AKTIVNÍ PRVKY V SOUČASNÉ ANALOGOVÉ TECHNICE

Transkript

1 AKTVNÍ PRVK V SOUČASNÉ ANALOGOVÉ TECHNCE "Klasický" prvke analogové techniky 8tých a začátku 9tých let byl operační zesilovač s typickou vnitřní strukturou podle obr. 3.. in Diferenční Napěťový Koncový stupeň stupeň stupeň out Obr. 3.: blokové uspořádání konvenčního O Probléy konvenčního O: "napěťová" vnitřní struktura velké parazitní časové konstanty, dvoustupňové zesílení nutnost frekvenční kopenzace (další kapacita navíc) nízký tranzitní kitočet, alá rychlost přeběhu lustrace: Dosahované paraetry, zejéna f T a rychlost přeběhu už současný požadavků nevyhovují a nelze je "rozuný" způsobe zvyšovat. / 9

2 Funkční bloky na bázi proudového ódu V této části se budee zabývat aktivníi prvky, jejichž vnitřní struktura odpovídá principů proudového ódu. Může jít o prvky, určené pro zpracování napěťových signálů i o prvky, určené pro proudové obvody. tohoto pohledu ůžee definovat A) "ákladní" prvky byly již dříve znáé, ale do oblasti záju se dostaly až po nástupu proudového ódu. Typickýi představiteli jsou OTA a proudový konvejor. B) "Odvozené" prvky jejich koncepce a řešení vychází ze "základních" prvků (skupina A)). C) "Nové" prvky vyvinuté speciálně pro aplikace v proudové ódu. Do této skupiny patří všechny typy "pravých" proudových zesilovačů, zejéna proudový sledovač a proudový operační zesilovač. Uveďe základní charakteristiky těchto prvků:. Proudový konvejor (CC) Tento funkční blok byl prvně definovaný prof. Sedrou v roce 968. Běžně užívaný sybol a linearizovaný odel jsou nakreslené na obr α β Sybolická značka β = ± Obr. 3.2 Proudový konvejor Linearizovaný odel Pro obvodové veličiny na bránách konvejoru platí základné rovnice (3.): = α ; U = U ; = ± (3.) Rovnice (3.) ůžee přepsat do aticové fory (3.2): U = α ± U U (3.2) Na základě těchto definičních rovnic ůžee definovat bránu jako vstupní napěťověproudovou, bránu jako výstupní proudovou, bránu jako vstupní proudovouvýstupní napěťovou (v současných aplikacích á spíše charakter vstupní proudové brány). 2 / 9

3 Podle hodnoty paraetru α jsou obvykle definované "generace" proudového konvejoru: < α.... generace, α = generace, α = generace. Nejrozšířenější je konvejor 2. generace, označovaný rovněž jako "plovoucí nullor". Tato definice souvisí s nulorový odele proudového konvejoru. ajíavé je porovnání s nulorový odele OA. Obvodové řešeni konvejoru je poznaenané vývoje onolitických technologií O a prošlo celou řadou variant. Typické současné řešeni konvejoru 2. generace je ukázané na obr S přihlédnutí k čistě proudovéu výstupu není je proudový konvejor vyráběný saostatně jako diskrétní součástka. Je však základe obvodového řešení transipedančních zesilovačů, zesilovačů CFOA, rychlých operačních zesilovačů nové generace a tzv. diaantového tranzistoru, což je ve skutečnosti stavebnicový FB, obsahující proudový konvejor CC a napěťový sledovač, které ohou být použité saostatně anebo ve vhodné kobinaci. Typický reprezentante této třídy obvodů je OPA 66 od firy BurrBrown a částečně i zesilovač AD 844. O systeatické třídění různých variant konvejorů se pokusili Biolek, Čajka, Dostál a Vrba ve wwwčasopise Elektrorevue. U N U N Obr. 3.3 Typické obvodové řešeni proudového konvejoru 2. generace 2. Transipedanční zesilovač (TA) Transipedanční zesilovač (TA) označovaný rovněž jako operační zesilovač s proudovou zpětnou vazbou (CFOA=Current Feedback Operational Aplifier) je prvek převážně určený pro napěťové aplikace, ale jeho vnitřní struktura je vzorový příklade řešení obvodu v kobinované ódu (viz ADSP2). tohoto důvodu považujee za vhodné zařadit TA ezi FB pro proudový ód. V porovnání s konvenční operační zesilovače á výrazně lepší frekvenční vlastnosti a á i nesrovnatelně větší rychlost přeběhu. V současnosti je vyráběný jako diskrétní součástka různýi výrobci a á veli široký okruh aplikací předevší v širokopásových analogových systéech. K nejznáější patří zesilovač AD 844 od firy Analog Devices. 3 / 9

4 Veli dobré dynaické vlastnosti tohoto zesilovače jsou dané jeho vnitřní architekturou, viz obr TA CC T OUT R N T Napěťový sledovač Obr. 3.4 Principiální uspořádání TA a zjednodušený lineární odel Rozhodující vliv na vlastnosti TA á vstupní konvejor CC. Výstupní napěťový sledovač už jen upravuje výstupní ipedanci tak, aby odpovídala napěťovéu výstupu. Funkci a typické vlastnosti tohoto zesilovače ůžee odvodit ze zjednodušeného lineárního odelu a z typického obvodového zapojeni, obr. 3.5, používaného většinou výrobců. Obr. 3.5 Obvodové řešení TA Vstupní svorka N je vysokoipedanční vstupe. Tranzistory T a T 2 pracují v diodové režiu a přes ně přechází vstupní signál na báze tranzistorů T 3 a T 4. Tyto tranzistory pracují z hlediska vstupní svorky N jako eitorový sledovač v třídě AB. Vstupná svorka N představuje nízkoipedanční vstup zesilovače. Pro proudový vstupní signál pracují tranzistory T 3 a T 4 jako jednotkové zesilovače proudu (jde o zapojení se společnou bází, opět v pracovní třídě AB). V obou případech vzniká ezi výstupy T 3 a T 4 diferenční proud, který 4 / 9

5 se dále zpracovává proudovýi zrcadly PP a PN. Společná výstupní svorka těchto zrcadel reprezentuje výstupní svorku proudového konvejoru a v případě TA je vnitřní vysokoipedanční výstupe, který je zatížený transipedancí T. Vzhlede k vysoké hodnotě reálné složky T (transrezistance R T ) vytváří diferenční proud vstupního obvodu na T relativně vysoké napětí, které se přes napěťový sledovač dostává na výstupní svorku TA. hlediska invertujícího vstupu tedy TA pracuje jako proude řízený zdroj napětí (CCVS), charakterizovaný transipedancí T. hlediska neinvertujícího vstupu se v ideální případě TA chová jako neinvertující ideální operační zesilovač. Táto situace se zění v případě, kdy uvažujee nenulový vstupní odpor proudového vstupu (nenulový výstupný odpor sledovače T 3 a T 4 ). Tento odpor si označíe jako R N. V takové případě už nebude napěťové zesílení neinvertujícího vstupu nekonečně veliké, ale bude dané poěre: A = R T (3.3) RN Typické hodnoty R T jsou 5 až 6 Ω, R = 2 5 Ω. Odtud ůžee odhadnout napěťové N 3 3 zesílení TA v rozezí A = 2. Doinantní pól frekvenční závislosti zesílení je daný časovou konstantou R T, C T a v porovnání s klasickýi operačníi zesilovači je situovaný na výrazně vyšších frekvencích, v pásu 4 5 Hz. Vnitřní obvodová struktura, kde je inializovaný vliv parazitních kapacit uožňuje dosáhnout i velkou rychlost přeběhu, typicky 2 V/µs. Podrobnější inforace o těchto zesilovačích lze získat ve firení literatuře a na www stránkách Analog Devices a dalších výrobců. 3. Transkonduktanční zesilovač (OTA) Běžně používaný sybol a obvodový odel je ukázaný na obr = g U g < = > U g Obr. 3.6: Sybol a odel transkonduktančního zesilovače Vlastnosti OTA ůžee charakterizovat rovnicei (3.4), resp. aticový zápise (3.5). O = g U ; k g = ; g A = (3.4) go g o a = g g (3.5) [ ] Jak vyplývá z definičních rovnic (3.4), jedná se o napětí řízený zdroj proudu (VCCS, transkonduktor), charakterizovaný transkonduktancí g. Přítonost parazitní výstupní vodivosti g o dovoluje definovat i napěťové zesílení A. Připoeňe si, že napěťové zesílení naprázdno ideálního transkonduktančního zesilovače je nekonečně velké v toto se ideální 5 / 9

6 OTA blíží svýi vlastnosti ideálníu O, avšak na rozdíl od něho á definovanou dvojbranovou kaskádní atici (3.5) s nenulovýi prvky, která přechází na atici O v liitní případě g. Obvodové řešení i zde prošlo vývoje podíněný aktuálníi ožnosti onolitických technologií O. Od "klasických" zapojení typu NE 557 nebo LM 37 v bipolární technologii sěřoval vývoj jednak k rychlý OTA (realizovaný ve forě diskrétních součástek, jednak k integrovaný aplikací v technologii CMOS. Typická ukázka takového obvodového řešení je na obr U N N N OUT U N Obr. 3.7: Typické obvodové řešení OTA v technologii CMOS Toto zapojeni odhaluje i tajeství vysoké tranzitní frekvence a rychlosti přeběhu OTA: základe je totiž jednoduchý převodník U/, realizovaný diferenční stupně, na který navazují poocná proudová zrcadla. Těi je diferenční proud převeden na výstupní svorku. Vzhlede k jednotkovéu napěťovéu zesílení diferenčního stupně a nízký vstupní ipedancí proudových zrcadel je inializovaný vliv parazitních kapacit a z neideálních vlastností tranzistorů se význaněji uplatňuje jen frekvenční závislost transkonduktance. Frekvenční vlastnosti OTA jsou tedy převážně ovlivněny parazitní kapacitou výstupu a velikostí zatěžovací ipedance (rezistance) R L. V proudové ódu (R L ) á OTA vynikající vlastnosti a ůže dobře využit jako vstupní převodník U/ a saozřejě i v řadě dalších aplikací. V napěťové režiu na výstupu je výhodný předevší pro zapojení s kapacitní charaktere zátěže, např. pro integrátory OTAC. Význanou přednosti obvodového řešení OTA podle obr. 3.7 je jednoduché elektronické řízení transkonduktance zěnou klidového proudu vstupního diferenčního stupně (převodníku U/). ěna transkonduktance je ožná v rozsahu až několik řádů. 4. Proudový sledovač Proudový sledovač je speciální funkční blok, který á charakter proude řízeného zdroje proudu. Nejjednodušší realizací proudového sledovače je proudové zrcadlo, na jehož základě byla publikována řada konkrétních zapojení. Typické ukázky jsou např. v lit. [] nebo ve speciální vydání Proceedings EE, řada G, z dubna 99. V nejjednodušší případě lze funkci proudového sledovače realizovat vhodný zapojení proudového konvejoru CC nebo ve zpětnovazební zapojení proudového zesilovače se % zpětnou vazbou (lze odvodit přidruženou transforací napěťového sledovače s O). 6 / 9

7 5. Proudový operační zesilovač Teríne proudový operační zesilovač označujee funkční blok, který á charakter proude řízeného zdroje proudu (CCCS) s vysoký proudový zesílení β viz obr V liitní případě β jej definujee jako ideální (proudový) operační zesilovač, který je ekvivalentní ideálníu (napěťovéu) operačníu zesilovači a á s ní společný nulorový odel. i COA i i g N β g Obr. 3.8.: Proudový operační zesilovač d. COA: g N g β Reálný proudový operační zesilovač se však podstatně liší od napěťového a to jak obvodový řešení, tak vlastnosti. Společný ryse je jen podínka bezprobléového zavedení silné záporné zpětné vazby, z čehož vyplývá nutnost realizace s co nejenší počte zesilovacích stupňů. Vzhlede k relativně nízkéu zisku proudových zesilovacích stupňů je nutné volit koncepci proudového O jako obvodu, pracujícího ve síšené ódu. de se nabízejí následující varianty: a) Kobinace proudový sledovač transkonduktor obr V toto zapojení proudový sledovač působí jako oddělovací člen a spolu se zatěžovací ipedancí T vytváří převodník /U (v skutečnosti je T tvořená výstupní ipedancí proudového sledovače a paralelně připojenou vstupní ipedancí OTA). Napětí U na T je řízen výstupní transkonduktor (OTA), který toto poocné napětí transforuje opět na výstupní proudový signál. obr. 3.9 ůžee snadno odvodit vztah pro proudové zesílení A : N β = N U T OTA g OUT OUT _ N β ( N ) N N _ = g (3.6) O A = N T Obr. 3.9.: COA varianta a) Jeli to vyžadováno, lze realizovat OTA s výstupe nesyetrický i syetrický, jak je naznačeno na obr b) Kobinace proudový sledovač dva konvejory CC obr. 3.. Tato varianta zachovává vstupní část shodnou s variantou a), navazující výstupní část je tvořená dvojicí proudových konvejorů CC zapojenou tak, aby vytvářela převodník U/ s plovoucí proudový výstupe. V aplikacích kde postačuje nesyetrický výstup, zastane funkci výstupního převodníku U/ jen jediný konvejor CC. Princip funkce obvodu je 7 / 9

8 podobný předchozíu uspořádání, proudové zesílení je dáno vztahe (3.7). V porovnání s verzí a) lze dosáhnout vyšší zesílení s ohlede na relativně veli alou hodnotu odporu R N vstupní proudové svorky konvejoru CC ve výstupní sekci zesilovače. N N COA OUT OUT < = > N CC T N OUT OUT CC A O T = = (3.7) N 2R N Obr. 3..: COA varianta b) c) Kobinace konvejor CC (CC) transkonduktor obr. 3.. Vstupní část COA ůžee vytvořit i proudový konvejore typu CC nebo CC. Syetrický vstup vyžaduje použití konvejoru typu CC (svorky tvoří diferenční proudový vstup). Nesyetrický vstup lze snadno realizovat jediný konvejore CC v zapojení proudového sledovače. Výstupní část je shodná s variantou a). Celkové uspořádání je zřejé z obr. 3., proudové zesílení je dáno vztahe (3.8), podobně jako u verze a). N N COA OUT OUT CC N N T g OTA OUT OUT = g (3.8) O A = N Obr. 3. COA varianta c) T d) Kobinace tri konvejory CC obr Řešení naznačená v předchozích variantách vedou k závěru, že COA ůže být realizován i vhodnou kobinací saotných proudových konvejorů, jak je ukázáno na obr Vstupní konvejor opět pracuje jako převodník U/ a pro nesyetrický vstup je typu CC. Podobně jako v případě varianty c) je ovše nutno použít vstupní konvejor typu CC, požadujeeli syetrický (plovoucí) vstup. Výstupní sekce je shodná s variantou b). Blokové uspořádání znázorňuje obr. 3.2, proudové zesílení je definováno rovnicí (3.9). Je saozřejě ožné vytvořit i další varianty řešení COA, není uzavřená ani cesta pravého proudového operačního zesilovače sestaveného jen z proudových zesilovacích stupňů. de doporučujee ke studiu další literaturu a www stránky výrobců integrovaných obvodů. 8 / 9

9 N COA _ OUT OUT N CC T CC OUT OUT CC A O T = = (3.9) N 2R N Obr. 3.2.: COA varianta d) Všechny aktivní prvky uvedené v toto přehledu jsou v široké ěřítku využívané ke konstrukci oderních analogových obvodů a subsystéů, např. k realizaci řízených a nízkošuových zesilovačů, filtrů, převodníků i analogových neuronových sítí. []. 9 / 9