Polarização do 741 Polarização do Andar de Saída

Resumo
• O Amplificador Operacional 741
• Circuito de Polarização e circuito de protecção contra
curto-circuito
• O andar de Entrada
• O Segundo andar e andar de Saída
• Polarização do 741
• Análise de pequeno sinal do 741
– p. 1/2
O Amplificador Operacional 741
– p. 2/2
Circuito de Polarização
Circuito de Polarização
IREF é gerada por os dois transístores Q11 e Q12 ligados como díodos e a
resistência R5 .
O espelho de corrente Widlar, formado por Q11 , Q10 e R4 , gera a corrente de
polarização para o espelho de corrente formado por Q8 e Q9 .
IREF é usado para gerar duas correntes proporcionais no colector Q13 . Este
transístor lateral pnp pode ser pensado como dois transístores cuja junções
base-emissor são ligados em paralelo. O colector de Q13B faz a polarização de
Q17 e Q13A faz a polarização do andar de saída.
Q18 e Q19 servem para estabelecer a queda de tensão de duas vezes VBE nas
junções base-emissor em série, nos transístores de saída Q14 e Q20
– p. 3/2
Circuito de protecção contra curto-circuito
Circuito de Protecção contra curto-circuito
Existem no 741 diversos transístores que estão normalmente ao corte e apenas
conduzem quando se tenta que o Amplificador Operacional forneça uma
corrente demasiado elevada. to está normalmente
O componentes que implementam este circuito de protecção são R6 , R7 , Q15 ,
Q21 , Q24 , R11 , e Q22 .
Na restante análise estes transístores são considerados como estando ao corte.
– p. 4/2
O andar de Entrada
O circuito do 741 consiste em três andares: um andar diferencial de entrada,
um andar intermédio de saída única de alto ganho e uma andar de saída de
ganho em corrente.
O andar de entrada consiste nos transístores Q1 a Q7 com a polarização feita
por Q8 , Q9 e Q10 .
Os transístores Q1 e Q2 são seguidores de emissor que entregam o sinal a
transístores em base comum Q3 e Q4 . Isto é uma configuração diferencial
Colector-Comum, Base-Comum.
Os transístores Q5 , Q6 e Q7 e resistências R1 , R2 e R3 são o circuito de carga
do circuito de entrada. Este é um circuito de espelho de corrente elaborado
que será analisado posteriormente. Este circuito de carga não só providencia
uma carga activa como transforma o sinal diferencial em saída única sem
perda de ganho ou rejeição em modo comum.
– p. 5/2
O andar de Entrada
Cada Amplificador Operacional tem um conversor de nível de tensão cujo
objectivo é colocar a tensão DC num nível apropriado de forma que a saída do
amplificador operacional possa ter excursões positivas e negativas. Neste
Amplificador Operacional isto é feito no primeiro andar através dos
transístores laterais pnp Q3 e Q4 . Apesar dos transístores laterais pnp terem
fraca resposta em frequência a sua utilização não afecta demasiado o
funcionamento do 741.
O uso de transístores laterais pnp Q3 e Q4 dá protecção contra a ruptura da
junção Emissor-Base inversamente polarizada que nestes transístores é cerca
50V contra 7V nos npn. (prevenir, por exemplo, contra o facto da alimentação
ser ligada aos terminais de entrada).
– p. 6/2
O segundo andar
Segundo andar
Composto Q16 , Q17 e Q13B e as resistências R8 e R9 .
Q16 seguidor de emissor. Grande resistência de entrada. Isto minimiza a carga
sobre o primeiro andar e evita a perda de ganho.
O transístor Q17 é um emissor comum com resistência de emissor de 100Ω. A
sua carga é composta pela fonte de corrente formada pelo transístor Q13B em
paralelo com a resistência de entrada do andar de saída. Utilizando uma fonte
de corrente como resistência de carga permite obter grandes ganhos sem o uso
de resistências reais de carga que ocupariam grandes áreas de circuito
integrado.
O condensador CC está ligado em realimentação e sofre pelo o efeito de Miller
uma reflexão na entrada sendo a capacidade amplificada criando um pólo na
resposta do circuito (neste circuito por volta de 4Hz). A área ocupada por este
condensador é 13 vezes a área dum transístor npn.
– p. 7/2
Andar de Saída
Andar de Saída
Andar em Classe AB. Já estudado anteriormente.
O andar de saída do 741 consiste num par complementar Q14 e Q20 . Os
transístores Q18 e Q19 são alimentados pela fonte de corrente formada por
Q13A e polarizam os transístores de saída Q14 e Q20 , garantindo o
funcionamento em classe AB.
O transístor Q23 actua como um seguidor de emissor minimizando o efeito de
carga do andar de saída no segundo andar
Parâmetros dos transístor
npn, IS = 10−14 A, β = 200, VA = 125V
pnp, IS = 10−14 A, β = 50, VA = 50V
Transístores Q13A e Q13B respectivamente
ISA = 0.25x10−14 A, ISA = 0.75x10−14 A
Os Transístores de Saída têm áreas de junção Emissor-Base três vezes maiores
que o transístor standard.
– p. 8/2
Polarização do 741
Corrente de Polarização de Referência
BE11 −(−VEE )
IREF = VCC −VEB12 −V
R5
Sendo VCC = VEE = 15V ,
VBE11 = VEB12 ' 0.7V então IREF = 0.73mA.
Polarização do andar de entrada
Fonte de corrente Widlar
VT ln IIREF
= IC10 R4
C10
IC10 = 19µA
– p. 9/2
Polarização do 741
Polarização do andar de entrada
Por questões
de simetria IC1 = IC2 . Considerando
IC1 = I e β elevado, para os transístores
npn temos que IE3 = IE4 ' I. As
correntes de base de Q3 e Q4 são iguais
com um valor de I/ (βP + 1) ' I/βP
em que βP é o β dos transístores pnp.
2I
Então IC9 = 1+2/β
P
Se βP 1 então
2I ' IC10
Para o 741, IC10 = 19µA e então I ' 9.5µA
– p. 10/2
Polarização do 741
Polarização do andar de entrada
Os transístores Q1
até Q4 , Q8 e Q9 formam uma malha de
realimentação negativa que estabiliza o
valor de I em aproximadamente IC10 /2.
Considere então que I aumenta em
Q1 e Q2 . Aumentará a corrente em Q8 e
o mesmo acontecerá em Q9 . Mas como
IC10 permanece constante as correntes
de base de Q3 e Q4 tem que diminuir
fazendo diminuir as correntes de emissor dos mesmos. Logo a corrente I
também diminui o que contraria o efeito inicial do aumento de I.
– p. 11/2
Polarização do 741
Polarização do andar de entrada
Desprezando a corrente de base
de Q16 então IC6 ' I. Desprezando a
corrente de base de Q7 obtemos IC5 ' I.
A corrente de polarização
de Q7 pode ser determinada por
2
IC7 ' IE7 = β2IN + VBE6R+IR
3
em que βN é o β dos transístores npn.
Para calcular VBE6 usamos a relação
exponencial do transístor
VBE6 = VT ln IIS
Substituindo IS = 10−14 A e I = 9.5µA resulta em VBE6 = 517mV e
IC7 = 10.5µA
– p. 12/2
Polarização do 741
Corrente de Polarização de entrada no Amplificador Operacional
I
B2
IB = IB1 +I
=
2
βN
Para βN = 200 temos que IB = 47.5nA. Valor típico dum amplificador
operacional com entrada de transístores. No caso de entrada por FET este
valor é da ordem de picoamperes ou fentaamperes.
– p. 13/2
Polarização do 741
Polarização do segundo estágio
Se desprezarmos a corrente de base de Q23 vemos que a corrente de colector
de Q17 é aproximadamente igual à corrente fornecida por Q13B . Uma vez que
Q13B tem uma corrente de escala 0.75 vezes a de Q12 temos que
IC13B ' 0.75IREF em que se assume βP 1. Então IC13B = 550µA e
IC17 ' 550µA.
A tensão base-emissor de Q17 será
VBE17 = VT ln IC17
IS = 618mV
A corrente de colector de Q16 pode ser determinada de
BE17
IC16 ' IE16 = IB17 + IE17 R8R+V
9
Obtém-se IC16 = 16.2µA. Deve notar-se que a corrente de base de Q16 será
desprezável quando comparada com a corrente de polarização I.
– p. 14/2
Polarização do 741
Polarização do Andar de Saída
A figura mostra o andar de saída
com o circuito de protecção de curto
circuito omitido. A fonte de corrente
Q13A fornece a corrente de 0.25IREF ao
circuito composto por Q18 , Q19 e R10 .
Se desprezarmos as correntes de base de
Q14 e Q20 então a corrente de emissor
de Q23 será também igual a 0.25IREF
IC23 ' IE23 ' 0.25IREF = 180µA
A corrente de base de Q23 é só
180/50 = 3.6µA que é desprezável comparado com IC17 .
– p. 15/2
Polarização do 741
Polarização do Andar de Saída
Se VBE18 é aproximadamente 0.6V a corrente em R10 é 15µA.
Temos então que
IC18 = IE18 = 180 − 15 = 165µA
Com este valor de corrente temos que VBE18 = 588mV (através da formula
exponencial do transístor) que é próximo do valor assumido de 0.6V . A
corrente de base de Q18 é 165/200 = 0.8µA que pode ser somada à corrente
em R10 para determinar a corrente em Q19 como IC19 ' IE19 = 15.8µA. A
queda de tensão na junção base emissor de Q19 será
VBE19 = VT ln IC19
IS = 530mV
A tensão VCE18 que é igual
VCE18 = VBB = VBE18 +VBE19 = VBE14 +VEB20 = 588 + 530 = 1.118V
Podemos calcular a corrente de colector em Q14 e Q20 sabendo que
IC20
VBB = VT ln IIC14
+V
ln
T
IS20
S14
Atendendo que IS14 = IS20 = 3x10−14 A as correntes de colector serão
IC14 = IC20 = 154µA
– p. 16/2
Análise para pequenos sinais do 741
Andar Diferencial de Entrada
Atendendo
a que os colectores de Q1 e Q2 estão
ligados a uma tensão DC constante são
mostrados na figura ligados à massa.
A polarização de corrente constante
das bases de Q3 e Q4 é equivalente
para sinal às duas bases comuns
não estando ligadas a nenhum ponto.
O sinal diferencial vi aplicado entre os terminais de entrada aparece através
das quatro resistências de emissor de cada um dos transístores de Q1 , Q2 , Q3 e
Q4 . A corrente correspondente será
ie = 4rvie (1)
re = VIT = 25mV
9.5µA = 2.63KΩ
A resistência diferencial de entrada será
Rid = 4 (βN + 1) re = 2.1MΩ
considerando βN = 200.
– p. 17/2
Análise para pequenos sinais do 741
Andar
Diferencial de Entrada
Transcondutância
Desprezando a corrente
de sinal na base de Q7 a
corrente de sinal no colector
de Q5 é aproximadamente
igual à corrente αie .
Formando Q5 , Q6 e Q7 um
espelho aproximadamente simétrico a corrente em Q6 é também αie . Então a
corrente de saída io é
io = 2αie
(1)
De (1) e (1) do acetato anterior a transcondutância será
Gm1 = ivoi = 2rαe = 1/5.26mA/V
– p. 18/2
Análise para pequenos sinais do 741
Andar Diferencial de Entrada
Resistência de Saída
A resistência de saída Ro1 é o paralelo da
resistência de saída vista para dentro de Q4
e a resistência de saída de Q6 . Considera-se
que as bases comuns de Q3 e Q4
estão numa terra virtual (considerando que
o sinal de entrada é aplicado numa forma
complementar). Apesar de isto constituir
uma aproximação o erro cometido não é significativo. As figuras (a) e (b)
mostram como calcular estas resistências de saída. ro = VA /I
Ro4 = ro [1 + gm (re k rπ )] = 10.5MΩ
Ro6 = ro [1 + gm (R2 k rπ )] = 18.2MΩ
Ro1 = Ro4 k Ro6 = 6.7MΩ
– p. 19/2
Análise para pequenos sinais do 741
Andar Diferencial de Entrada
Circuito equivalente para sinal
O circuito equivalente
será utilizado para calcular
o ganho total do circuito.
– p. 20/2
Análise para pequenos sinais do 741
Segundo andar
Resistência de Entrada
Por inspecção do circuito da esquerda
Ri2 =
(β16 + 1) [re16 + R9 k ((β17 + 1) (re17 + R8 )) k ro16 ]
4MΩ
– p. 21/2
Análise para pequenos sinais do 741
Segundo andar
Resistência de Saída
Ro2 é obtido da
seguinte forma: Ro2 = (Ro13B k Ro17 ),
Ro13B = ro13B = 90.9KΩ
Considerando
a resistência da base de Q17
à massa (figura da direita) é pequena
Ro17 ' r017 [1 + gm (R8 k rπ17 )] = 787KΩ
Ro2 = (Ro13B k Ro17 ) ' 81KΩ
– p. 22/2
Análise para pequenos sinais do 741
Segundo Estágio
Transcondutância
Do circuito equivalente do segundo andar (figura da esquerda) a
transcondutância Gm2 é a razão da corrente em curto-circuito para a tensão de
entrada. Curto-Circuitando o terminal de saída à massa faz com que a corrente
de sinal na resistência de saída de Q13B seja nula. A corrente em curto-circuito
será igual à corrente de sinal do colector de Q17 (ic17 ). Podemos encontrar as
seguintes relações
(R9 kRi17 )
αvb17
ic17 = re17
v
=
v
Ri17 = (β17 + 1) (re17 + R8 )
i2
b17
+R8
(R9 kRi17 )+re16
Podemos combinar estas três equações para obtermos
Gm2 = ivc17
' 6.5mA/V
i2
O circuito da direita apresenta outro circuito equivalente de sinal ao segundo
andar.
– p. 23/2
Análise para pequenos sinais do 741
Andar de Saída
Resistência de Entrada
Vemos na figura
o circuito equivalente de
sinal do andar de saída em que está também representada a resistência de
carga RL e a resistência de saída do segundo estágio. A resistência Rin3 é a
resistência de entrada do andar de saída considerando o amplificador com uma
carga de RL . Supondo que Q20 está a conduzir 5mA. A resistência de entrada
vista para dentro da base de Q20 é aproximadamente β20 RL . Sendo β20 = 50
para RL = 2KΩ então a resistência de entrada de Q20 é 100KΩ. Esta
resistência aparece em paralelo com a resistência série de saída de Q13A
(ro13A ' 280KΩ) e a resistência do grupo Q18 − Q19 (160Ω - muito pequena).
Então a resistência total no emissor de Q23 é aproximadamente
(100KΩ k 280KΩ ' 74KΩ).
– p. 24/2
Análise para pequenos sinais do 741
Andar de Saída
Resistência de Entrada
Então Rin3 '
β23 [(β20 RL ) k ro13A ] ' 3.7MΩ
Como Rin3 Ro2 = 81KΩ
o efeito de carga do
andar de saída sobre o segundo
andar não é significativo.
– p. 25/2
Análise para pequenos sinais do 741
Andar de Saída
Ganho total
de tensão em Circuito aberto
Gvo3 = vvo2o '1
RL =∞
Devido ao facto de estarmos em presença de seguidores de emissor. Com
RL = ∞ a resistência no emissor de Q23 será muito grande. Isto significa que o
ganho de Q23 será quase unitária e a resistência de entrada de Q23 será muito
grande.
– p. 26/2
Análise para pequenos sinais do 741
Andar de Saída
Resistência de Saída
Ro2 é a resistência de
saída do segundo andar.
Assumindo que a tensão
de saída vO é negativa
e por isso Q20 está a
conduzir a maior parte da
corrente (consideramos
eliminado o transístor
Q14 ). O valor exacto
da resistência de saída
depende de qual transístor (Q14 ou Q20 ) está a conduzir e da corrente na carga.
A resistência vista para dentro de Q23 é
Ro2
Ro23 = β23
+1 + re23 ' 1.73KΩ
atendendo que Ro2 = 81KΩ, β23 = 50 e re23 = 25/0.18 = 139Ω
– p. 27/2
Análise para pequenos sinais do 741
Andar de Saída
Resistência de Saída
Considerando
que ro13A é muito
maior que Ro23 temos que
a resistência de saída é
Rout = βRo23
+ re20
20 +1
Para uma corrente
de saída de 5mA,
re20 = 5Ω e Rout = 39Ω
a que deve-se adicionar
a resistência de protecção
contra curto-circuitos de 27Ω. A resistência de saída do 741 é especificado
como tipicamente de 75Ω.
– p. 28/2
Análise para pequenos sinais do 741
Ganho Total de Pequeno Sinal
RL = 2KΩ
vi2 vo2 vo
RL
vo
=
=
−G
(R
k
R
)
(−G
R
)
G
m1
o1
i2
m2
o2
vo3
vi
vi vi2 vo2
RL +Rout = 243147V /V =
107.7dB
– p. 29/2