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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



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’’


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


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


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.


Teniamo presente che:


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


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


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


V

I



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




+

‐

‐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*



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



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’


Elettronica applicata

13

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



14



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



15



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



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



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



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



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



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



5. Amplificatore logaritmicoSchema Compensato a Transistors

VR

+

‐

‐VEE

VCC

V’

Vf1

VS

R1

VBE1

+

‐

‐VEE

VCC

R2

T1 T2

VBE2

R3

R4

V




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




+

‐

‐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)




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




FINE


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