1 PGMicro – MIC46 Projeto de Circuitos Integrados Analógicos MOS = Amplificador Operacional = Prof. Dr. Hamilton Klimach [email protected]UFRGS – Escola de Engenharia Departamento de Eng. Elétrica H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 2 Sumário Introdução Aplicações básicas Características e Limitações Estrutura interna do AmpOp Efeitos da realimentação Projeto básico AmpOp folded-cascode Common-mode feedback
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Apresentação do PowerPoint - UFRGS · 2 H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 3 O que é? Circuito analógico versátil Vasta gama de aplicações Referências de corrente e tensão
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Transcript
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PGMicro – MIC46 Projeto de Circuitos Integrados Analógicos MOS
= Amplificador Operacional =
Prof. Dr. Hamilton Klimach [email protected] UFRGS – Escola de Engenharia
Departamento de Eng. Elétrica
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 2
Sumário
Introdução
Aplicações básicas
Características e Limitações
Estrutura interna do AmpOp
Efeitos da realimentação
Projeto básico
AmpOp folded-cascode
Common-mode feedback
2
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 3
O que é?
Circuito analógico versátil
Vasta gama de aplicações Referências de corrente e tensão
Amplificadores de alta velocidade
Filtros e equalizadores
Osciladores
Amostradores e retentores
Conversores AD e DA
Reforçadores de sinal
Compressores e conformadores
Condicionadores de sinais
etc
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 4
O que é?
Implementação varia muito em complexidade
Desafios na implementação têm aumentado com redução de Vdd e consumo
Características básicas Ganho elevado
Entrada na forma diferencial
Alta impedância de entrada
Saída diferencial ou modo-comum
Pode oferecer baixa impedância de saída
Emprega realimentação para determinar o comportamento entrada X saída
3
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 5
O que é?
Originalmente, o AmpOp foi desenvolvido nos anos 50, ainda valvulado, visando a implementação de “operações matemáticas”, permitindo o processamento analógico de sinais (computadores analógicos) Multiplicação por constante (amplificação)
Soma (ou subtração)
Integração (ou diferenciação)
Produto (ou divisão)
Potência (ou raiz)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 6
O que é?
George Philbrick
(1913-1974) K2-W: first opamp
(1952)
4
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 7
Aspectos Externos
Simbologia e conexões
Dois terminais de entrada (diferencial)
Um ou dois terminais de saída
Dois terminais de alimentação (simétrica ou unipolar)
Entradas Saída
Fontes de
Alimentação
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 8
Características Básicas
AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL
-Ganho diferencial infinito (Ad)
-Impedância de entrada infinita (Ri)
-Impedância de saída zero (Ro)
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
-Ganho diferencial alto
(Ad: 10.000 a 1.000.000)
-Impedância de entrada alta
(Bip: kΩ a MΩ; Mos: TΩ)
-Impedância de saída “baixa”
(c/ buffer: 10 Ω a 200 Ω; s/ buffer: kΩ)
5
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 9
Diagrama em Blocos
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 10
Diagrama em Blocos
6
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 11
Diagrama em Blocos
Cada bloco de um AmpOp é dividido em subcircuitos simples, cada um realizando apenas uma função.
A união das funções dos subcircuitos estabelece a complexidade funcional do AmpOp.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 12
Modelo Linear Ideal
7
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 13
Representação de Sinais
Representação de dois sinais V1 e V2 através da superposição de
dois sinais, um diferencial (Vd) e outro de modo comum (Vcm)
2
2
2
2
1
12
12
dcm
dcm
cm
d
vvv
vvv
vvv
vvv
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 14
Sumário
Introdução
Aplicações básicas
Características e Limitações
Estrutura interna do AmpOp
Efeitos da realimentação
Projeto básico
AmpOp folded-cascode
Common-mode feedback
8
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 15
Amplificador Inversor
Resistência de Entrada Infinita
Corrente de entrada “0”
OpAmp ideal
com ganho infinito
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 16
Amplificador Inversor
Com rede `T`: usa-se uma rede resistiva no lugar do resistor de realimentação.
Vantagem: operar com alto ganho empregando resistores de
realimentação não elevados!
OpAmp ideal
com ganho infinito
9
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 17
Amplificador de Corrente
Baseado no circuito anterior.
• Impedância de entrada “0”
• Impedância de saída “infinita”
• Apresenta ganho de corrente
• MAS a carga R4 tem ser flutuante.
Carga
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 18
Amplificador Somador
Permite a soma ponderada de sinais com
diferentes pesos
OpAmp Ideal
com ganho infinito
10
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 19
Somador/Subtrator
Permite a soma de sinais com
pesos positivos (não inversor)
e negativos (inversor)
Qual a expressão de vo?
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 20
Amplificador Não-Inversor
Configuração Não Inversora Configuração Inversora
Quais são as diferenças entre as duas topologias?
11
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 21
Amplificador Não-Inversor
Seqüência de Análise
Considerando o como OpAmp ideal:
1. O Ganho infinito do OpAmp implica em tensão diferencial “0”
2. A tensão na entrada “+” é replicada para a entrada “-” (tensão diferencial “0”)
3. Calcula-se a corrente em R1
4. Corrente de entrada igual a “0”
5. A corrente em R2 é igual a R1
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 22
Seguidor de Tensão
Caso particular do amplificador não inversor
Tem ganho unitário
Tem por finalidade isolar a fonte de sinal da carga
Tem resistência de entrada infinita (Ideal)
Tem resistência de saída “0” (Ideal)
Circuito Modelo Elétrico
12
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 23
Amplificador Subtrator
Análise por Superposição
Efeito de vI1
Efeito de vI2
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 24
Amplificador Subtrator
Análise por Superposição
Efeito de vI1
Efeito de vI2
1
1
21
2 0
Io
I
vR
Rv
v
2
1
2
43
42
1
1
0
Io
I
vR
R
RR
Rv
v
1
1
22
1
2
43
4
21
1 IIo
ooo
vR
Rv
R
R
RR
Rv
vvv
12
1
2
1
1
22
3
43
43
4
1
1
22
1
2
43
4
1
2
3
4
1
R Fazendo
IIo
IIo
IIo
vvR
Rv
vR
Rv
R
RR
RR
Rv
vR
Rv
R
R
RR
Rv
R
R
R
13
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 25
Amplificador Subtrator
Impedância vista pela fonte diferencial
Rid = 2R1
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 26
Amplificador Subtrator
Análise do efeito da tensão de Modo Comum - vCM
0
Se
1
1
2
1
2
3
4
1
2
3
4
43
3
1
2
1
2
43
4
CM
d
CM
oCMCM
CMoCM
A
R
RA
R
R
R
R
R
R
R
R
RR
R
v
vA
vR
R
R
R
RR
Rv
CMR = Ad/ACM
14
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 27
Amplif. de Instrumentação
Configuração Inicial Configuração Melhorada
Versão Inicial:
1. A tensão de modo comum tem o
mesmo ganho que a tensão
diferencial no primeiro estágio
2. O Segundo Estágio é responsável
pelo CMR
Versão Melhorada:
1. A tensão de modo comum não é
amplificada (Gcm = 1) no primeiro
estágio, diminui a relação Vcm/Vd
2. O Segundo Estágio é responsável pelo
CMR
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 28
Amplif. de Instrumentação
Para promover a variação
de ganho o resistor 2R1
pode ser substituído pelo
conjunto ao lado.
15
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 29
Sumário
Introdução
Aplicações básicas
Características e Limitações
Estrutura interna do AmpOp
Efeitos da realimentação
Projeto básico
AmpOp folded-cascode
Common-mode feedback
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 30
Amplificador Ideal
Característica ideais de um amplificador de tensão: ganho linear e independente da frequência saída sem limites de excursão impedância de entrada infinita impedância de saída ‘zero’
iVo vAv
sinal vO RL vi
AMPL
VCC
16
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 31
Amplificador Real
Há uma parcela na saída que independe da entrada O ganho Av depende do sinal (amplitude e frequência),
da alimentação, da temperatura, da carga, etc A dependência de Av. com a frequência do sinal possui
partes linear e não-linear
,...,,
,...,,,,
CCL
CCLiVV
iVo
VTRVV
VTfRvAA
VvAv
sinal vO RL vi
AMPL
VCC
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 32
Amplificador Real
Amplificador Linear
A dependência da saída é linear com entrada
21 )( txyo u t
x
yout
Amplificador Não-Linear
A dependência da saída é NÃO linear com a entrada –
Realidade
O ganho varia com sinal de entrada
01
01
2
2
)( :linear oAproximaçã
)()()(
txy
txtxtxy
out
n
nout x
yout
17
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 33
Limitações x desempenho
Características “ideais”:
• Ganho Diferencial Infinito
• Impedância de Entrada Infinita
• Impedância de Saída Zero
• Ganho de Modo Comum Zero
OPAMP ideal não existe!
•Limitações do AmpOp não devem prejudicar
desempenho da aplicação
•Relação de compromisso: potência – velocidade – área –
excursão de sinal – tensão de alimentação – linearidade...
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 34
Modelo linear
Modelo Linear de um AmpOp
Obs.: as não-linearidades (nos ganhos Ad e Ac, SR, atrasos, etc) podem ser
incluídas no ‘bloco’ do ampop, se necessário.
2)( 21
21
vvAvvAv
vAvAv
cdout
ccddout
18
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 35
Características
Especificações
de um AmpOp ???
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 36
Características Estáticas
Limitações estáticas de um AmpOp:
Ganho diferencial finito (Ad)
Ganho modo-comum (Ac - CMRR)
Resistências de entrada e saída (Ri e Ro)
Tensão de off-set (Vos)
Correntes de polarização de entrada (IB)
Limites modo-comum de entrada (Vicm)
Distorção (não-linearidade)
Sensibilidade à fonte de alimentação (PSRR)
19
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 37
Características Dinâmicas
Características dinâmicas de um AmpOp:
Limitações não-lineares
Excursão máxima de saída (ΔVout_max)
Slew-rate (SR)
Limitações lineares
Pólos e zeros (resposta em frequência)
Capacitâncias de entrada e de saída
Ruído intrínseco
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 38
Ganho diferencial finito
Efeito do ganho diferencial finito no ganho do amplificador não-inversor
11
11
1
2
212
1
21
2
AR
RRR
R
v
v
ARR
R
A
v
v
in
out
in
out
20
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 39
Ganho diferencial finito
Efeito do ganho diferencial finito no ganho do amplificador inversor)
AR
RR
R
v
v
A
vRiv
iR
A
vv
i
I
o
oo
oI
111
1
1
21
2
21
2
1
1
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 40
Tensão de Offset de Entrada
Idealmente, para entrada diferencial igual a zero a saída estaria em zero
Realmente, uma tensão surge quando as entradas são iguais, devido a desequilíbrios internos nos blocos que compõem o A. O.
Aplicando-se uma tensão diferencial às, entradas volta-se a zerar a saída!
Esta tensão é chamada de tensão de offset de entrada – Vos
Modelo para Vos
OpAmp com Vos de 5 mV
-
vId
+
21
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 41
Tensão de Offset de Entrada
Simulação Monte Carlo da tensão de off-set de um
amplificador operacional Miller CMOS. O histograma
apresenta a distribuição desta tensão sobre 1000 amostras, em
intervalos de 0,5 mV. O desvio-padrão calculado é 2,1 mV. A
curva tracejada é a sua aproximação Gaussiana.
O valor informado como Vos
máximo de um AmpOp
representa o limite da faixa 3σ
(99,7% - neste exemplo é 6,3
mV).
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 42
Tensão de Offset de Entrada
Amplificador não inversor: efeito de Vos na saída
22
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 43
Tensão de Offset de Entrada
osIo VR
Rv
AR
RR
Rv
1
2
1
21
2 11
11
1
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 44
Correntes de Polarização
Idealmente seriam “0”
Resultam da necessidade de polarização dos transistores de entrada
Correntes de polarização de cada entrada: IB+ e IB-
Modelo para IB
No data sheet:
Corrente de polarização das entradas ( IB): representa a média das correntes nas duas entradas
Corrente de off-set ( IOS): representa a diferença entre as correntes nas duas entradas
23
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 45
Correntes de Polarização
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 46
Correntes de Polarização
BosIo IRVR
Rv
AR
RR
Rv 2
1
2
1
21
2 11
11
1
24
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 47
Reduzindo os efeitos de Ib pelo uso de R3.
Correntes de Polarização
2
21
221
2221
1
2
21
21221
21
213
1
23221
1
se-Fazendo
1
RIv
III
RIIv
RIRIv
R
R
RR
RRIRIv
RR
RRR
R
RRIRIv
OSo
BBOS
BBo
BBo
BBo
BBo
Corrente de Offset
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 48
Correntes de Polarização
BBosIo IRR
RIRV
R
Rv
AR
RR
Rv 3
1
22
1
2
1
21
2 111
11
1
25
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 49
Correntes de Polarização
Amplificador com Acoplamento Capacitivo
Reduz efeitos de Vos osIo
BB
BBosIo
ACCDCC
VvR
Rv
IIRR
IRIRVvR
Rv
XX
1
2
32
32
1
2
e :Se
0 e
:doConsideran
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 50
Correntes de Polarização
Por que o circuito não
funciona sem R3 !?!
Amplificador com Acoplamento Capacitivo
26
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 51
Excursão Máxima de Saída
Amplificador não inversor com ganho Av = 10
A. O. utilizado satura a saída em ±13V (limitado pela alimentação de ± 15V)
Máxima amplitude de sinal de entrada para operação linear?
Re: vi(máx) = 1,3Vp ! Efeito não-linear:
DISTORÇÃO!!!
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 52
Slew Rate da Saída – SR
Seguidor de Tensão – G= 1 Excitação de entrada – Salto
Limitado pelo SR do OpAmp – Não Linear
Limitado pelo BW - Linear
Amplitude V
suficientemente
pequena!
“Reta” Exponencial
27
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 53
Slew Rate da Saída – SR
Efeito do SR na limitação da resposta para sinais senoidais
Efeito não-linear:
DISTORÇÃO!!!
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 54
Definição de Largura de Banda
Queda no ganho de -3dB (~30%)
28
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 55
Resposta em Freqüência – Pólo
Rede Passa Baixas
1 pólo
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 56
Resposta em Freqüência – Zero
Rede Passa Altas
1 pólo + 1 zero
29
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 57
Resposta em Freqüência – Amplificadores
Amplificador com Acoplamento DC Amplificador com Acoplamento Capacitivo
Amplificador Sintonizado ou Passa Banda
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 58
Resposta em Freqüência
Modelo de polo dominate
Ganho DC
ou
de Laço Aberto
Aproximação boa para
maioria dos OpAmp!
Por que a maioria dos
OpAmp é projetado para
ter este tipo de Resposta
em Freqüência?
30
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 59
Resposta em Freqüência
Amplificador NÃO Inversor – G = 10 Amplificador Inversor – G = 10
Freqüência de Corte – fc
Por que esta diferença?
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 60
Resposta em Freqüência
A largura de banda é
medida quando o ganho cai
-3dB
O ganho em laço aberto
tem uma banda plana
muito estreita
A operação em malha
fechada amplia a largura de
banda plana do
amplificador
MAS o ganho é reduzido!!!
Limitação de largura de Banda
31
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 61
Resposta em Freqüência
Largura de Banda (BW)
00
0
0
0
0
)1(1
1
1)(
)(1
)()(
1
)(
A
sA
AsA
sA
sAsA
s
AsA
F
F
L>1 L<1
Pólo único: produto ganho-faixa
(GBW) constante
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 62
Produto Ganho-Faixa GBW
Ganho X BW = Freqüência de Ganho Unitário do AmpOp
BW Largura de Banda
Este produto é conhecido como GBW (gain-bandwidth)
GBW é uma especificação do AmpOp (manual)
Ganho é fixado pelo usuário (rede de realimentação)
BW ≈ GBW / Ganho
32
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 63
Realimentação x Ganho
AmpOps quase sempre operam sob realimentação negativa!
Razão: Fixar a relação entrada–saída através de componentes
externos (tornando-a independente do AmpOp)
Considerando-se um AmpOp ideal (Av = ∞) o ganho de um
amplificador como o abaixo pode ser ajustado apenas pela
razão de R2 e R1
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 64
Realimentação x Ganho
Um sistema realimentado pode ser representado por:
Caso Aβ >> 1, tem-se:
1
IN
OUT
33
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 65
Realimentação x Ganho
Considerando-se que Av≠∞ (ganho diferencial finito), e
R2/R1=9, e que necessitamos de menos que 0,1% de erro de
ganho, qual o mínimo ganho diferencial necessário ao AmpOp?
Resposta: Av > 10.000
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 66
Realimentação x Frequência
Como o ganho do AmpOp
diminui com a frequência, o
erro de um amplificador
realimentado aumenta com
ela!!!
Como o ganho do AmpOp
diminui com a frequência, o
erro de um amplificador
realimentado aumenta com
ela!!!
34
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 67
Sumário
Introdução
Aplicações básicas
Características e Limitações
Estrutura interna do AmpOp
Efeitos da realimentação
Projeto básico
AmpOp folded-cascode
Common-mode feedback
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 68
Estrutura Interna
Cada bloco contribui com seu ganho e sua resposta em frequência
Especificações do projetista: Ganho, largura de banda, SR, área, consumo, potência,
excursões de sinal, ruído...
Deve ser estável para a realimentação utilizada (geralmente busca-se para a unitária)