AMPLIFICATORI OPERAZIONALI NORTON 1^ parte applicazioni lineari. prof. Cleto Azzani IPSIA Moretto Brescia

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1 NTODUZONE... CAATTESTCA D TASFEMENTO (OPEN LOOP)... 3 OPEAZONALE NOTON DEALE FUNZONANTE N EGME LNEAE... 3 APPLCAZON LNEA... 4 CONNESSONE NVETENTE... 4 Studio dll condizioni di polarizzazion:... 4 Calcolo dll'amplificazion di tnsion... 4 CONNESSONE NON NVETENTE... 5 Studio dll condizioni di polarizzazion:... 5 Calcolo dll'amplificazion di tnsion... 5 CONNESSONE N VBE... 6 Studio dll condizioni di polarizzazion:... 6 Calcolo dll'amplificazion di tnsion... 6 BUFFE A GUADAGNO UNTAO... 6 CONNESSONE AMPLFCATCE AD ELEVATO GUADAGNO ED ELEVATA... 7 Studio dll condizioni di polarizzazion:... 7 Calcolo dll'amplificazion di tnsion... 7 CCUTO NTEGATOE (DOMNO D T)... 8 APPENDCE A... 9 Spcchio di Corrnt (currnt mirror)... 9 BBLOGAFA AMPLFCATO OPEAZONAL NOTON 1^ part applicazioni linari prof. Clto Azzani PSA Mortto Brscia 13 fbbraio 1995

2 ntroduzion Gli Amplificatori Oprazionali Norton possono ssr alimntati da un'unica sorgnt di alimntazion. Strutturalmnt ssi sono riconducibili allo schma a blocchi di fig. 1a in cui si nota la prsnta di uno spcchio di corrnt (Currnt Mirror) connsso in cascata ad un amplificator a trans-rsistnza. Qust'ultimo trasforma la diffrnza di corrnt pronint dal Currnt Mirror in una tnsion: la tnsion di uscita dll'amplificator. n fig. 1b è riportato uno schma lttrico circuital di principio dll'amplificator Norton LM3900. isptto agli OVA gli Amplificatori Norton prsntano di vantaggi: richidono pr il loro funzionamnto una sorgnt di alimntazion singola non dual ; hanno una figura di mrito (prodotto Banda Guadagno) più lvata. l più affrmato amplificator Norton è il circuito intgrato LM3900 dlla National Smiconductor Corporation. L'Amplificator Oprazional Norton è un dispositivo simbolggiato com indicato in fig. ; si noti ch sono stat mss in vidnza l corrnti i d ni ch intrssano i du ingrssi dll'amplificator. Si ossrvi inoltr ch, contrariamnt agli OVA, la grandzza di ingrsso è una corrnt o più prcisamnt la diffrnza fra l intnsità di corrnti circolanti sui du ingrssi: Non nrtnt (ni ovro +) nrtnt (i ovro -). n un amplificator oprazional Norton il lgam matmatico /O (ingrsso uscita) è sprsso dalla rlazion : V 1 ( ) u m N m D ni i N CUENT MO i ni Vcc AMPLFCATOE A TANS-ESSTENZA fig. 1a Schma a blocchi di un Amplificator Norton ni i Q6 SPECCHO D COENTE b Vp Q5 Q1 Q Q4 VCC Vn AMPLFCATOE fig. 1b Schma lttrico intrno di un Amplificator Norton Q3 Q7 fig. a Simbolo circuital dll'amplificator Oprazional Norton La costant di proporzionalità fra grandzz di ingrsso (corrnti) qull di uscita (tnsion) ha l dimnsioni di una rsistnza (rsistnza T1 T mutua) di valor molto lvato (in analogia a quanto avvin ngli oprazionali OVA). S la diffrnza fra l du corrnti di ingrsso B1 B assum valori positivi la tnsion di uscita fig.b Circuito di ingrsso raggiung il valor Vcc; s la diffrnza fra l du corrnti d'ingrsso assum valori ngativi la tnsion di uscita si colloca su valori prossimi a 0 V. ni i NOTON - Azzani

3 Carattristica di trasfrimnto (opn loop) La curva riportata in fig. 3 sprim in forma grafica il lgam matmatico dscritto dalla rlazion 1 nll'ipotsi di un Amplificator Norton ral. Dalla analisi dl grafico si dsum ch s il sgnal diffrnza d assum valori positivi (intnsità di corrnt ni maggior di i) l'uscita si porta nlla rgion di saturazion positiva (Vcc); s, al contrario, d assum valori ngativi, si porta nlla rgion di saturazion ngativa (0). Oprazional Norton idal funzionant in rgim linar Dalla rlazion 1 risolndo risptto a d si ha : D N 3 m ma considrato l'lvato valor di m ch carattrizza un oprazional risulta : lim ( N ) lim 0 4 m m m da cui si ha immdiatamnt : N 5 La sprssion 5 è di fondamntal importanza pr lo studio di tutti i circuiti linari basati su Amplificatori Norton. Nllo studio approssimato dll connssioni comprndnti oprazionali Norton solitamnt si introducono accanto alla 5 altr ipotsi smplificati: N >> B 6 >> B la 6 sprim la condizion ch l intnsità di corrnt in ingrsso allo spcchio sono trascurabili risptto alla corrnt di polarizzazion dll'amplificator oprazional (corrnt di bas di Q5 fig. 1b). Tal corrnt si aggira normalmnt attorno a 30nA. n altri casi si trascura la ddp sistnt fra ingrsso inrtnt massa o fra non inrtnt massa; tal ddp si aggira attorno a 0,5V trattandosi di una Vbon di un BJT al Si. ni<i Saturazion Ngativa Vcc ni>i Saturazion Positiva dni-i fig.3 Carattristica di Trasfrimnto dll'amplificator Norton La corrttzza dll ipotsi smplificati va comunqu rificata circuital di volta in volta analizzato. nllo spcifico ambito NOTON - Azzani 3

4 Applicazioni plicazioni linari Connssion nrtnt Si faccia rifrimnto al circuito di fig. 4; in sso si noti la prsnza di una capacità C1 ncssaria pr consntir una corrtta polarizzazion dll'amplificator Norton (la componnt continua di polarizzazion non d chiudrsi a massa attrarso il gnrator di ingrsso) pr consntir un opportuno accoppiamnto in altrnata con la sorgnt di 3 ingrsso V. La rlazion di funzionamnto in rgim linar va scritta sia in continua pr rificar l corrtt condizioni di polarizzazion, sia in altrnata pr valutar l'ntità di amplificazion introdotta dal circuito. V C1 1 fig. 4 Connssion nrtnt Studio dll condizioni di polarizzazion: C1 in continua si comporta da circuito aprto. isulta prciò ch: VN N V 8 L approssimazioni introdott nll sprssioni 7 8 sono lgittim solo s risultano molto maggiori risptto a Vni a Vi. Pr la condizion di linarità sprssa dalla rlazion 5 risulta: V V u rf 9 3 V u 10 3 assumndo quindi ad smpio : V V 11 rf CC ricordando ch un'ottima condizion di funzionamnto in zona linar si ottin scglindo il lillo di polarizzazion a "tnsion di battria dimzzata" (sono infatti consntit scursioni sia positi ch ngati attorno al punto di riposo) VCC V 1 u dalla sprssion 10 tnndo conto dlla 11 dlla 1 si ricava: 13 3 Calcolo dll'amplificazion di tnsion n altrnata C1 si comporta da corto circuito. Prciò, ssndovi condizion di quilibrio (assicurato dalla polarizzazion) fra l componnti continu di polarizzazion sussistrà analoga condizion di quilibrio fra l componnti altrnat pr cui potrà scrirsi: da cui si ricava immdiatamnt : Av 15 v 1 NOTON - Azzani 4

5 Connssion Non nrtnt Studio dll condizioni di polarizzazion: C1 in continua si comporta da circuito aprto. isulta prciò ch: VN N V 17 V Vcc C C L approssimazioni introdott nll sprssioni 7 8 sono lgittim solo s risultano molto maggiori risptto a Vni a Vi. Pr la condizion di linarità sprssa dalla rlazion 5 tnndo conto dlla 16 dlla 17 risulta: 3 18 potizzando di scglir 45 in tal caso risulta: VCC V 19 rf adottando il critrio di sclta pr dlla "tnsion di battria dimzzata" la rlazion 18 porta al sgunt risultato: 0 3 Calcolo dll'amplificazion di tnsion n altrnata C1 si comporta da corto circuito. La componnt altrnata dl sgnal di ingrsso vin applicata all'ingrsso non inrtnt; la componnt altrnata dl sgnal di uscita vin applicata all'ingrsso inrtnt. Pr la condizion di quilibrio fra l componnti altrnat potrà scrirsi: 1 1 da cui si ricava immdiatamnt : Av v 1 fig. 5 Connssion Non nrtnt NOTON - Azzani 5

6 Connssion N Vb Studio dll condizioni di polarizzazion: C1 in continua si comporta da circuito aprto. Essndo inoltr nl circuito di fig. 6 N 0 3 dovrà ovviamnt risultar: VBE VBE 3 4 Da cui risulta : VBE 1+ VBE N 3 C1 1 Vb V 3 fig. 6 Configurazion N Vb 5 La sclta di N quindi di dipndrà dal critrio di polarizzazion adottato dalla tnsion di alimntazion spcifica applicata al circuito. Adottando ad smpio il critrio dlla "tnsion di battria dimzzata" la rlazion 5 porta al sgunt risultato: VCC N 1+ 6 V 3 Calcolo dll'amplificazion di tnsion BE n altrnata C1 si comporta da corto circuito. La componnt altrnata dl sgnal di ingrsso vin applicata all'ingrsso inrtnt; la componnt altrnata dl sgnal di uscita vin applicata anch'ssa all'ingrsso inrtnt. Pr la condizion di quilibrio fra l componnti altrnat potrà scrirsi: da cui si ricava immdiatamnt : Av 8 1 Buffr a guadagno unitario n fig. 7 è rapprsntato un buffr (amplificator di corrnt) a guadagno unitario. L condizioni di linarità (5) danno origin alla rlazion: V VN V 9 V Tnndo altrsì conto ch risulta: VN V 0, 5V 30 si ha: V 31 da cui la dnominazion di buffr a guadagno di tnsion unitario. fig. 7 Buffr a guadagno 1 NOTON - Azzani 6

7 Connssion Amplificatric ad lvato guadagno d lvata i Si faccia rifrimnto al circuito di fig. 8 ch riporta una connssion inrtnt ad lvato guadagno di tnsion ad lvata rsistnza di ingrsso. Studio dll condizioni di polarizzazion: C1 C sono in continua circuiti aprti; si procd quindi nalogamnt a quanto fatto nl caso dl dl circuito amplificator inrtnt di fig. 4 VCC VN VCC N 3 V C V C1 1 3>>5 Vcc 4>>5 fig. 8 Connssion nrtnt ad Elvato Guadagno Calcolo dll'amplificazion di tnsion n altrnata C1 C si comportano da corto circuito. La componnt altrnata dl sgnal di ingrsso vin applicata all'ingrsso inrtnt tramit 1; la componnt altrnata dl sgnal di uscita vin applicata ssa all'ingrsso inrtnt tramit 3. Pr l condizioni ch sussistono fra i valori di 3, 4 d 5 si potrà scrir: v v v u + u Pr la condizion di quilibrio fra l componnti altrnat potrà scrirsi: v da cui si ricava : 3 v v tnndo conto dlla rlazion 34 si ricava: v 5 3 v da cui immdiatamnt si ricava : 3 4 AV 38 v 1 5 NOTON - Azzani 7

8 Circuito intgrator (dominio di t) Nl circuito di fig. 9 possono ssr scritt l sgunti rlazioni : N 39 3 C dv u + 40 fig.9 Circuito ntgrator dt 1 inoltr la condizion di linarità (5) porta all sgunti consgunz : C dv u dt 1 da cui immdiatamnt si ha : dv V u 1 rf v 4 dt C 3 1 si possono prsntar tr casi : a) s > allora risulta b) s c) s V V rf rf 3 1 allora risulta 3 1 < allora risulta 3 1 dv u > 0 quindi risultrà crscnt dt dv u 0 quindi risultrà costant dt dv u < 0 quindi risultrà dcrscnt dt V 1 3 C Ossrvazion Prchè un intgrator ralizzato con oprazionali Norton funzioni corrttamnt è ncssario ch all'accnsion la tnsion Vc crsca quindi d risultar soddisfatta la condizion prvista al punto a). n caso contrario la tnsion ai capi dl condnsator rimarrà costantmnt a 0; non è infatti possibil ch Vc assuma valori ngativi pr l'assnza dlla sorgnt di alimntazion ngativa dll'oprazional. NOTON - Azzani 8

9 Appndic A Spcchio di Corrnt (currnt mirror) Nlla tcnologia di circuiti intgrati linari frquntmnt ci si imbatt in circuiti dnominati "currnt mirror". Si propon lo studio di tr configurazioni circuitali pr rndrsi conto dll loro modalità di funzionamnto. n fig. 13 è prsntata la configurazion bas di uno spcchio di corrnt. n sso sono prsnti du BJT T1 con bas collttor cortocircuitati ch si comporta da diodo intgrato T. Nlla tcnologia di circuiti intgrati non è difficil ralizzar transistor r O con l stss carattristich di guadagno ossia con : 1 >> 1 T1 T A.3 B1 B dal circuito si rifica ch ssndo l du basi d i du mttitori connssi assim riulta : VBE1 VBE VBE A.4 fig. 13 Spcchio di corrnt du BJT T1 T con idntich carattristich costrutti saranno quindi intrssati da valori idntici di corrnt sia di bas ch di collttor. A.5 C1 C icavando il valor di 1 risulta : r C + B + B + B da cui facilmnt si prvin a : 0 r r + 0 A.6 A.7 Nl circuito di fig. 14 T1 T3 costituiscono un primo spcchio di corrnt pr il qual può ssr riscritta la rlazion A.7 : E C1 A.8 + calcolo l'sprssion di o (collttor di T) : 0 A.9 0 E B E dalla A.9 ricavo : + 1 E 0 A.30 calcolo ora r tnndo conto dlla A.8 dlla A.9 : ( + 1) + + r C1 + B C ( + ) da cui risulta : + 0 r r o B T E C1 C3 T1 T3 B1 B3 fig. 14 Altro spcchio di corrnt A.31 A.3 La formula A.3 ci sprim l'uguaglianza fra r d o nl circuito di fig. 14. NOTON - Azzani 9

10 VCC Nl circuito di fig. 15 l'intnsità di corrnt 3 è data dall'sprssion : 0 + A.33 E 3 B1 B E3 0 B 3 A ( + 1) r C1 T1 B3 B1 T3 E3 B o T calcolo ora r: r B3 + C1 B ( + 1) ( + 1) 0 A.35 fig. 15 Altro spcchio di corrnt da cui risulta: ( + 1 ) 0 ( + 1) + r + r + + r A.36 Bibliografia National Smiconductor Linar Application Handbook 1986 (pag. 11) T. M. Frdriksn AN7 Th LM3900 : a nw currnt diffrncing quad of input amplifir NOTON - Azzani 10