Prawdziwy różnicowy wzmacniacz operacyjny zbudowany w oparciu o klasyczne inwertery logiczne

rys_1Stale rosnące dążenie do zmniejszenia gabarytów i zwiększenia wydajności procesorów CPU (Central Processor Unit) zmusza producentów układów projektowanych w technologii CMOS do konstruowania elementów o wymiarach mieszczących się w obszarach gabarytowych rzędu nanometrów.
Te dążenia do coraz mniejszych chipów umieszczanych w coraz mniejszych obudowach z jednej strony, z drugiej zaś strony do coraz większej efektywności zasilania i mniejszych strat układów, powodują, że to wszystko niekorzystnie odbija się na charakterystykach obwodów analogowych i zmniejszaniu napięcia zasilającego, zmuszając projektantów do poszukiwania alternatywnych czysto cyfrowych rozwiązań architektonicznych do wykonywania funkcji analogowych.
Ta „cyfryzacja” sfery analogowej w końcu dociera do hobbystów radioamatorów, którzy będą mieli coraz większe trudności ze znalezieniem prostych elementów analogowych.
Przełomem tego przerażającego trendu była zapowiedzenie publikacji aplikacji cyfrowych chipów przez firmę Fairchild Semiconductor już w 1973 r., ale żaden z przedstawionych tam systemów nie zawierał wzmacniacza operacyjnego z wejściami różnicowymi.
Przedstawiany projekt jest próbą wypełnienia tej luki, demonstrując dwustopniowy wzmacniacz operacyjny z prawdziwymi wejściami różnicowymi i napięciem zbliżonym do szyny zasilania typu rail-to-rail, działający przy zasilaniu z jednobiegunowego zasilacza 5V.
Na rysunku 1 pokazano schemat kompletnego dwustopniowego wzmacniacza operacyjnego zbudowanego na sześciu inwerterach CD4049UBE, rezystorze i kondensatorze. Należy zwrócić uwagę, że pin 8 układu U2 (GND), jak również pin 1 (VCC) układu U3, nie są do niczego

rys_2podłączone (pływające).
Wyjścia połączonych równolegle inwerterów układu U2 są połączone z pinem VCC układu U1, a wyjście inwertera układu U3 jest podłączone do pinu masy (GND) układu U1.
Funkcjonalny tranzystorowy odpowiednik tego obwodu pokazano na rysunku 2, na którym pominięte zostały wszystkie elementy nieistotne lub wypełniające mniej istotne funkcje. Schemat pierwszego stopnia, dokonuje konwersji sygnału różnicowego na sygnał asymetryczny. Tranzystory MOS z kanałem P inwerterów z układu U2 pracują, jako źródła prądowe, a tranzystory z kanałem N inwerterów układu U3 – jako źródła prądu upływowego (ang. sink).
Nierówna liczba źródeł prądowych i źródeł prądów upływowych została wykorzystana do skompensowania różnic w charakterystyce kanałów tranzystorów MOS z kanałem N i kanałem P, aby przesunąć zakres działania sygnałów trybu wspólnego bliżej środka zasilania.

Tabela 1

 

 

 

 
Fig_3_got

 

 

 

 

 

 

Fig_4Inwertery w układzie U1 zachowują się jak podwójna para różnicowa z podwojeniem przewodności przenoszenia.
Ze względu na niewielkie wzmocnienie pierwszego stopnia, równe 25 i 30 dB, dodano drugi stopień.
Aby zapewnić ogólną stabilność, zastosowano standardowe technologie kompensacji, ponieważ oba stopnie mają w przybliżeniu taką samą szerokość pasma.
Należy zauważyć, że każda sensowna konfiguracja sprzężenia zwrotnego przesuwa punkt pracy drugiego stopnia do zakresu liniowego, eliminując potrzebę stosowania lokalnego rezystora bocznikującego, ograniczającego współczynnik wzmocnienia.
W tabeli 1 podsumowano główne szczegóły techniczne wyprodukowanego prototypu. Pomimo wejścia różnicowego, jak widzimy, współczynnik tłumienia w trybie wspólnym jest bardzo zły.

Fig_5

Z drugiej jednak strony przewyższa on klasyczny układ  LM741 jeśli chodzi o wzmocnienie w paśmie.
Ten projekt powinien działać równie dobrze z układami CD4069UB, jak i 74HCU04, chociaż jest możliwe, że ze względu na różnice w parametrach tranzystorów, stosunek wymaganej liczby inwerterów w układach U2 i U3 będzie musiał zostać zmieniony, aby przywrócić zakres napięcia wejściowego wspólnego trybu.
Jedynym krytycznym aspektem jest to, że inwertery muszą być niebuforowane, w przeciwnym razie każdy stopień wzmocnienia amplifikacji zamieni się w trzystopniowy oscylator pierścieniowy. Autor: Colin Weltin-Wu

pełny materiał w pliku pdf

Fig_6

Komentarze z Facebooka

Komentarze obecnie - OFF.