PŘEDNÁŠKA 4 - OBSAH Přednáška 4 - Obsah i 1 Základní koncept přesného návrhu 1 1.1 Koncept přesného operačního zesilovače... 1 2 Přesný dvojstupňový OZ 2 2.1 Princip kmitočtového doubletu v charakteristice OZ... 4 3 Klasický dvojstupňový OZ 5 3.1 Klasický dvojstupňový OZ s darlingtonem ve 2. stupni... 7 3.1.1 Základní parametry klasického OZ s darlingtonem ve 2. Stupni... 8 4 Příklady OZ a jejich frekvenční charakteristiky 9 4.1 Jednoduchý dvojstupňový OZ... 10 4.2 Jednoduchý dvojstupňový OZ s emitorovou degenerací... 12 4.3 Jednoduchý dvojstupňový OZ s emitorovou degenerací a nulou ve frekvenční kompenzaci... 14 4.4 Jednoduchý dvojstupňový OZ s emitorovou degenerací, nulou a kmitočtovým doubletem... 16 4.5 Jednoduchý klasický OZ... 18 4.6 Klasický OZ s darlingtonem ve druhém stupni... 20
1 ZÁKLADNÍ KONCEPT PŘESNÉHO NÁVRHU Obr. 1.1: Základní koncept přesného návrhu Má-li blok přesného zesilovacího stupně (1.stupně) zisk a jeho vlastní offset je nulový (tedy při je výstupní napětí prvního stupně nulové) a druhý stupeň má offset a zisk velmi vysoký ( nekonečný ), je potom celkový vstupní offset : (1.1) Potom stačí navrhnout 1. stupeň (přesný) s dostatečně velkým ziskem, který pak eliminuje chyby následných stupňů. Nejpřesnější běžný blok je bipolární dif. stupeň s odporovou zátěží. 1.1 Koncept přesného operačního zesilovače Obr. 1.2: Koncept přesného operačního zesilovače 1
2 PŘESNÝ DVOJSTUPŇOVÝ OZ Na následujícím obrázku je schéma jednoduchého přesného dvojstupňového operačního zesilovače. Základním prvkem jeho kmitočtové kompenzace je kondenzátor C který má hodnotu 40pF. Obr. 2.1: Přesný dvojstupňový OZ Ve schématu (v kmitočtové kompenzaci) tohoto operačního zesilovače jsou dále použity tři jednoduché triky které zlepšují jeho stabilitu. Je to emitorová degenerace ve druhém stupni ( ), nula v hlavní frekvenční kompenzaci ( v sérii s C tato nula částečně eliminuje vliv pólů které leží nad kmitočtem ) a kmitočtový doublet (dvojče) v prvním stupni ( Do schématu byly postupně zapojovány výše zmíněné prvky a pomocí simulací byly zjištěny tyto charakteristiky: 1. Základní zapojení na Obr. 4.1. 2. Zapojení 1. s emitorovou degenerací ve druhém stupni ( ) - Obr. 4.3. 3. Zapojení 2. s nulou v hlavní freq. Kompenzaci ( v sérii s C) - Obr. 4.5. 4. Zapojení 3. s kmitočtovým doubletem v prvním stupni, - Obr. 4.7. základního zapojení (Obr. 4.1.) vyjde výpočtem značně vyšší než v simulaci (nebo na reálném čipu). Je to tak proto že výpočet bere v úvahu jen dominantní pól na kmitočtu, ve skutečnosti je sníženo vlivem dalších pólů které leží nad kmitočtem. 2
Schéma a gain/phase plot pro základní zapojení (simulace) na str.10 a 11 Zisk prvního stupně: (2.1) (2.2) Zisk druhého stupně: (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) (2.7) Ze simulačních výsledků (obr.4.2 na str. 12) je zřejmé že tento OZ je nestabilní. Schéma a gain/phase plot (simulace) na str. 12 a 13 Zisk druhého stupně s emitorovou degenerací: (2.8) (2.9) (2.10) (2.11) (2.12) Nebo: druhého stupně) (2.13) Schéma a gain/phase plot pro nulu v hlavní freq. kompenzaci je na str. 14 a 15 (2.14) 3
2.1 Princip kmitočtového doubletu v charakteristice OZ Obr. 2.2: Princip kmitočtového doubletu Tento diferenciální stupeň má ss zisk: (2.15) Od kmitočtu kondenzátor C postupně zkratuje odpor Rc a zisk dif. stupně klesá rychlostí 20 db/dek., na kmitočtu tedy leží přenosový pól. Zisk nakonec klesne na poloviční hodnotu, to se vzhledem k rychlosti poklesu -20dB/dek stane na kmitočtu = 2*. Dále už zisk neklesá, na kmitočtu tedy leží přenosová nula. Vlivem pólu má fáze tendenci klesnout na -90, přenosová nula ale vrátí (pro kmitočty nad hodnotou ) fázový posuv na nulovou hodnotu. Při použití doubletu v OZ by mělo platit: (2.16) Obr. 2.3: Kmitočtový doublet v charakteristice OZ Fázová bezpečnost s doubletem. 4
Schéma a gain/phase plot (simulace) na str. 16 a 17 S kmitočtovým doubletem (dvojčetem) - Kmitočet pólu doubletu: (2.17) musí být dostatečně daleko od (polovina bez doubletu neplatí zde že ) 3 KLASICKÝ DVOJSTUPŇOVÝ OZ Obr. 3.1: Klasický dvojstupňový OZ, (3.1) Tab. 1: Admitanční matice lineárního modelu Obr. 3.2: Lineární model OZ 5
!!!! (3.2) (3.3) (3.4) Napěťový zisk 2. stupně,, (3.5) A = /zane b me RHP nulu / (3.6) (3.7) (3.8) ( ) (3.9) (3.10) Kmitočet RHP nuly (3.11) Simulační schéma a gain/phase plot (simulace) tohoto operačního zesilovače jsou na stránkách 18 a 19. 6
3.1 Klasický dvojstupňový OZ s darlingtonem ve 2. stupni Obr. 3.3: Klasický dvojstupňový OZ s darlingtonem ve 2. Stupni Přibližný výpočet : Vstupní odpor : (3.12) Emitorový odpor : (3.13) Impedance připojená k emitoru (3.14) (3.15) (výstupní impedance tranzistorů a je většinou tak velká, že její vliv můžeme zanedbat). Transkonduktance použitého darlingtonu je srovnatelná s transkonduktancí jednoduchého tranzistoru. (3.16) 7
3.1.1 Základní parametry klasického OZ s darlingtonem ve 2. stupni, (3.17) (3.18) (3.19) Napěťový zisk 2. stupně (3.20) (3.21) (3.22) ( ) (3.23) (3.24) Kmitočet RHP nuly (3.25) RHP nula by měla být na co nejvyšším kmitočtu ( ), toho se dosáhne velkou hodnotou. Hodnota nemá vliv na šířku pásma! Hodnota musí být větší než ( ) Simulační schéma a gain/phase plot (simulace) tohoto operačního zesilovače jsou na stránkách 20 a 21. 8
4 PŘÍKLADY OZ A JEJICH FREKVENČNÍ CHARAKTERISTIKY 9
4.1 Jednoduchý dvojstupňový OZ Obr. 4.1: Schéma jednoduchého dvojstupňového operačního zesilovače 10
Obr. 4.2: Frekvenční charakteristiky zisku a fáze jednoduchého dvojstupňového operačního zesilovače ( nestabilní!!!) 11
4.2 Jednoduchý dvojstupňový OZ s emitorovou degenerací Obr. 4.3: Schéma jednoduchého dvojstupňového operačního zesilovače s emitorovou degenerací 12
Obr. 4.4: Vliv emitorové degenerace na frekvenční charakteristiky ( ) 13
4.3 Jednoduchý dvojstupňový OZ s emitorovou degenerací a nulou ve frekvenční kompenzaci Obr. 4.5: Schéma jednoduchého dvojstupňového OZ s emitorovou degenerací a nulou ve frekvenční kompenzaci 14
Obr. 4.6: Vliv nuly na frekvenční charakteristiky ( ) 15
4.4 Jednoduchý dvojstupňový OZ s emitorovou degenerací, nulou a kmitočtovým doubletem Obr. 4.7: Schéma jednoduchého dvojstupňového operačního zesilovače s emitorovou degenerací, nulou a kmitočtovým doubletem 16
Obr. 4.8: Vliv kmitočtového doubletu na frekvenční charakteristiky ( ) 17
4.5 Jednoduchý klasický OZ Obr. 4.9: Schéma jednoduchého klasického operačního zesilovače 18
Obr. 4.10: Frekvenční charakteristiky jednoduchého klasického operačního zesilovače 19
4.6 Klasický OZ s darlingtonem ve druhém stupni Obr. 4.11: Schéma klasického operačního zesilovače s darlingtonem ve druhém stupni 20
Obr. 4.12: Frekvenční charakteristiky klasického operačního zesilovače s darlingtonem ve druhém stupni 21