AKTIVNÍ PRVKY V SOUČASNÉ ANALOGOVÉ TECHNICE "Klasickým" prvkem analogové techniky 80-tých a začátku 90-tých let byl operační zesilovač s typickou vnitřní strukturou podle obr. 3.1.
+ Diferenční
Napěťový
Koncový
stupeň
stupeň
in
out stupeň
Obr. 3.1: blokové uspořádání konvenčního OZ
Problémy konvenčního OZ: • "napěťová" vnitřní struktura → velké parazitní časové konstanty, • dvoustupňové zesílení → nutnost frekvenční kompenzace (další kapacita navíc) ⇒ nízký tranzitní kmitočet, malá rychlost přeběhu Ilustrace:
Dosahované parametry, zejména fT a rychlost přeběhu už současným požadavkům nevyhovují a nelze je "rozumným" způsobem zvyšovat.
1/9
Funkční bloky na bázi proudového módu V této části se budeme zabývat aktivními prvky, jejichž vnitřní struktura odpovídá principům proudového módu. Může jít o prvky, určené pro zpracování napěťových signálů i o prvky, určené pro proudové obvody. Z tohoto pohledu můžeme definovat A) "Základní" prvky – byly již dříve známé, ale do oblasti zájmu se dostaly až po nástupu proudového módu. Typickými představiteli jsou OTA a proudový konvejor. B) "Odvozené" prvky – jejich koncepce a řešení vychází ze "základních" prvků (skupina A)). C) "Nové" prvky – vyvinuté speciálně pro aplikace v proudovém módu. Do této skupiny patří všechny typy "pravých" proudových zesilovačů, zejména proudový sledovač a proudový operační zesilovač. Uveďme základní charakteristiky těchto prvků: 1. Proudový konvejor (CC) Tento funkční blok byl prvně definovaný prof. Sedrou v roce 1968. Běžně užívaný symbol a linearizovaný model jsou nakreslené na obr. 3.2. IY Y
⇔
X Z Y
α IX IZ 1
Z IX β IX
X IX
Symbolická značka
β=±1
Linearizovaný model Obr. 3.2 Proudový konvejor
Pro obvodové veličiny na bránách konvejoru platí základné rovnice (3.1):
I Y = αI X ;
U X = UY ;
I Z = ±I X
(3.1)
Rovnice (3.1) můžeme přepsat do maticové formy (3.2): I Y 0 α 0 U Y U = 1 0 0 × I X X I Z 0 ± 1 0 U Z
(3.2)
Na základě těchto definičních rovnic můžeme definovat –
bránu Y - jako vstupní napěťově-proudovou,
–
bránu Z - jako výstupní proudovou,
–
bránu X - jako vstupní proudovou-výstupní napěťovou (v současných aplikacích má spíše charakter vstupní proudové brány). 2/9
Podle hodnoty parametru α jsou obvykle definované "generace" proudového konvejoru: •
0 < α ≤ 1 ...... 1. generace,
•
α = 0 ...... 2. generace,
•
α = -1 ...... 3. generace.
Nejrozšířenější je konvejor 2. generace, označovaný rovněž jako "plovoucí nullor". Tato definice souvisí s nulorovým modelem proudového konvejoru. Zajímavé je porovnání s nulorovým modelem OA. Obvodové řešeni konvejoru je poznamenané vývojem monolitických technologií IO a prošlo celou řadou variant. Typické současné řešeni konvejoru 2. generace je ukázané na obr. 3.3. S přihlédnutím k „čistě“ proudovému výstupu není je proudový konvejor vyráběný samostatně jako diskrétní součástka. Je však základem obvodového řešení transimpedančních zesilovačů, zesilovačů CFOA, rychlých operačních zesilovačů nové generace a tzv. „diamantového tranzistoru“, což je ve skutečnosti „stavebnicový FB“, obsahující proudový konvejor CCII a napěťový sledovač, které mohou být použité samostatně anebo ve vhodné kombinaci. Typickým reprezentantem této třídy obvodů je OPA 660 od firmy Burr-Brown a částečně i zesilovač AD 844. O systematické třídění různých variant konvejorů se pokusili Biolek, Čajka, Dostál a Vrba ve www-časopise Elektrorevue.
+UN
I1
Y
X
I1
Z
-UN
Obr. 3.3 Typické obvodové řešeni proudového konvejoru 2. generace
2. Transimpedanční zesilovač (TIA) Transimpedanční zesilovač (TIA) označovaný rovněž jako operační zesilovač s proudovou zpětnou vazbou (CFOA=Current Feedback Operational Amplifier) je prvek převážně určený pro „napěťové“ aplikace, ale jeho vnitřní struktura je „vzorovým příkladem“ řešení obvodu v kombinovaném módu (viz ADS-P2). Z tohoto důvodu považujeme za vhodné zařadit TIA mezi FB pro proudový mód. V porovnání s konvenčním operačním zesilovačem má výrazně lepší frekvenční vlastnosti a má i nesrovnatelně větší rychlost přeběhu. V současnosti je vyráběný jako diskrétní součástka různými výrobci a má velmi široký okruh aplikací především v širokopásmových analogových systémech. K nejznámějším patří zesilovač AD 844 od firmy Analog Devices.
3/9
Velmi dobré dynamické vlastnosti tohoto zesilovače jsou dané jeho vnitřní architekturou, viz obr. 3.4.
+
+
Y
TIA
CCII
-
-
1
Z
X
OUT ZT
+ 1 I
1
-
1 RIN
≡
ZT
Napěťový sledovač I
-
Obr. 3.4 Principiální uspořádání TIA a zjednodušený lineární model
Rozhodující vliv na vlastnosti TIA má vstupní konvejor CCII. Výstupní napěťový sledovač už jen upravuje výstupní impedanci tak, aby odpovídala napěťovému výstupu. Funkci a typické vlastnosti tohoto zesilovače můžeme odvodit ze zjednodušeného lineárního modelu a z typického obvodového zapojeni, obr. 3.5, používaného většinou výrobců.
Obr. 3.5 Obvodové řešení TIA
Vstupní svorka +IN je vysokoimpedančním vstupem. Tranzistory T1 a T2 pracují v diodovém režimu a přes ně přechází vstupní signál na báze tranzistorů T3 a T4. Tyto tranzistory pracují z hlediska vstupní svorky +IN jako emitorový sledovač v třídě AB. Vstupná svorka -IN představuje nízkoimpedanční vstup zesilovače. Pro proudový vstupní signál pracují tranzistory T3 a T4 jako jednotkové zesilovače proudu (jde o zapojení se společnou bází, opět v pracovní třídě AB). V obou případech vzniká mezi výstupy T3 a T4 diferenční proud, který
4/9
se dále zpracovává proudovými zrcadly PZP a PZN. Společná výstupní svorka těchto zrcadel reprezentuje výstupní svorku Z proudového konvejoru a v případě TIA je vnitřním vysokoimpedančním výstupem, který je zatížený transimpedancí ZT. Vzhledem k vysoké hodnotě reálné složky ZT (transrezistance RT) vytváří diferenční proud vstupního obvodu na ZT relativně vysoké napětí, které se přes napěťový sledovač dostává na výstupní svorku TIA. Z hlediska invertujícího vstupu tedy TIA pracuje jako proudem řízený zdroj napětí (CCVS), charakterizovaný transimpedancí ZT. Z hlediska neinvertujícího vstupu se v ideálním případě TIA chová jako neinvertující ideální operační zesilovač. Táto situace se změní v případě, kdy uvažujeme nenulový vstupní odpor proudového vstupu (nenulový výstupný odpor sledovače T3 a T4). Tento odpor si označíme jako RIN. V takovém případě už nebude napěťové zesílení neinvertujícího vstupu nekonečně veliké, ale bude dané poměrem:
A0 =
RT RIN
(3.3)
Typické hodnoty RT jsou 105 až 106 Ω, RIN = 20 ÷ 50 Ω. Odtud můžeme odhadnout napěťové zesílení TIA v rozmezí A0 = 20 × 10 3 ÷ 100 × 10 3 . Dominantní pól frekvenční závislosti zesílení je daný časovou konstantou RT, CT a v porovnání s klasickými operačními zesilovači je situovaný na výrazně vyšších frekvencích, v pásmu 104 ÷ 105 Hz. Vnitřní obvodová struktura, kde je minimalizovaný vliv parazitních kapacit umožňuje dosáhnout i velkou rychlost přeběhu, typicky 1 000 ÷ 2 000 V/µs. Podrobnější informace o těchto zesilovačích lze získat ve firemní literatuře a na www stránkách Analog Devices a dalších výrobců. 3. Transkonduktanční zesilovač (OTA) Běžně používaný symbol a obvodový model je ukázaný na obr. 3.6. I = gm ∆ U1 + gm
<=>
∆ U1
g0
-
Obr. 3.6: Symbol a model transkonduktančního zesilovače
Vlastnosti OTA můžeme charakterizovat rovnicemi (3.4), resp. maticovým zápisem (3.5). I O = g m ∆U 1 ;
g m = kI1 ; go
[a] = g m 0
A0 = 1 gm 0
gm go
(3.4)
(3.5)
Jak vyplývá z definičních rovnic (3.4), jedná se o napětím řízený zdroj proudu (VCCS, transkonduktor), charakterizovaný transkonduktancí gm. Přítomnost parazitní výstupní vodivosti go dovoluje definovat i napěťové zesílení A0. Připomeňme si, že napěťové zesílení naprázdno ideálního transkonduktančního zesilovače je nekonečně velké → v tomto se ideální
5/9
OTA blíží svými vlastnostmi ideálnímu OZ, avšak na rozdíl od něho má definovanou dvojbranovou kaskádní matici (3.5) s nenulovými prvky, která přechází na matici OZ v limitním případě g m → ∞ . Obvodové řešení i zde prošlo vývojem podmíněným aktuálními možnostmi monolitických technologií IO. Od "klasických" zapojení typu NE 5517 nebo LM 13700 v bipolární technologii směřoval vývoj jednak k rychlým OTA (realizovaným ve formě diskrétních součástek, jednak k integrovaným aplikacím v technologii CMOS. Typická ukázka takového obvodového řešení je na obr. 3.7. +UN
-IN OUT
+IN I1
-UN
Obr. 3.7: Typické obvodové řešení OTA v technologii CMOS
Toto zapojeni odhaluje i „tajemství“ vysoké tranzitní frekvence a rychlosti přeběhu OTA: základem je totiž jednoduchý převodník U/I, realizovaný diferenčním stupněm, na který navazují pomocná proudová zrcadla. Těmi je diferenční proud převeden na výstupní svorku. Vzhledem k jednotkovému napěťovému zesílení diferenčního stupně a nízkým vstupním impedancím proudových zrcadel je minimalizovaný vliv parazitních kapacit a z neideálních vlastností tranzistorů se významněji uplatňuje jen frekvenční závislost transkonduktance. Frekvenční vlastnosti OTA jsou tedy převážně ovlivněny parazitní kapacitou výstupu a velikostí zatěžovací impedance (rezistance) RL. V proudovém módu (RL → 0) má OTA vynikající vlastnosti a může dobře využit jako vstupní převodník U/I a samozřejmě i v řadě dalších aplikací. V napěťovém režimu na výstupu je výhodný především pro zapojení s kapacitním charakterem zátěže, např. pro integrátory OTA-C. Významnou přednosti obvodového řešení OTA podle obr. 3.7 je jednoduché elektronické řízení transkonduktance změnou klidového proudu vstupního diferenčního stupně (převodníku U/I). Změna transkonduktance je možná v rozsahu až několik řádů. 4. Proudový sledovač Proudový sledovač je speciální funkční blok, který má charakter proudem řízeného zdroje proudu. Nejjednodušší realizací proudového sledovače je proudové zrcadlo, na jehož základě byla publikována řada konkrétních zapojení. Typické ukázky jsou např. v lit. [1] nebo ve speciálním vydání Proceedings IEE, řada G, z dubna 1990. V nejjednodušším případě lze funkci proudového sledovače realizovat vhodným zapojením proudového konvejoru CCII nebo ve zpětnovazebním zapojení proudového zesilovače se 100 % zpětnou vazbou (lze odvodit přidruženou transformací napěťového sledovače s OZ).
6/9
5. Proudový operační zesilovač Termínem proudový operační zesilovač označujeme funkční blok, který má charakter proudem řízeného zdroje proudu (CCCS) s vysokým proudovým zesílením β – viz obr. 3.8. V limitním případě β → ∞ jej definujeme jako ideální (proudový) operační zesilovač, který je ekvivalentní ideálnímu (napěťovému) operačnímu zesilovači a má s ním společný nulorový model. i
I
+
COA
+ i
+
I0
+
βI
⇒
+
Id. COA:
gIN
g0
i0
-
gIN → ∞ g0 → ∞ β →∞
Obr. 3.8.: Proudový operační zesilovač
„Reálný“ proudový operační zesilovač se však podstatně liší od napěťového a to jak obvodovým řešením, tak vlastnostmi. Společným rysem je jen podmínka bezproblémového zavedení silné záporné zpětné vazby, z čehož vyplývá nutnost realizace s co nejmenším počtem zesilovacích stupňů. Vzhledem k relativně nízkému zisku proudových zesilovacích stupňů je nutné volit koncepci proudového OZ jako obvodu, pracujícího ve smíšeném módu. Zde se nabízejí následující varianty: a) Kombinace proudový sledovač – transkonduktor → obr. 3.9. V tomto zapojení proudový sledovač působí jako oddělovací člen a spolu se zatěžovací impedancí ZT vytváří převodník I/U (v skutečnosti je ZT tvořená výstupní impedancí proudového sledovače a paralelně připojenou vstupní impedancí OTA). Napětím U1 na ZT je řízen výstupní transkonduktor (OTA), který toto pomocné napětí transformuje opět na výstupní proudový signál. Z obr. 3.9 můžeme snadno odvodit vztah pro proudové zesílení AI : + I IN
β=1
+ - I IN
I1
OTA
I ZT U1
I0 + OUT - OUT
+ gm - +
+ + I IN
+ _
I
- I0
AI =
I+ I−
)
≡ − I IN
IO = ZT gm I IN
(
+ − β I IN − I IN
_
(3.6)
Obr. 3.9.: COA – varianta a)
Je-li to vyžadováno, lze realizovat OTA s výstupem nesymetrickým i symetrickým, jak je naznačeno na obr. 3.9. b) Kombinace proudový sledovač – dva konvejory CCII → obr. 3.10. Tato varianta zachovává vstupní část shodnou s variantou a), navazující výstupní část je tvořená dvojicí proudových konvejorů CCII zapojenou tak, aby vytvářela převodník U/I s „plovoucím“ proudovým výstupem. V aplikacích kde postačuje nesymetrický výstup, zastane funkci výstupního převodníku U/I jen jediný konvejor CCII. Princip funkce obvodu je
7/9
podobný předchozímu uspořádání, proudové zesílení je dáno vztahem (3.7). V porovnání s verzí a) lze dosáhnout vyšší zesílení s ohledem na relativně velmi malou hodnotu odporu RIN vstupní „proudové“ svorky X konvejoru CCII ve výstupní sekci zesilovače. + IIN
COA
+ IN +
-
+ -
+ OUT
IN
CCII
+
<=>
-
- OUT
Y
I
Z ZT
- IIN
X
+ OUT
X Z Y
- OUT CCII
AI =
IO Z = T I IN 2 RIN
(3.7)
Obr. 3.10.: COA – varianta b)
c) Kombinace konvejor CCIII (CCII) – transkonduktor → obr. 3.11. Vstupní část COA můžeme vytvořit i proudovým konvejorem typu CCII nebo CCIII. Symetrický vstup vyžaduje použití konvejoru typu CCIII (svorky Y – X tvoří diferenční proudový vstup). Nesymetrický vstup lze snadno realizovat jediným konvejorem CCII v zapojení proudového sledovače. Výstupní část je shodná s variantou a). Celkové uspořádání je zřejmé z obr. 3.11, proudové zesílení je dáno vztahem (3.8), podobně jako u verze a). COA
+ IN
+ OUT
CCIII
- IN
+ - IN
OTA
Y + -
Z X - OUT
+ IN
AI =
IO = ZT gm I IN
+ ZT
-
+ OUT gm - OUT
(3.8)
Obr. 3.11 COA – varianta c)
d) Kombinace tri konvejory CCII → obr. 3.12. Řešení naznačená v předchozích variantách vedou k závěru, že COA může být realizován i vhodnou kombinací samotných proudových konvejorů, jak je ukázáno na obr. 3.12. „Vstupní“ konvejor opět pracuje jako převodník U/I a pro nesymetrický vstup je typu CCII. Podobně jako v případě varianty c) je ovšem nutno použít vstupní konvejor typu CCIII, požadujeme-li symetrický (plovoucí) vstup. Výstupní sekce je shodná s variantou b). Blokové uspořádání znázorňuje obr. 3.12, proudové zesílení je definováno rovnicí (3.9). Je samozřejmě možné vytvořit i další varianty řešení COA, není uzavřená ani cesta „pravého“ proudového operačního zesilovače sestaveného jen z proudových zesilovacích stupňů. Zde doporučujeme ke studiu další literaturu a www stránky výrobců integrovaných obvodů.
8/9
CCII CCII
Y Z
Y
X
COA + IN
+ IN
Z ZT
+ OUT
_ + +
+ OUT
X X Z
- OUT
- OUT
Y CCII
AI =
IO Z = T I IN 2 RIN
(3.9)
Obr. 3.12.: COA – varianta d)
Všechny aktivní prvky uvedené v tomto přehledu jsou v širokém měřítku využívané ke konstrukci moderních analogových obvodů a subsystémů, např. k realizaci řízených a nízkošumových zesilovačů, filtrů, převodníků i analogových neuronových sítí. [1].
9/9
