de Q 20 é aproximadamente β 20 R L. Sendo β 20 = 50 para R L = 2KΩ então a resistência de entrada de Q 20 é 100KΩ. Esta resistência aparece em paralelo com a resistência série de saída de Q 13A (r o13a 280KΩ) e a resistência do grupo Q 18 Q 19 (160Ω - muito pequena). Então a resistência total no emissor de Q 23 é aproximadamente (100KΩ 280KΩ 74KΩ).

25 p. 25/2 Análise para pequenos sinais do 741 Andar de Saída Resistência de Entrada Então R in3 β 23 [(β 20 R L ) r o13a ] 3.7MΩ Como R in3 R o2 = 81KΩ o efeito de carga do andar de saída sobre o segundo andar não é significativo.

26 p. 26/2 Análise para pequenos sinais do 741 Andar de Saída Ganho total de tensão em Circuito aberto G vo3 = v o v o2 RL = 1 Devido ao facto de estarmos em presença de seguidores de emissor. Com R L = a resistência no emissor de Q 23 será muito grande. Isto significa que o ganho de Q 23 será quase unitária e a resistência de entrada de Q 23 será muito grande.

27 Análise para pequenos sinais do 741 Andar de Saída Resistência de Saída R o2 é a resistência de saída do segundo andar. Assumindo que a tensão de saída v O é negativa e por isso Q 20 está a conduzir a maior parte da corrente (consideramos eliminado o transístor Q 14 ). O valor exacto da resistência de saída depende de qual transístor (Q 14 ou Q 20 ) está a conduzir e da corrente na carga. A resistência vista para dentro de Q 23 é R o23 = R o2 β r e KΩ atendendo que R o2 = 81KΩ, β 23 = 50 e r e23 = 25/0.18 = 139Ω p. 27/2

28 p. 28/2 Análise para pequenos sinais do 741 Andar de Saída Resistência de Saída Considerando que r o13a é muito maior que R o23 temos que a resistência de saída é R out = R o23 β r e20 Para uma corrente de saída de 5mA, r e20 = 5Ω e R out = 39Ω a que deve-se adicionar a resistência de protecção contra curto-circuitos de 27Ω. A resistência de saída do 741 é especificado como tipicamente de 75Ω.

29 p. 29/2 Análise para pequenos sinais do 741 Ganho Total de Pequeno Sinal R L = 2KΩ v o vi = v i2 v i v o2 v i dB v o v o2 = G m1 (R o1 R i2 )( G m2 R o2 )G vo3 R L R L +R out = V/V =