Cálculo de circuitos baseados em amplificadores operacionais de transimpedância. Esquema, descrição

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Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Cálculos de rádio amador

Comentários do artigo

O artigo fornece cálculos analíticos de circuitos com amplificadores operacionais TOC. Os métodos mais modernos foram utilizados utilizando OrCAD e Maple.

Introdução

A principal vantagem dos amplificadores de realimentação de corrente é sua ampla banda de frequência operacional. Todos os outros amplificadores usam feedback de tensão. cujo ganho de feedback começa a cair mesmo em frequências muito baixas (geralmente de 10 Hz) com uma taxa de decaimento de 20 dB por década. Este comportamento leva a grandes erros em altas frequências. Amplificadores com realimentação de tensão são forçados a operar na região de frequência, onde seu ganho cai, pois ganho de amplificador operacional de malha aberta; começa a cair já em baixas frequências. Os amplificadores de feedback atuais não têm essas limitações, portanto fornecem menos distorção. A taxa de queda de ganho é aproximadamente a mesma para ambos os tipos de amplificadores. O modelo mostrado na Fig. 2 mostra o fato de que em amplificadores com realimentação de corrente, a transimpedância é usada em vez do ganho. A corrente de entrada é “mapeada” para o estágio de saída e armazenada em buffer por ele. Esta configuração fornece a largura de banda operacional máxima entre ICs que usam a mesma tecnologia de processo. Normalmente, amplificadores com sistema operacional atual são construídos com base em transistores bipolares, pois seu escopo típico de aplicação são comunicações de alta velocidade, vídeo, etc., via de regra, não requerem altas impedâncias de entrada e uma faixa de tensão de saída igual à tensão de alimentação (trilho a trilho).

Observe que a entrada inversora está acoplada ao estágio de saída do buffer, portanto possui uma impedância muito BAIXA, em ordem de grandeza igual à impedância do seguidor de emissor. A entrada não inversora é uma entrada buffer, portanto possui alta impedância. Para um amplificador com realimentação de tensão, as entradas são alimentadas nas junções base-emissor do inversor de fase (um estágio diferencial alimentado por uma fonte de corrente). A correspondência precisa dos transistores de estágio diferencial permite que as correntes de entrada e as tensões de deslocamento sejam minimizadas e, nesse sentido, um amplificador de realimentação de tensão tem uma grande vantagem. Combinar os circuitos buffer de ENTRADA e SAÍDA é uma tarefa difícil, portanto os amplificadores de realimentação de corrente não são precisos. Seu objetivo principal são circuitos de alta velocidade; se para amplificadores acoplados a tensão o limite são frequências de aproximadamente 400 MHz, então os amplificadores acoplados a corrente têm uma largura de banda operacional de até vários gigahertz. A faixa operacional típica para amplificadores operacionais TOC é de cerca de 25 MHz a vários GHz. Entretanto, ao usar tais amplificadores, uma característica importante deve ser lembrada. Ao projetar circuitos de alta frequência, muitos projetistas confiam na diminuição do ganho com o aumento da frequência como um fator de estabilidade, acreditando corretamente que um circuito com um ganho menor que a unidade é estável por padrão. Mas isso só é verdade para amplificadores com realimentação de tensão. Os amplificadores operacionais de feedback atuais mantêm o ganho à medida que a frequência aumenta. Portanto, circuitos desenvolvidos com base em amplificadores com realimentação de tensão e trabalhando de forma estável com eles muitas vezes tornam-se instáveis ao mudar para amplificadores com realimentação de corrente. Além disso, os resistores de entrada e de realimentação de um amplificador de realimentação de corrente são sensíveis a arranhões e capacitâncias, portanto, atenção especial deve ser dada ao layout da placa.

1. Transimpedância TOS OU

Vamos encontrar a transimpedância do amplificador operacional TOS com feedback aberto na entrada inversora. Para isso, utilizaremos o esquema de medição (Fig. 1). Como modelo do amplificador operacional TOC, usaremos o circuito equivalente idealizado unipolar mais simples (Fig. 2).
Arroz. 1. Circuito de medição de transimpedância

Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância

reiniciar: com(MSpice): Dispositivos:=[O,[TOP,AC1,2]]: Dígitos:=3:

ESolve(Q,`01-1_OP_TOC_Z/op-PSpiceFiles/SCHEMATIC1/SCHEMATIC1.net`);

Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância

Modelo de amplificador operacional de transimpedância AC1

Sistema Kirchhoff-Laplace

-JVF1U1-Vt1/Rt-Vt1*s*Ct

VINN = Vref

Correntes de entrada de fontes controladas

JVF1U1 = I1

Soluções

{VINN, Vt1}

MSpice v8.35: pspicelib.narod.ru
Nós especificados: {VINP} Fontes: [Vref, VF1U1, I1]
Soluções V_NET: [VOUT, VINN, Vp1, Vt1]
J_NET: [J1, JVF1U1, JRt, JCt, JFt, JVref]
Zt:=VOUT/I1, print(`Em corrente alternada,`);

Zto:=Limit('Zt',s=0)=limit(Zt,s=0), print(`Em corrente contínua obtemos,`);

Em corrente alternada,

Zt := -Rt/(1+s*Ct*Rt)

Em corrente contínua obtemos,

Zto := Limite(Zt,s = 0) = -Rt

Para as denominações indicadas no diagrama obtemos.

Valores(DC,RLCVI,[]): Zt:=evalf(Zt); `Zt[f=0]`:=evalf(rhs(Zto)); #VOUT:=evalf(VOUT);

HSF([Zt],f=1..1e10,"3) semi[Zt] transimpedância TOS amplificador operacional);

Inserindo classificações de componentes:
Rt := .10e8,10MEG"
Ct := 1/2/Pi/pés
Pé := 10e11,10G"
Fonte CC: CC: Vref:=0
Fonte CC: CC: I1:=10
E1_U1 := VINP
Fonte CC: CC: VF1U1:=0
F1_U1 := JVF1U1
E2_U1 := Vt1

Zt := -.10e8/(1.+.159e-3*s)

Zt[f=0]` := -.10e8

Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância

2. Coeficiente de transferência de um amplificador não inversor para o amplificador operacional TOS

Um amplificador não inversor permite que você tenha uma alta impedância de entrada, o que permite uma boa correspondência com a fonte do sinal.
Arroz. 4. Circuito de um amplificador não inversor baseado em um amplificador operacional TOS

Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância

reiniciar: com(MSpice): Dispositivos:=[E,[TOP,AC2,5]]:

ESolve(Q,`OP-1_TOC_NoInvAmp/op-PSpiceFiles/SCHEMATIC1/SCHEMATIC1.net`);

Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância

Modelo de amplificador operacional de transimpedância AC2

Sistema Kirchhoff-Laplace

-Vt1/Rt-Vt1*s*Ct+(VINP-VINN)/Rn

(Vt1-VINN)/R2+(VINP-VINN)/Rn-VINN/R1

Soluções

{Vt1, VINN}

MSpice v8.35: pspicelib.narod.ru
Nós especificados: {VINP} Fontes: [Vinp]
Soluções V_NET: [Vp1, Vt1, VOUT, VINN]
J_NET: [JR2, JR1, JRn, JRt, JRo, JCt, JFt, JVinp]

O coeficiente de transmissão dependente da frequência é assim.

H:=coleta((VOUT/Vinp),s);

H := Rt*(R1+R2)/((R2*R1*Ct*Rt+Rn*R2*Ct*Rt+Rn*R1*Ct*Rt)*s+Rn*R1+R2*R1+Rt*R1+R2*Rn)

O coeficiente de transmissão independente de frequência é assim.

K:=limite(H,Ct=0);

K := Rt*(R1+R2)/(Rn*R1+R2*R1+Rt*R1+R2*Rn)

Tentamos reduzir Ri de todas as maneiras possíveis, vamos igualá-lo a ni e obtemos

K:=limite(K,Ri=0);

K := Rt*(R1+R2)/(Rn*R1+R2*R1+Rt*R1+R2*Rn)

Eles tentam aumentar Rz de todas as maneiras possíveis, vamos mirar no infinito e conseguir

K:=limite(K,Rt=infinito);

K := (R1+R2)/R1

Valores(DC,PRN,[]):

HSF([H],f=1..1e10,"6) resposta de semifrequência de um amplificador não inversor baseado em um amplificador operacional TOS");

Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância

3. Configurando a largura de banda usando um capacitor no circuito do sistema operacional

Ao usar o amplificador operacional TOS, seus recursos devem ser levados em consideração. Se em um amplificador operacional convencional com NOS OS, quando um capacitor é conectado, aparece um pólo característico adicional, então em um amplificador com TOS (Fig. 7), um zero e um pólo adicionais aparecem (Fig. 8).
Arroz. 7. Circuito de um amplificador não inversor baseado em um amplificador operacional TOS

Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância

reiniciar: com(MSpice): Dispositivos:=[O,[TOP,AC2,8]]:

ESolve(Q,`OP-1_TOC_NoInvAmp_СF/op-PSpiceFiles/SCHEMATIC1/SCHEMATIC1.net`);

Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância

Modelo de amplificador operacional de transimpedância AC2

Sistema Kirchhoff-Laplace

-Vt1/Rt-Vt1*s*Ct+(VINP-VINN)/Rn

(Vt1-VINN)*s*CF+(Vt1-VINN)/RF+(VINP-VINN)/Rn-VINN/Rg

Soluções

{VINN, Vt1}

MSpice v8.35: pspicelib.narod.ru
Nós especificados: {VINP} Fontes: [Vinp]
Soluções V_NET: [VOUT, VINN, Vp1, Vt1]
J_NET: [JCF, JRF, JRg, JRn, JRt, JRo, JCt, JFt, JVinp]

O coeficiente de transmissão dependente da frequência é assim.

H:=coleta((VOUT/Vinp),s);

H := Rt*(s*CF*RF*Rg+Rg+RF)/(Rn*s^2*CF*RF*Rg*Ct*Rt+(Rn*Rg*Ct*Rt+Rt*CF*RF* Rg+Rn*RF*Ct*Rt+RF*Rg*Ct*Rt+CF*RF*Rn*Rg)*s+Rt*Rg+Rn*Rg+RF*Rg+RF*Rn)

Os zeros e pólos desta função são determinados pelas seguintes expressões

PóloZero(H,f);

------------- Zeros ------------

F_Zero[1] = 1/2*I*(Rg+RF)/CF/RF/Rg/Pi

----------- Poloneses -----------

F_Pole[1] = 1/4*I*(Rn*Rg*Ct*Rt+Rt*CF*RF*Rg+Rn*RF*Ct*Rt+RF*Rg*Ct*Rt+CF*RF*Rn*Rg-(-2*Rn*Rg^2*Ct*Rt^2*CF*RF+2*Rn^2*Rg*Ct^2*Rt^2*RF+2*Rn*Rg^2*Ct^2*Rt^2*RF-2*Rn^2*Rg^2*Ct*Rt*CF*RF+2*Rt^2*CF*RF^2*Rg*Rn*Ct+2*...

F_Pole[2] = 1/4*I*(Rn*Rg*Ct*Rt+Rt*CF*RF*Rg+Rn*RF*Ct*Rt+RF*Rg*Ct*Rt+CF*RF*Rn*Rg+(-2*Rn*Rg^2*Ct*Rt^2*CF*RF+2*Rn^2*Rg*Ct^2*Rt^2*RF+2*Rn*Rg^2*Ct^2*Rt^2*RF-2*Rn^2*Rg^2*Ct*Rt*CF*RF+2*Rt^2*CF*RF^2*Rg*Rn*Ct+2*...

Eles tentam reduzir Ct a zero e tentam aumentar Rt de todas as maneiras possíveis.

Vamos direcionar Ct para zero e Rt para o infinito e obter

H_ideal:=limit(subs(Ct=0,H),Rt=infinito);

H_ideal := (s*CF*RF*Rg+Rg+RF)/Rg/(s*CF*RF+1)

O coeficiente de transmissão independente de frequência é assim.

K:=limite(H,s=0);

K := Rt*(Rg+RF)/(Rt*Rg+Rn*Rg+RF*Rg+Rn*RF)

Tentamos reduzir Rt de todas as maneiras possíveis, vamos igualá-lo ao infinito e obter

K_ideal:=limite(K,Rt=infinito);

K_ideal := (Rg+RF)/Rg

Valores(DC,RLVCI,[]):

Inserindo classificações de componentes:
CF := .1000e-8,1000p"
RF := .1e4,1K"
Rg := .1e4,1K"
Rn := 25,25"
Rt := .10e8,10MEG"
Ro:= 75,75"
Ct := 1/2/Pi/pés
Pé := 10e11,10G"
Fonte CC: CC: Vinp:=0
E1_U1 := VINP
H1_U1 := (Vp1-VINN)/Rn
E2_U1 := Vt1
HSF([H,H_ideal],f=1..1e7,"9) semi[H,H_ideal] amplificador não inversor baseado em amplificador operacional TOS");

Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância

4. Filtro passa-banda a 1 MHz com amplificador operacional TOC

Anteriormente, era considerado antieconômico implementar filtros ativos em frequências acima de 1 MHz.

Atualmente, o problema é resolvido de frente, usando o amplificador operacional TOS.

A aplicação do modelo (Fig. 11) permite-nos obter uma estimativa superior dos indicadores de não idealidade do amplificador operacional,

em que é possível implementar o filtro necessário.
Arroz. 10. Circuito de um amplificador não inversor baseado em um amplificador operacional TOS

Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância

reiniciar: com(MSpice): Dispositivos:=[O,[TOP,AC4,11]]:

ESolve(Q,`04-1_TOC_Filter/op-PSpiceFiles/SCHEMATIC1/SCHEMATIC1.net`);

Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância

Modelo de amplificador operacional de transimpedância AC4

Sistema Kirchhoff-Laplace

(VOUT-V4)/RF+(V2-V4)/Rn-V4/Rg

-VOUT/Ro-Vt1/Ro-VOUT*s*Co-(VOUT-V4)/RF-(VOUT-V1)/R3

-V2/R2-V2/Rd-V2*s*Cd-(V2-V1)*s*C2

(V2-V1)*s*C2+(VOUT-V1)/R3-(V1-Vinp)/R1-V1*s*C1

-Vt1/Rt-(V2-V4)/Rn-Vt1*s*Ct

Soluções

{VOUT, V1, V2, V4, Vt1}

MSpice v8.35: pspicelib.narod.ru
Nós especificados: {VINP} Fontes: [Vinp]
Soluções V_NET: [VOUT, V1, V2, V4, Vp1, Vt1]
J_NET: [JVinp, JRF, JR1, JC2, JRg, JR2, JC1, JRd, JRn, JRt, JRo, JCt, JFt, JCo, JCd, JR3]

Se as condições para o filtro forem atendidas

R1:=Rg: R2:=Rg: R3:=Rg: C1:=C2:

Então o coeficiente de transmissão dependente da frequência ficará assim.

H:=simplificar(VOUT/Vinp,'tamanho');

H := (s*C2*Rd*(Ro*Ct*Rt*s+Ro+Rt)*Rg^3+(Rd*Ro*Ct*Rt*(C2+Cd)*(Rn+RF)*s^2+(((C2+Cd)*(Rn+RF)*Ro+C2*Rt*RF)*Rd+Ro*Ct*Rt*(Rn+RF))*s+Ro*(Rn+RF))*Rg^2+Ro*(RF*Rn*Rd*(C2+Cd)*s+(Rn+RF)*Rd+RF*Rn)*(Ct*Rt*s+1)*Rg+RF*...

Gráfico de frequência central e resposta em frequência (Fig. 12).

Valores(AC,RLCVI,[]): H:=evalf(H,2);

HSF([H],f=1e5..1e7,"12) resposta de semifrequência de amplificador não inversor de $ 200 no amplificador operacional TOS");

Inserindo classificações de componentes:
R1 := 300,300"
C2 := 750e-9,750p"
RF := .1e4,1K"
R3 := 300,300"
Rg := 300,300"
R2 := 300,300"
C1 := 750e-9,750p"
Rd := .1e7,1MEG"
Rn := 25,25"
Rt := .10e8,10MEG"
Ro:= 75,75"
Ct := 1/2/Pi/pés
Pé := 10e11,10G"
Co:= 5e-11,5p"
CD:= .3e-11,3p"
Fonte AC: DC: Vinp:=0 AC: Vinp:=1 Pfase(graus):=0
E1_U1 := V2
H1_U1 := (Vp1-V4)/Rn
H2_U1 := Vt1/Ro

H := (.20e5*s*(.12e-1*s+.10e8)+.80e3*s^2+.68e12*s+.19e13+.22e5*(19.*s+.10e10)*(.16e-3*s+1.))/(12.*s*(1.+.38e-3*s)*(.61e-10*s^2+.17*s+.10e8)+.24e-13*s^4+.26e-3*s^3+.18e5*s^2-.6e11*s+.18e19+.30e3*(.42e4*...

Cálculo de circuitos em amplificadores operacionais de transimpedância

Literatura

Petrakov. O. M. Cálculos analíticos em eletrônica Journal of CIRCUIT ENGINEERING, No.
Dyakonov V. P. Maple-9 em matemática, física, educação. M.: SOLON-Press, 2004.
VD Razevig. Sistema de design OrCAD 9.2. SÓLON. Moscou 2001
Razevig V. D. Modelagem de circuitos usando Micro-Cap 7. - M.: Hot Line-Telecom, 2003.
Modelagem comportamental em PSPICE. Projeto de circuito nº 3, nº 4, 2003.
Petrakov O. M. Criação de modelos PSPICE analógicos de elementos de rádio. RADIOSOFT”, 2004.
pspice.narod.ru CAD eletrônico. Modelagem. Projeto de circuito.
Razevig V. D. Modelagem de dispositivos eletrônicos analógicos em computadores pessoais. Editora MPEI, 1993.
Heineman R. PSpice modelagem de circuitos eletrônicos. Imprensa DMK, 2002.

Publicação: cxem.net

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