Current- f e edbac k Operacioni Pojačavač

1. Current-feedback Operacioni Pojačavač - Seminarski rad – Mrdović Miloš 39/02

2. Sadržaj • Uvod • Struktura CFB operacionog pojačavača • Princip rada CFB operacionog pojačavača • Izbjegavanje konstantnog A*fc proizvoda • Ne postojanje ograničenja brzine odziva • Poređenje CFB i VFB pojačavača • Zadaci za vježbu • Literatura

3. Uvod • Current-feedback op-amp, ili CFB operacioni pojačavač je vrsta pojačavača čiji je invertujući ulaz osjetljiv na struju umjeto na napon kao sto je to slučaj kod konvencionalnih VFB pojačavača. • CFB op-amp je dizajniran u Americi u Comlinear Corporation-u od strane David Nelson-ai Kenneth Saller-a, a prvi integrisani CFB op-amp je proizveden 1987. godine. • Najčešće se proizvode sa identičnim rasporedom pinova, kao i kod VFB-a, sto omogućava da se ova dva tipa kod prostijih realizacija kola mogu zamijeniti bez prethodne modifikacije.

4. Uvod • Kod kola linearnih pojačavača CFB op-amp se može koristiti umjesto VFB-a bez ikakve modifikacije, dok se kod ostalih slučajeva, kao recimo kod integratora, mora izvrsiti redizajniranje kola. • CFB op-amp se može koristiti i kod realizacije diferencijalnog pojačavača sa 4 otpornika, ali je CMRR odnos u ovom slučaju nešto lošiji.

5. Struktura CFB OP • Na slici je prikazana šema jednostavnog CFB operacionog pojačavača. • Sekcija označena crvenim obrazuje ulazni stepen i pojačavač greške. • Invertujući ulaz ima malu impedansu te je stoga osjetljiv na promjenu struje. • Otpornici R1-R4 su podešeni tako da su struje kolektora tranzistora Q1 i Q2 jednake. • U većini slučajeva se koristi kolo sa aktivnim opterećenjem umjesto pasivnih otpornika, tako da se neinvertujući ulaz može modifikovati da obezbijedi malu ulaznu impedansu sto doprinosi minimizaciji offset-a.

6. Struktura CFB OP • Kada ne postoji signal na ulazima, zbog strujnih ogledala (Q3/Q4 i Q5/Q6), kolektorske struje tranzistora Q4 i Q6 će biti jednake ako su jednake i struje kolektora tranzistora Q1 i Q2. Stoga neće biti struje na ulazu buffer-a (strujnog pojačavača označenog ljubičastim). • S obzirom da je u praksi nemoguće realizovati dva tranzistora identičnih karakteristika, kolektorske struje tranzistora Q4 i Q6 nece biti jednake. Zato će ulazom buffer-a teći razlika struja ic4-ic6, što ce rezultirati offset-om na njegovom izlazu. • Ovaj offset se koriguje tako što se podese otpornici R1-R4, ili tako što se doda kolo za kompenzaciju na izlazu pojačavača.

7. Struktura CFB OP • Sekcija označena plavim (tranzistori Q3-Q6) obrazuje konvertor struje u napon. • Najmanja promjena kolektorskih struja tranzistora Q1 i Q2 će rezultirati ekvivalentnom promjenom napona na spoju kolektora Q4 i Q6. • Zbog velikog propusnog opsega, kolo CFB pojačavača veoma lako može da zaosciluje. Kondenzator Cs obezbijeđuje stabilnost kola u svim uslovima rada tako što prigušuje karakteristične frekvencije koje mogu inicirati oscilovanje pojačavača. • Izlazni stepen je buffer koji obezbjeđuje strujno pojačanje, a čije je naponsko pojačanje +1.

8. Princip rada CFB OP • Kao što je prikazano na slici, CFB OP se od konvencionalnog operacionog pojačavača razlikuje u dva aspekta: • 1. Njegov ulazni stepen je jedinični naponski buffer čija je funkcija da primora napon Vn da prati Vp; vrlo slično konvencionalnom OP. Međutim, zbog male izlazne impedanse ovakvog buffera, u normalnim uslovima veoma mala struja teče kroz invertujući ulaz. • 2. Pojačanje se ostvaruje preko pojačavača transimpedanse koji reaguje na struju iz ulaznog buffer-a i koji na izlazu daje napon Vo=z(jf)*In, gdje je z(jf) pojačanje transimpedanse.

9. Princip rada CFB OP • Ulazni bafer se sastoji od tranzistora Q1 do Q4. Tranzistori Q1 i Q2 formiraju push-pull stepen male izlazne impedanse. Tranzistori Q3 i Q4 obezbjeđuju kompenzaciju napona Vbe za push-pull par kao i visoku ulaznu impedansu. • Sumranje push-pull emitorskih struja na invertujućem ulazu daje I1-I2=In. • Dva strujna ogledala koja se sastoje od tranzistora Q9-Q10-Q11 i Q13−Q14−Q15 reflektuju struje I1 i I2 i rekombinuju ih u zajedničkom čvoru, čija je ekvivalentna kapacitivnost prema signalnoj nuli označena sa C. • Strujna ogledala cine da je struja Ic=In=I1-I2.

10. Princip rada CFB OP • Napon koji se formira na kondenzatoru C se dalje proslijeđuje na izlaz preko drugog bafera sačinjenog od tranzistora Q5 do Q8. • Na gornjoj slici je prikazana uprošćena funkcionalna blok-šema CFB OP. • Kada je zatvorena povratna sprega, kao što je to prikazano na donjoj slici, i kada god eksterni signal pokuša da debalansira dva ulaza, ulazni bafer tada produkuje struju disbalansa In ka spoljnim impedansama. • Ovaj disbalans se preko strujnih ogledala prenosi do kondenzatora C, što prouzrokuje promjenu izlaznog napona Vo sve dok se struja In ne neutrališe, a ulazi ne rebalansiraju. • Stoga struja In predstavlja signal greske kola.

11. Princip rada CFB OP • Prenosna karakteristika pojačavača pri zatvorenoj povratnoj sprezi se moze odrediti u nekoliko koraka. • Sabiranjem struja na invertovanom ulazu dobijamo In=Vn/R1−(Vo-Vn)/R2. • Pošto bafer obezbjeđuje Vn=Vp=Vi imamo da je In=Vi/(R1||R2)−Vo/R2, što potvrđuje da je signal povratne sprege Vo/R2 u obliku struje. • Kako je Vo=z(jf)*In, imamo A(jf)=(1+R2/R1)*1/(1+1/T(jf)), gdje je A(jf) traženo pojačanje kola pri zatvorenoj povratnoj sprezi, a T(jf)=z(jf)/R2 predstavlja pojačanje povratne sprege.

12. Princip rada CFB OP • Pojačanje povratne sprege T(jf) trazimo tako sto prekidamo strujnu konturu kao na slici, postavimo neinvertujući ulaz na nulu, te primijenimo testni napon Vx. • Kolo će prvo napon Vx konvertovati u struju In=-Vx/R2, a potom istu struju In, opet, u napon Vo/z. • Stoga imamo da je T=-(Vo/Vx)=z/R2, kao što se moglo i očekivati.

13. Princip rada CFB OP • Da bi obezbijedili dovoljno veliko kružno pojačanje u cilju smanjenja greške, proizvođači teže da uvećaju z u odnosu na očekivane vrijednosti za R2. • S obzirom da je In=Vo/z, struja kroz invertujući ulaz će za veliko z biti veoma mala. • U graničnom slučaju kada z→∞, imamo da struja In→0. Drugim riječima, CFB OP će obežbjediti koliko je god potrebno struje i napona na izlazu da bi doveo struju In na nulu. • Zato, uslovi Vn=Vp i In=Ip=0 koji važe i za konvencionalni OP takođe važe i za CFB op-amp.

14. Izbjegavanje konstantnog A*fc proizvoda • Frekventna karakteristika pojačanja transimpedanse z(jf) kod CFB OP je data sa: z(jf)=z0/(1+jf/fa), gdje je z0 jednosmjerna komponenta pojačanja transimpedanse, a fa predstavlja frekvenciju dominantnog pola. • Ako ovo uvrstimo u prenosnu karakteristiku pojačavača, uz pretpostavku da je R²/z0<<1, dobijamo: A(jf)= =(1+R2/R1)/(1+jf/fA), gdje fA=z0*fa/R2 predstavlja pojačanje pri zatvorenoj povratnoj sprezi.

15. Izbjegavanje konstantnog A*fc proizvoda • Upoređujući prethodne jednačine za A(jf) i z(jf) sa jednačinama koje smo imali kod konvencionalnih VFB operacionih pojačavača uviđamo da su one formalno identične. • Međutim, u slučaju CFB operacionih pojačavača propusni opseg ovdje zavisi samo od impedanse R2, za razliku od VFB-a gdje je on zavisio od kružnog pojačanja 1+R2/R1! • Sposobnost CFB OP da nezavisno kontroliše pojačanje i propusni opseg predstavlja osnovnu prednost nad konvencionalnim VFB OP. • Na slikama su prikazani Bodeovi dijagrami pojačanja za VFB i CFB.

16. Ne postojanje ograničenja brzine odziva • Još jedno od osnovnih prednosti CFB OP je u tome što kod njih ne postoji ograničenje brzine odziva, kao što je to bio slučaj sa konvencionalnim VFB OP. • Ova prednost proizilazi iz činjenice da je struja punjenja internog kondenzatora uvjek proporcionalna strmini ulaznog signala bez obzira na to koliko je ta strmina velika. • Drugim riječima, proizvoljni korak ulaznog napona ΔVi indukuje inicijalni strujni disbalans In=ΔVi/(R1||R2) koji strujna ogledala direktno prenose na kondenzator. • Inicijalna brzina punjenja kondenzatora je Ic/C=In/C= =ΔVi/[(R1||R2)*C]=[ΔVi(1+R2/R1)]/(R2*C); Ic/C=ΔVo/(R2*C) što indicira eksponencijalnu izlaznu tranziciju sa vremenskom konstantom τ=R2*C. • Kao što je to bio slučaj i sa frekventnim odzivom, brzina tranzicije zavisi samo od vrijednosti otpora R2, bez obzira na to koliko je pojačanje zatvorene sprege.

17. Ne postojanje ograničenja brzine odziva • Vrijeme odziva (rise time) se definiše kao vrijeme koje je potrebno da bi se izlaz promijenio sa 10% na 90% vrijednosti koraka na ulazu. • U našem slučaju se radi o eksponencijalnoj tranziciji, stoga će ovo vrijeme biti jednako tr=τ*ln(0.9/0.1)=2.2τ, odnosno nešto više od dvije vremenske konstante. • Odsustvo ograničenja brzine odziva ne samo što smanjuje vrijeme stabilizacije, već i eliminiše nelinearnosti koje su posledica prebrze promjene signala na ulazu kao na primjer kod intermodulacione distorzije. • Ovo CFP OP čini veoma poželjnim kod visoko kvalitetnih audio pojačavača.

18. Poređenje CFB i VFB pojačavača • Osnovne prednosti CFB nad VFB pojačavačima su dakle: • Mnogo veća brzini odziva • Izbjegavanje konstantnog proizvoda pojačanje-propusni opseg (VFB => fc*A=const). • CFB pojačavači imaju veoma veliku brzinu odziva što ih čini nezamjenjivim u Video pojačavačima gdje ograničena brzina odziva vodi izobličenju. • Propusni opseg CFB pojačavača zavisi isključivo od otpornosti njegove povratne sprege. • Stoga je česta zabuna da CFB pojačavači imaju i veći propusni opseg.

19. Poređenje CFB i VFB pojačavača • Kada su CFB operacioni pojačavači po prvi put predstavljeni, njihovo pojačanje je bilo ogromno u odnosu na tadašnje VFB pojačavače što ih je činilo pogodnijim za visokofrekventna kola kao sto su video i RF pojačavači. • Prvi CFB operacioni pojačavači su bili nestabilni jer ih je i namanja parazitna kapacitivnost na njihovom invertujućem ulazu mogla dovesti stanje oscilovanja. • Vremenom su CFB operacioni pojačavači postajali sve stabilniji i danas su prihvaćeni kao standardne komponente električnih kola. • U međuvremenu su proizvođači VFB operacionih pojačavača bili prinuđeni da poboljšavaju njihov propusni opseg, što je rezultiralo da danas imamo i veoma brze VFB operacione pojačavače.

20. Poređenje CFB i VFB pojačavača • Jedan od nedostataka CFB OP je u tome što imaju veliki DC offset, što ih čini nepogodnim u primjenama gdje se zahtijeva visoka preciznost (kao recimo kod instrumentacionih pojačavača, ili u mjernim instrumentima). • CFB OP imaju visok strujni šum, te se s toga ne primjenjuju kao foto-diodni pojačavači. No, u drugim primjenama nizak naponski šum može biti prednost. • Na kraju, CFB OP nisu optimizovani za rad sa nesimetričnim napajanjem, jer njihov izlazni stepen ne moze dati maksimalni/minimalni napon dovoljno blizak naponu napajanja (izlazni napon je u najboljem slučaju u granicama –Vee+1.3V < Vout < +Vcc-1.3V).

21. Zadaci za vježbu • Ako su karakteristike svih tranzistora identične, i ako je R1=R2=R3=R4=R, odrediti napon na izlazu iz kola ako je njegov neinvertujući ulaz uzemljen, a na njegovom invertujućem ulazu postoji napon +Vcc.

22. Zadaci za vježbu • Na slici je prikazana šema pojačavača kod koga se koristi CFP OP. Za poznate vrijednosti z, R1, R2 odrediti odnos Vo/Vi. Ponoviti račun ako na izlazu pojačavača postoji otpornost R3 prema signalnoj nuli.

23. Zadaci za vježbu • Za CFB integroator sa slike odrediti A(jf) ako su poznate vrijednosti otpora R, R1, R2, R3 i kapacitivnosti C. CFA1 i CFA2 pojačavači su identičnih karakteristika sa konstantnom transimpedansom z. Naći frekvenciju na kojoj ovaj integrator ima jedinično pojačanje. fo=(R2/R1)/(2π*RC)

24. Literatura • "Op Amps for Everyone Design Guide (Rev. B)" by Ron Mancini of Texas Instruments Inc.,August 2002. • "Current Feedback Amplifiers" by Erik Barnes of Analog Devices Inc. • Sergio Franco, "Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits," 3rd Ed., McGraw-Hill, New York, 2002 ISBN 0-07-232084-2. • P. Harold, Current-Feedback Op Amps Ease High-Speed Circuit Design, to be published in EDN, 1988. • A New Approach to Op Amp Design, Comlinear Corporation Application Note 300-1, March 1985. • Current-Feedback Op Amp Applications Circuit Guide, Comlinear Corporation Application Note OA-07, 1988. • 1988 Current-Feedback Seminar, Comlinear Corp.