elektronika 2 butkovic

Fakultet elektrotehnike i računarstvaZavod za elektroniku, mikroelektroniku,

računalne i inteligentne sustave

Elektronika 2Elektronika 2Željko Butković

8. Integrirani analogni sklopovi8. Integrirani analogni sklopovi

8. Integrirani analogni sklopovi 2

Izvedbe elektroničkih sklopovaIzvedbe elektroničkih sklopovaDiskretni sklopovi → spajanjem diskretnih elemenata na tiskanoj pločiciIntegrirani sklopovi → formiranjem i povezivanjem elemenata na

zajedničkoj poluvodičkoj pločici → različita sklopovska rješenjaNedostaci integrirane tehnike:

ograničeni izbor elemenata loše apsolutne tolerancije elemenataograničeni interval vrijednosti komponenata

Prednosti integrirane tehnike:male dimenzije elemenata → veći broj prvenstveno aktivnih elementa, brži sklopovi, mala potrošnja snagedobro slaganje i praćenje parametara komponenataveća pouzdanostjeftiniji sklopovi


Widlarov strujni izvorWidlarov strujni izvor

1 2 2 1 2/REF

C C B CII I I Iβ

β= = → =

+

11

0

2CC BEREF C B

U UI I IR−

= = +

Oba tranzistora rade s jednakim naponima UBE

Ako su jednakih dimenzija → IB1 = IB2 = IB

Uz β >> 2 → IC2 ≈ IREF → strujno zrcalo

Izlazni otpor → Riz = rce2 ≈ UA / IC2


Višestruki strujni izvorVišestruki strujni izvor

( )

( )

0 0 1 2

1 2

1

1 1 /

REF C B C C C Cn B

REFC C Cn

I I n I I I I I III I I

n

β

β

= + + = = = = = →

= = = =+ +


Strujni izvor s kompenzacijom baznih strujaStrujni izvor s kompenzacijom baznih struja

Smanjuje utjecaj baznih struja i poboljšava simetriju struja IC2 i IREF

( )

1 3

11 2 21 1

C REF B

CB BREF REF

I I III II I

β β β

= − =

+= − = −

+ +

( )2 1

22 21 1

1

REF REFC C

I II I

β β β

= = ≈+ +

+

3 1

0

CC BE BEREF

U U UIR

− −=


Widlarov logaritamski strujni izvorWidlarov logaritamski strujni izvor

Koristi se za podešavanje malih struja

Tranzistori rade s različitim naponima UBE

1 2 2 2BE BE CU U I R= +

( ) ( )1 1 2 2 2exp / exp /REF S BE T C S BE TI I U U I I U U= =

1 21 2 2

2 2 2

uz lnBE BE T REFS S C

C

U U U II I IR R I

⎛ ⎞−= → = = ⎜ ⎟

⎝ ⎠

2 22 2

za struju lnT REFC

C C

U II RI I

⎛ ⎞→ = ⎜ ⎟

⎝ ⎠

Logaritamski izvor → zbog logaritamskog

odnosa struja.


Widlarov logaritamski strujni izvor – izlazni otpor Widlarov logaritamski strujni izvor – izlazni otpor

Uz R0 >> 1/gm1 i 1/gm1 << rbe2

dinamički otpor tranzistora T1

( )1

1 1 1

11 1

beT

B fe m

rUI h gβ

= ≈+ +

( ) ( )222 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2

2 2 2

, 1 ,bem be m be ce be

be be

uRi i i i g u i g r R u r i r R ir R r

⎡ ⎤= = − = − = + = +⎣ ⎦+

( ) ( )2 2 2 2 2 2 2 2 2 21 1iz ce m be be ce m beuR r g r R r R r g r Ri

⎡ ⎤ ⎡ ⎤= = + + ≈ +⎣ ⎦ ⎣ ⎦

Uz rbe2 >> R2 → Riz = rce2 (1 + gm2 R2)


Primjer 8.1Primjer 8.1

U Widlarovom logaritamskom strujnom izvoru sa slike UCC = 15 V, R0 = 15 kΩ i UBE1 = 0,7 V. Parametri tranzistora su β ≈ hfe = 100 i UA = 100 V. Kolika je referentna struja IREF? Koliki mora biti otpor R2 za struju IC2 = 10 μA? Izračunati izlazni otpor strujnog izvora. Naponski ekvivalent temperature UT = 25 mV.


Widlarov strujni izvor s emiterskim otpornicimaWidlarov strujni izvor s emiterskim otpornicima

Uz IREF R1 >> UT i u intervalu struja

1 1 2 2 2BE REF BE CU I R U I R+ = +

22 1 ln C

BE BE TREF

IU U UI

⎛ ⎞− = ⎜ ⎟

⎝ ⎠

12

2 1 2

1 lnT REFC REF

REF C

R U II IR I R I

⎡ ⎤⎛ ⎞= +⎢ ⎥⎜ ⎟

⎝ ⎠⎣ ⎦

21 1010

C

REF

II

< <

12

2C REF

RI IR

≈


Strujni izvor s MOS tranzistorimaStrujni izvor s MOS tranzistorima

Oba tranzistora rade s jednakim naponima UGS i u području zasićenja

Uz jednake tranzistore → ID2 = IREF → strujno zrcalo

Izlazni otpor → Riz = rd2 ≈ 1/λn ID2

( )211 0

0 12DD GS n

REF D GS GS nU U K WI I U U

R L′−

= = = −

( )222 0

2

,2

nD GS GS n n n ox

K WI U U K CL

μ′

′= − =

2 22

1 1

//D REF

W LI IW L

=



U strujnom izvoru sa slike UDD = 2,5 V i UGS = 0,8 V. Parametri oba tranzistora su K'n = 120 μA/V2, UGS0n = 0,5 V i λn = 0,02 V−1. Dužine kanala oba tranzistora su L = 1 μm. Odrediti otpor R0 i širine kanala tranzistora za struje IREF = ID2 = 25 μA. Odrediti minimalni pad napona na izvoru, te izlazni otpor.


Podešavanje referentne struje MOS tranzistoromPodešavanje referentne struje MOS tranzistorom

Otpornik R0 zamjenjuje se pMOS tranzistorom

3 1DD GS GSU U U= − +

1 3REF D DI I I= = −

( )

( )

233 3 0

3

231 0

3

2

2

pD GS GS p

pGS DD GS p

K WI U UL

K W U U UL

′= − =

′= − −

p p oxK Cμ′ = −



Odrediti omjer širine i dužine kanala W/L tranzistora T3 u strujnom izvoru sa slike za struje IREF = ID2 = 25 μA. Napon napajanja UDD = 2,5 V . Za nMOStranzistor parametri su K'n = 120 μA/V2 i UGS0n = 0,5 V, a za pMOS tranzistor K‘p = − 40 μA/V2 i UGS0n = − 0,5 V i . Dimenzije kanala tranzistora T1 i T2 su W/L = 4,6 μm/1 μm. Zanemariti modulacije dužina kanala.


Višestruki strujni izvor s MOS tranzistorimaVišestruki strujni izvor s MOS tranzistorima

1 1 2 21 2

// // / /

n nD REF D REF Dn REF

Rn Rn Rn Rn Rn Rn

W LW L W LI I I I I IW L W L W L

= = =


Pojačalo u spoju zajedničkog emiteraPojačalo u spoju zajedničkog emitera

T1 → aktivni element

T2 → aktivno trošilo

T2 i T3 → strujno zrcalo


Pojačalo u spoju zajedničkog emitera – nadomjesna shemaPojačalo u spoju zajedničkog emitera – nadomjesna shema

( ) 1 11 1 2

1 1 2 1 1 2 2

/1/ 1/ / /

iz iz m C TV m ce ce

ul be ce ce C A C A

u u g I UA g r ru u r r I U I U

= = = − = − = −+ +

1 2

1 1 1,AefV

T Aef A A

UA

U U U U= − = +

−

111

1 1 1

feT Tul be

B C m

hU UR rI I g

β= = = ≈

1 21 1 2 2 1 1

1 1/ /

Aef Aefiz ce ce

C A C A C m T

U UR r r

I U I U I g U= = = =

+



Izračunati naponsko pojačanje AV = uiz/uul neopterećenog pojačala u spoju zajedničkog emitera s aktivnim trošilom prema slici. Napon napajanja UCC = 15 V, otpor referentne grane strujnog izvora R0 = 20 kΩ, a Earlijevinaponi aktivnog tranzistora T1 i aktivnog trošila T2 su UA1 = 100 V i UA2 = − 50 V.


Pojačalo u spoju zajedničkog uvodaPojačalo u spoju zajedničkog uvoda

T1 → aktivni element

T2 → aktivno trošilo

T2 i T3 → strujno zrcalo


Pojačalo u spoju zajedničkog uvoda – nadomjesna shemaPojačalo u spoju zajedničkog uvoda – nadomjesna shema

( ) 11 1 2

1 1 2

1 1 1

1 1 2 2 1 2

1/ 1/

2 2 1

iz iz mV m d d

ul gs d d

D

D D REF

u u gA g r ru u r r

K I KI I Iλ λ λ λ

= = = − = − =+

= − = −+ −

( )1 21 1 2 2 1 2

1 1iz d d

D D REF

R r rI I Iλ λ λ λ

= = =+ −



Odrediti naponsko pojačanje AV = uiz/ uul i izlazni otpor Riz pojačala u spoju zajedničkog uvoda prema slici. Referentna struja IREF = 25 μA. Za nMOStranzistor parametri su K'n = 120 μA/V2 i λn = 0,02 V−1, a za pMOS tranzistor K‘p = − 40 μA/V2 i λn = − 0,01 V−1. Dimenzije kanala tranzistora T1 su L1 = 1 μm, W1 = 4,6 μm.


Diferencijsko pojačalo s bipolarnim tranzistorimaDiferencijsko pojačalo s bipolarnim tranzistorima

2 2uld

mui gΔ =

22 2

CQ EEm

T T

I IgU U

= =

( )2 42iz ce ceu i r r= Δ

( )2 2 4iz

Vd m ce ceuld

uA g r ru

= =

2 4iz ce ceR r r=

2 22

2 2

2 2 2fe Tuld be

m CQ

h UR rg I

β= = =



Za diferencijsko pojačalo na slici odrediti statičke struje svih tranzistora, naponsko pojačanje diferencijskog signala AVd = uiz/(uul1 − uul2), te ulazni otpor Ruld za diferencijski signal i izlazni otpor Riz. Zadano je UCC = − UEE = 15 V, R0 = 25 kΩ i R1 = 12 kΩ. Za npn tranzistore parametri su β ≈ hfe = 150 i UA = 120 V, a za pnp tranzistore β ≈ hfe = 50 i UA = − 50 V. Napon UBEQ6 = 0,7 V, a naponski ekvivalent temperature UT = 25 mV.


CMOS diferencijsko pojačaloCMOS diferencijsko pojačalo

2 2uld

mui gΔ =

( )2 42iz d du i r r= Δ

( )2 2 4iz

Vd m ce ceuld

uA g r ru

= =

2 4iz d dR r r=


Operacijska pojačalaOperacijska pojačalaOperacijska pojačala → najpoznatiji i najčešće primjenjivani analogni

integrirani sklopovi

Imaju diferencijski ulaz i najčešće s jedan izlaz.

Svojstva idealnog operacijskog pojačala:

beskonačno naponsko pojačanje,

beskonačni ulazni otpor,

beskonačnu širinu frekvencijskog pojasa,

izlazni otpor jednak nuli.

Realna integrirana operacijska pojačala po svojim se svojstvima manje ili više približavaju svojstvima idealnog operacijskog pojačala.

Odstupanja se opisuju s nizom parametara


Parametri operacijskih pojačala (1)Parametri operacijskih pojačala (1)Ulazni napon namještanja UN (engl. input offset voltage) → napon koji treba spojiti na

diferencijski ulaz da bi izlazni napon bio jednak nuli → posljedica je nesimetrije ulaznog diferencijskog stupnja→ mijenja se s temperaturom

Ulazna struja napajanja IB (engl. input bias current) → srednja vrijednost istosmjernih ulaznih struja pojačala

Ulazna struja namještanja IN (engl. input offset current) → razlika ulaznih struja pojačala uzrokovana nesimetrijom ulaznog stupnja pojačala

Ulazni otpor Rul (engl. input resistance) → ovisi o konfiguraciji i struji napajanja ulaznog stupnja.

Izlazni otpor Riz (engl. output resistance) → ovisi o konfiguraciji izlaznog stupnja i izboru strujne zaštite

Raspon ulaznog zajedničkog napona (engl. input common-mode voltage range) →maksimalni iznos ulaznog napona koji se istovremeno može priključiti na oba ulaza, a uz koji će pojačalo ispravno raditi


Parametri operacijskih pojačala (2)Parametri operacijskih pojačala (2)

Faktor potiskivanja zajedničkog signala (engl. common-mode rejection ratio -CMRR) → omjer pojačanja diferencijskog i zajedničkog signala

Faktor potiskivanja napona napajanja (engl. power supply rejection ratio - PSRR) →promjena ulaznog diferencijskog signala po jediničnoj promjeni napona napajanja

Naponsko pojačanje pojačala bez povratne veze AVOP0 (engl. open-loop voltagegain) → omjer izlaznog i diferencijskog ulaznog napona operacijskog pojačala na niskim frekvencijama bez primijenjene povratne veze

Granična frekvencija jediničnog pojačanja (engl. unity-gain bandwidth) →frekvencija na kojoj iznos pojačanja operacijskog pojačala bez povratne veze pada na 1

Brzina promjene izlaznog napona (engl. slew rate) → najveća brzina kojom se može mijenjati izlazni napon pri velikom signalu na ulazu

Vrijeme postavljanja (engl. settling time) → vrijeme potrebno da se, uz skokovitu promjenu ulaznog napona, izlazni napon ustali unutar ±0,1% konačne vrijednosti


Trostupanjskooperacijsko pojačaloTrostupanjskooperacijsko pojačalo

ulazno pojačalo → diferencijsko pojačalo

drugi stupanj → naponsko pojačalo

izlazno pojačalo → pojačalo snage


Operacijsko pojačalo 741 –pojednostavljena shemaOperacijsko pojačalo 741 –pojednostavljena shema


Operacijsko pojačalo 741Operacijsko pojačalo 741


Frekvencijska kompenzacijaFrekvencijska kompenzacija

Kompenzacija dominantnim polomC1 = 30 pFAVOP0 = 3·105 = 110 dBf0 = 3,3 Hzf1 = AVOP0 f0 = 1 MHz


Brzina promjene izlaznog napona Brzina promjene izlaznog napona

2 I1 ≈ 20 μA

C1 = 30 pF

duiz/dt|max ≈ 0,6 V/μs

1

max 1

d 2d

IZu It C

=


Utjecaj ulaznih struja i debalanasa na izlazni napon Utjecaj ulaznih struja i debalanasa na izlazni napon

( )1 2 1 2 2 0B IZI I R I R U+ + + =

( )1 2 1 2 0B N BI I R U I R+ + − =

2 21 2 2

1 1

1 1IZ N B BR RU U I R I RR R

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

21 2 2 1 2

1

uz 1 ,IZ N N N B BRR R R U U I R I I IR

⎛ ⎞= → = + + = −⎜ ⎟

⎝ ⎠


Otklanjanje debalanasa kod operacijskog pojačala 741Otklanjanje debalanasa kod operacijskog pojačala 741


CMOS operacijsko pojačalo CMOS operacijsko pojačalo

( )1 2 2 4V m d dA g r r= −

( )2 6 6 7V m d dA g r r= −

1 2VOP V VA A A=

5

max

dd

DIZ

C

Iut C

=

elektronika 2 butkovic

Documents