Elettronica Applicataa.a. 2017/2018
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Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali 1Elettronica applicata
AMPLIFICATORI OPERAZIONALI:
- applicazioni in funzionamento non lineare
- applicazioni con diodi e transistor
Elettronica applicata 2Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
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Chi contattare:Ing. Simona Granchi email: [email protected]
FONTI:1. J.Millman, C.C. Halkias, “Integrated Electronics”2. J. Millman, A. Grabel, “Microelectronics”3. C. J. Jager, “Microelettronica”4. Sedra/Smith, ‘’Microelctronics Circuits’’
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AMPLIFICATORE OPERAZIONALE
AmplificatoreDifferenziale
Stadi di Potenza
Buffer e Traslatore di
livello
Stadio di uscita
v1
v2
vo
La transcaratteristica di un A.O ( ad anello aperto) è determinata prevalentemente dall’ Ampl.Diff in ingresso e dagli stadi ad elevato guadagno in cascata ad esso
+
‐
v1
v2
vovd
vd=v1‐v2
vo
vd
+
‐
v1
v2
vovd
‐VEE
Vcc
+VSAT
‐VSAT‐VEE
Vcc
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Vd=V1-V2
TVdVC
TVdVC
e
IIe
II
1
10
2
01
TRANSCARATTERISTICHEAMPLIFICATORE DIFFERENZIALE
V1 (+) (‐) V2
+Vcc
‐VEE
Ic1 Ic2Rc Rc
RcRE
Zona a funzionamento
lineare
Zona a funzionamento NON lineare
Vd
Vcc
4VT‐4VT
‐ VEE
AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE
Vd
Ic
TRANSCARATTERISTICA
I0/2
I0
2VT 4VT‐4VT ‐2VT
8 VT 200mV
Retta con pendenzaTV
I4
0
Considerazioni sulla Transcaratteristica1. Amp. Diff è un buon Limitatore di tensione IC1 ha incrementi trascurabili
2. La transconduttanza , che tiene conto del guadagno tensione in ingresso- corrente di uscita varia da zero fino ad un
massimo di per poi ritornare a zero.
3. La transcaratteristica è lineare per valori di Vd molto piccoli:
Td VVper 4
TVI
40
TV2
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AMPLIFICATORE OPERAZIONALE
I concetti per l’analisi dei circuiti relativi a massa/corto circuito virtuale, che sono conseguenza delle caratteristiche ideali di AO e in particolare‐ RIN: ∞ ‐ AOL:∞
VALGONO nella zona di funzionamento lineare ad ALTO GUADAGNO di AO. Questo accade, ad esempio quando AO lavora in catena chiusa (retroazionato) con livelli dei segnali di ingresso tali da non mandare AO in saturazione.
Nella zona della transcaratteristica NON LINEARE (|Vd| >4VT) , zona di saturazione, in cui idealmente l’uscita di tensione, al massimo, è pari a quella di alimentazione tale principii non sono applicabili. Questo accade, ad esempio, quando AO lavora a catena aperta come comparatore.
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Teniamo presente che:
Elettronica applicata 7Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
1. FUNZIONAMENTO a COMPARATORE
+
‐+
Vout
VR
Vi
Vd
TRANSCARATTERISTICA
‐VEE
Vd = Vi ‐ VRVsat= +Vsat = VS
Ris
Ris
VVseVVVseV
V0
Vi
tVout
t
Vcc Vout
VR + 2V*
‐VS
VS
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A causa del valore assai elevato di AOL, datoche Vd è dell’ordine della decina di µV, èsufficiente una variazione della tensioned’ingresso maggiore di tale valore permandare immediatamente l’amplificatoreoperazionale in saturazione.
vo
vi
+VSAT
‐VSAT
VR ‐2V*
V*: soglia di linearità
Elettronica applicata 8Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
2. DIODO di PRECISIONE ( Diodo ideale)
V
I
I0 1A
TRANSCARATTERISTICA di un DIODO
Silicio
GermanioconeII TV
V
21
)1(0
VT = 26 mV a 300 °K
Raddrizzatore a singola semionda
Vi RL V0
Raddrizzatore a singola semionda con semplice diodo
V
Rappresentazione lineare a tratti ideale
Caratteristica comparabile con un “interruttore” o raddrizzatore a semplice semionda
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V
I
Elettronica applicata 9Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
2. DIODO di PRECISIONE ( Diodo ideale)
t
Vi
Raddrizzatore a singola semionda con semplice diodo
Vi RL V0
t
V0
Vmax
Vmax - V
t
Vi
V
t
V0
Se Vi < V tVV 00
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Elettronica applicata 10Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
2. DIODO di PRECISIONE ( Diodo ideale)
+
‐
‐VEE
Vi
VCC
RLV0
A*=Ad>105 )200000741( A
D conduce se:
D
VVV 0'
Quindi:
VVAVVAV id 00 )(
AV
AVV
AV
AV
Vi
11000
1
'00
VVVA
VVi
Essendo dunque A molto elevata si avrà un V’ molto piccolo consentendo di:1. Raddrizzare segnali al di sotto della soglia di
conduzione del diodo2. Avere segnali raddrizzati in uscita più “precisi”
Si tenga conto del doppio regime difunzionamento di AO. Quando D conduce ,siha un funzionamento di AO a catena chiusae il suo guadagno è circa unitario. Quandoinvece D non conduce AO lavora a catenaaperta (come un comparatore), con elevatoguadagno A. Grazie proprio a questo fatto latensione di soglia del diodo è fortementeridotta.
V’
apertacatenaaguadagno*
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Elettronica applicata 11Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
3. Raddrizzatore a singola semiondaApplicazione del Diodo di Precisione
t
Vi
t
V00.1 iVSe
Vmax
V’max
D1 interdetto e D2 conduce
+
‐
‐VEE
Vi
VCC
V0D1
V’
R
IR
D2
R’
Per il principio di massa virtuale si ha:
0'V 00 V
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Elettronica applicata 12Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
3. Raddrizzatore a singola semiondaApplicazione del Diodo di Precisione
0.2 iVSe
Amplificatore Invertente :
iVRRV '
0
D1 conduce e D2 interdetto
V0
Vi
TRANSCARATTERISTICA+
‐
‐VEE
Vi
VCC
V0
V’
R
R’
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Elettronica applicata
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Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
4. Raddrizzatore a Doppia semiondaApplicazione del Diodo di Precisione
t
Vi
t
V0
Vmax
V*
+
‐
‐VEE
Vi VCC
V0
D1R1
Ii
D2
R R
+
‐‐VEE
VCC
R
V’
R
V0
Vi
TRANSCARATTERISTICA
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Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
4. Raddrizzatore a Doppia semiondaApplicazione del Diodo di Precisione
0.1 iVSe
D1 conduce e D2 interdetto
VVVI A 00 ** (massa virtuale)
Essendo:
ViRRVVV PP1
'
ViRRV
RRV P
10
+
‐
‐VEE
VCC
V0
R1
R
AVA
R
VP +
‐‐VEE
VCC
R
V*
R
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Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
4. Raddrizzatore a Doppia semiondaApplicazione del Diodo di Precisione
0.2 iVSe
D1interdetto e D2 conduce
0'2
'01
* RV
RV
RV
III ii
(massa virtuale)Si tenga conto che : '2 VV
ViRRV 0
Vi+
‐
‐VEE
VCC
V0
R1
R
R
V’=V* +
‐‐VEE
VCC
R
Ii
R V2
I*
I
P
Al nodo P:
iVRRV13
2'
132'
RV
RVI i
)3
(32'
1120 R
VRV
RRRIVRIVV i
i
A1 A2
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Elettronica applicata 16Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
5. Amplificatore logaritmico
Ricordiamo:Amplificatore lineare: V0= A Vi
Amplificatore logaritmico: V0=a ln (bVi+c)
TVfV
TVfV
f eIeII 00 1
0lnln IIVV fff
+
‐
‐ VEE
VCC
V0
R
IS
If
Vf
D1
VS
Vi
Alta impedenza di ingresso
RV
II SSf (massa virtuale)
+
‐
00 lnln IIVVV fTf
)ln(ln 00 IR
VVV S
T
Dipendenza da T
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Elettronica applicata 17Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
5. Amplificatore logaritmicoSchema Compensato a Diodi
+
‐
‐VEE
VCC
D
V0
Vf1
VS
+
‐
R Vf2
I
V+
‐
‐VEE
VCC
RT R1 R’
V’0
D2
D1
Generatore di corrente stabilizzato in temperatura
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Elettronica applicata 18Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
5. Amplificatore logaritmicoSchema Compensato a Diodi
+
‐
‐VEE
VCC
D
V0
Vf1
VS
+
‐
R Vf2
I
V+
‐
‐VEE
VCC
RT R1 R’
V’0
D2
D1
0020 lnlnlnln IIVIR
VVVVV T
STf
RIV
VR
VIV S
TS
T lnlnln
RIV
RRRV
RRRVV S
TT
Tln'1'1
11
'0
TT VTseKTV
11600
TRancheTsema (RT è un PTC)
Compensazione locale di VT al variare della temperatura
Compensazione di I0
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Elettronica applicata 19Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
5. Compensazione termica con Termistori
Termistori : semiconduttori in silicio.Questi componenti hanno caratteristica esponenziale, tuttavia si può supporre di considerare il termistorein un intervallo di temperature il cui andamento sia approssimabile a quello lineare.
Due tipi di termistore: gli NTC e i PTC, che si differenziano proprioper il loro andamento in base alla temperatura. NTC: caratteristica esponenziale decrescente PTC: aumenta la loro resistenza all’aumentare della temperatura sono utilizzati come circuiti di protezione e diodi in grado di autoripristinarsi.
Per linearizzare il termistore (cioè approssimare la curva con una retta) possiamo restringere il range di temperature in cui il circuito dovrà operare. La scelta dell’intervallo di temperature non interesserà quelle estreme, ma si aggirerà su una decina di gradi intorno a quella ambiente.
Andamento della resistenza di NTC
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Elettronica applicata 20Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
5. Amplificatore logaritmicoSchema a Transistors
+
‐
‐ VEE
VCC
V0
R1
iC
T lavora in zona attiva
TVBEV
CS
STVBEV
CSS
C eIR
VeI
RV
i 11
Dipendente da : larghezza di base, concentrazione dei portatori minoritari all’equilibrio, ecc..
ECB iiiSe 0(funzionamento a Diodo)
TVBEV
CSC eIi
CS
STBE IR
VVVV
10 ln
Maggiore dinamica e indipendenza da
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Elettronica applicata 21Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
5. Amplificatore logaritmicoSchema Compensato a Transistors
VR
+
‐
‐VEE
VCC
V’
Vf1
VS
R1
VBE1
+
‐
‐VEE
VCC
R2
T1 T2
VBE2
R3
R4
V
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Elettronica applicata 22Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
5. Amplificatore logaritmicoSchema Compensato a Transistors
Hp1: 021 BB ii
Hp2: 21 CSCS II T1 e T2 uguali
TVBEV
CSC eII
CS
CTBE
CS
CTBE
TVBEV
CSC
TVBEV
CSC
II
VV
II
VV
eII
eII
22
11
2
2
1
1
ln
ln
1
212
12ln)ln(ln
C
CT
CS
C
CS
CTBEBE I
IV
II
II
VVVV Eliminata la dipendenza da ICS
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Elettronica applicata 23Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
5. Amplificatore logaritmicoSchema Compensato a Transistors
+
‐
‐VEE
VCC
D
V’
Vf1
VS
R1
VBE1
+
‐
‐VEE
VCC
R2
T1 T2
VBE2
R3
R4
VR
V
Dato che T1 e T2 sono entrambi in zona attiva
01212 BEBEBEBE VVVVV
22 R
VIVV RCR
Inoltre1
1 RV
I sC
)ln(ln1
21
2 R
ST
S
RT V
VRRV
VR
RVVV
)ln()1()1(1
2
4
3
4
30
R
ST V
VRR
RR
VRR
VV Posso compensare le variazioni di VTponendo al posto di R3 un NTC (negative temperature coefficient)
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Elettronica applicata 24Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
5. Amplificatore logaritmicoSchema Compensato a Transistors
P1 : Bilanciamento Quando Vs=0 ; si impone V 0 P2 : azzeramento dell’uscita Varia il guadagno del 2° stadio non invertente ed imposta: V0=0 quando Vs= 5V
Dinamica:[2mV, 20V]‐Se Vs <2mV, correnti comparabili con ibias e non si ha più dipendenza logaritmica tra ingresso e uscita‐ Se Vs >20 V , le elevate correnti determinano cadute di tensioni sulla resistenza base collettore tale da allontanare il circuito da una regione di funzionamento di tipo logaritmico
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Elettronica applicata 25Applicazioni non lineari degli Amplificatori Operazionali
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FINE
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