Apontamentos das aulas teóricas (parte1)

Electrónica III
Ano lectivo 2006/2007
Emanuel G.B.C. Martins
(Parte 1)
UNIVERSIDADE DE COIMBRA
FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores
versão 6 - 2006/11/30
1
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Programa:
Amplificadores de potência.
Amplificadores diferenciais.
Constituição interna de um amplificador operacional.
Realimentação Negativa em Amplificadores.
Estabilidade de amplificadores realimentados.
Filtros Activos.
Filtros de condensadores comutáveis.
Osciladores e Geradores de Sinais.
Geradores de pulsos.
Reguladores de tensão lineares e comutáveis.
Geradores de ruído.
2
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Bibliografia:
Mesmo livro de Electrónica I e II:
“Microelectronic Circuits”, 4th edition, Adel S. Sedra, Kenneth C.
Smith, Oxford University Press, 1998.
- CD com EWB e exemplos com respectivas simulações.
5ª edição do mesmo livro (2003):
- CD com PSPICE e simulações em SPICE.
“Microelectronics”, Millman, McGraw Hill
… e outros.
3
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores de potência
- Amplificadores de tensão (revisão) e de potência.
- Classificação de estágios de saída: A, B, AB, C e D.
- Saída classe A, análise de potência e eficiência.
- Saída classe B.
- Saída classe AB. Polarização dos transístores.
- Multiplicador de VBE.
- Variações da configuração da classe AB.
- Potência dissipada e eficiência do amplificador classe B/AB.
- Dissipação de potência em semicondutores. Resistência térmica.
Dissipadores.
- Operação com fonte simples.
4
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores de potência
- Amplificadores de tensão (revisão) e de potência.
Amplificador BJT emissor comum,
amplificador de tensão básico
Amplificador BJT colector comum,
amplificador de potência básico
Um OpAmp (AmpOp) é um amplificador de tensão, não serve como
amplificador de potência!!!!!!!
Objectivo: Amplificar potência, basta ganho de tensão unitário (≅ 1)
5
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores de potência
- Classificação de estágios de saída: A, B, AB, C e D.
Saída classe A
Saída classe B
Figura quadro
Saída classe AB
Saída classe C
Saída classe D
6
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores de potência
- Classificação de estágios de saída: A, B, AB, C e D.
Estágio de saída classe A
- O transístor trabalha sempre na zona activa.
- Baixa distorção harmónica.
- Usado em amplificação de sinais de baixa potência.
Estágio de saída classe B
- O transístor só conduz numa das “polaridades”
- Problemas com harmónicos, distorção de cross-over.
Estágio de saída classe AB
- O transístor conduz numa das “polaridades” e parcialmente noutra
- Minimiza a distorção do amplificador classe B.
- Andares de saída push-pull, amplificadores de potência.
- Amplificadores de áudio e de vídeo.
7
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores de potência
- Classificação de estágios de saída: A, B, AB, C e D.
Estágio de saída classe C
- O transístor só parcialmente numa das polaridades.
- O objectivo é gerar harmónicos, indesejáveis em amplificação HiFi.
- Utilizado para amplificar sinais RF.
Estágio de saída classe D
- O transístor é um comutador on/off de alta-rapidez, tipicamente MOSFET.
- A linearização do sinal é conseguida com filtro de indutor (bobina) e
condensador.
- A eficiência do amplificador é a melhor de todas, conseguindo grandes
potências em equipamentos muito pequenos.
- O controlo do amplificador classe D é digital, ao contrário de todas as outras
classes de amplificadores.
- Obriga a um processamento digital de sinal.
- Necessita de transístores de comutação muito rápidos (>20MHz).
- Só recentemente é que a tecnologia começou a ser viável.
8
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores de potência
- Saída classe A, análise de potência e eficiência.
- Seguidor de emissor, só com resistência de emissor (mau)
- Seguidor de emissor, com fonte de corrente no emissor (melhor):
Fig. 9.2
- Potência fornecida pela fonte com saída = 0V.
- Potência gasta na resistência de emissor.
- Fonte de corrente no emissor para reduzir gasto de potência.
- Fonte de corrente feita com espelho de corrente e sua ineficiência.
- Espelho de corrente com corrente de programação de 1/10 (melhor!)
9
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores de potência
- Saída classe B.
- Configuração Push-Pull classe B (Fig. 9.5).
- Característica de transferência (distorção de “crossover”, Fig. 9.6 e 9.7).
- Reduzir a distorção de Crossover com realimentação (Fig. 9.9),
restrição devido a “slew-rate” do ampop.
10
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores de potência
- Saída classe AB. Polarização dos transístores.
- Polarização do andar push-pull, circuito ideal (Fig. 9.11).
- Polarização do andar push-pull com fonte de corrente e díodos (Fig. 9.14)
- Dimensionar fonte de corrente.
- Detalhes de projecto do espelho de corrente.
- Impedância de entrada do andar AB.
- Multiplicador de VBE (Fig. 9.15).
11
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores de potência
- Variações da configuração da classe AB.
- Configuração de saída Darlington.
- Resistências de emissor para impedir embalo térmico.
- Circuito de protecção contra curto-circuito (Fig. 9.28)
12
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores de potência
- Potência dissipada e eficiência do amplificador classe B/AB.
- Potência dissipada na carga.
- Potência fornecida pela fonte.
- Potência dissipada nos transístores.
- Dissipação de potência em semicondutores. Resistência térmica. Dissipadores.
- Temperatura de Junção máxima. Resistência térmica.
TJ – TA = θJA PD
- Potência máxima em função da temperatura.
- O que é a temperatura do ambiente circundante?
- Quando é que se torna necessário o dissipador?
13
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores de potência
- Operação com fonte simples.
- Deixa de haver –Vcc, 0V e +Vcc
- Fonte Simples: só OV e Vcc
- Os 0V “virtuais” passam a ser Vcc/2
- Pode colocar-se um condensador à saída para eliminar a componente DC
com Vcc/2.
- A maioria dos esquemas de fontes duplas pode ser convertido para fonte
simples.
Fig. 9.10
14
Lições e vídeos sobre Engenharia Electrotécnica na WEB
http://ocw.mit.edu/index.html
Seleccionem “Electrical Enginering”
15
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
(capítulo 6 do livro “Microelectronic circuits”, 4th edition)
- Par diferencial com BJTs, suas aplicações.
- Análise qualitativa para grandes sinais: ganho em modo comum,
resposta não linear a sinais diferenciais.
- Análise para pequenos sinais, ganho diferencial.
- CMRR (Common Mode Rejection Ratio).
- A tensão de offset (desvio). Correntes de polarização e de offset.
- Vários tipos de espelhos de corrente.
- Carga activa.
- Par diferencial com transístores MOS.
- Amplificador diferencial multiestágio.
- Amplificador de diferença feito com Amp-Ops.
16
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
- Par diferencial com BJTs, suas aplicações
- Par diferencial é um “building block”
de muitos circuitos:
- Ampops, comparadores;
- ADCs, analog circuits;
-…
- Ganho diferencial
17
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
- Análise qualitativa para grandes sinais: ganho em modo comum
- PFR quando vB1 = vB2
- vO = f(vB1)
- Ganho em modo comum, ACM
- RE resistivo
- Fonte de corrente ideal
- Fonte de corrente real
18
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
- Análise qualitativa para grandes sinais: resposta não linear a sinais
diferenciais.
- Ganho diferencial para grandes
sinais. vB1>>vB2. , vB2>>vB1
- vO = f(vd)
19
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
- Análise para pequenos sinais, ganho diferencial
20
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
- CMRR (Common Mode Rejection Ratio).
- O mais importante num amplificador diferencial não é Ad mas sim a razão
entre Ad e ACM.
 A 
CMRR = 20 × log10  d 
 Acm 
- O CMRR permite aferir o mérito de cada amplificador diferencial.
21
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
- A tensão de offset (desvio). Correntes de polarização e de offset.
Tensão de offset (Secção 6.3 do livro)
- Uma ligeira diferença entre as 2 resistências de colector do par diferencial
provoca o aparecimento de uma tensão diferencial VC1-VC2, que pode ser
compensada nas bases do par diferencial.
Fig. 6.13 (a) e Fig. 6.13(b)
- Uma ligeira diferença entre as características dos 2 transístores tem o
mesmo impacto, o aparecimento de uma “tensão de offset”.
Corrente de polarização “Corrente de offset”
Se I=1mA e β=100 então IB=5 µA!
I /2
I B1 = I B 2 =
β +1
- Se houver um “mismatch” (desemparelhamento) entre os transístores, então
faz-se sentir o efeito de uma “corrente de offset”.
22
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
- Vários tipos de espelhos de corrente.
Problemas do espelho de corrente simples
Fig. 6.16
Em vez de IO=IREF, como seria de esperar, IO=IREF/(1+2/ β)
Espelhos de corrente com várias saídas
Fig. 6.18
A diferença entre IO e IREF é maior: IO=IREF/(1+(N+1)/ β)
Espelho de corrente com compensação da corrente na base
Fig. 6.19
IO=IREF/(1+(N+1)/ β2)
23
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
- Vários tipos de espelhos de corrente (continuação).
Fonte de corrente de Widlar
Fig. 6.21
. . . Ver exemplo 6.2 do livro
24
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
- Carga activa
- RC muito elevado ⇒ ganho elevado
- Não necessita de resistências, só
transístores!
25
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
- Par diferencial com transístores MOS.
Expressão de base para deduzir o ganho diferencial iD = ½ kn W/L (VGS-Vt)2
Kn = µnCox = parâmetro de transcondutância
W = largura do canal
L = Comprimento do canal
Vt = Threshold voltage (1 a 3V), controlada durante o fabrico
iD versus vd …. (ver Fig. 6.30, acima)
26
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
- Amplificador diferencial multiestágio.
Fig. 6.24 (ao lado), ou
Fig. 6.46, ou
exemplo 6.5
(simulação SPICE)
27
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Amplificadores diferenciais
- Amplificador de diferença feito com Amp-Op.
Como amplificar por K a diferença entre 2 tensões?
Amplificador de diferença:
vO = −
R2
1 + R2 / R1
v1 +
v2
R1
1 + R3 / R4
Se R2/R1 = K e R3/R4 = 1/K então:
vO = K (v2 − v1 )
28
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Constituição interna de um amplificador operacional.
(capítulo 10 do livro “Microelectronic circuits”, 4th edition)
- O esquema do “op-amp” 741.
- Análise dos vários blocos do circuito do 741
- Limites da tensão de saída do 741
- Constituição de um Amp-Op CMOS simples de 2 estágios
29
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Constituição interna de um amplificador operacional.
- O esquema do “op-amp” 741.
30
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Constituição interna de um amplificador operacional
- Análise dos vários blocos do circuito do 741
- Correntes de polarização
- Estágio de entrada
Amplificação diferencial, compensação de offset
- Segundo estágio
- Amplificação de corrente e tensão
- Estágio de saída
- “Push pull”
- Circuito de protecção de curto-circuitos
31
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Constituição interna de um amplificador operacional
- Limites da tensão de saída do 741
vomax = VCC – VCE_SAT(Q13A) – VBE(Q14) ≅ VCC – 0,3 – 0,6 = VCC -0,9V
vomin = -VEE + VCE_SAT(Q17) + VEB(Q23) + VEB(Q20) ≅ -VEE + 0,3 + 1,2 ⇔
vomin = -VEE + 1,5V
32
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Constituição interna de um amplificador operacional
- Constituição de um Amp-Op CMOS simples de 2 estágios
- Corrente de referência
- Espelho de corrente
- Par diferencial
- Carga activa
- Push-pull à saída
(Pg. 841)
33
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Circuitos com amplificadores operacionais
(ver datasheet do “LM158/LM258/LM358/…” National Semiconductor, Nov 2005)
- Circuitos lineares simples com amplificadores operacionais
- Circuitos não-lineares simples com amplificadores operacionais
- Conversor Digital Analógico (DAC)
- Outros circuitos com Amp-Ops
34
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Circuitos com amplificadores operacionais
- Circuitos mais simples com Amp-Ops
(ver datasheet do “LM158/LM258/LM358/…” National Semiconductor, Nov 2005)
Circuitos simples lineares
- Amplificador não-inversor.
- Somador de tensões (erro no datasheet de 2000 !!! Vo = V1 + V2 – V3 –V4)
- Amplificador de potência
- Fontes de corrente fixa
- Medidor de corrente
- Seguidor de tensão, Voltage Follower , buffer (ganho =1)
- Fonte de corrente controlada por tensão
- Amplificador com acoplamento AC
- Amplificador diferença (não está no datasheet, ver umas páginas atrás)
- Referenciar aos 0V uma tensão diferencial
- Amplificador diferença de alta impedância (erro no datasheet de 2000 e 2005!! )
- Amplificador de instrumentação, com Hi-Z (alta impedância) (datasheet LMV931)
- Amplificador de instrumentação, com ganho ajustável
35
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Circuitos com amplificadores operacionais
- Circuitos mais simples com Amp-Ops (2)
(ver datasheet do “LM158/LM258/LM358/…” National Semiconductor, Nov 2005)
Circuitos simples lineares (continuação)
- Integrador (fazer esquema no quadro)
- Diferenciador (fazer esquema no quadro)
- “Resistência negativa” (fazer esquema no quadro)
- Simulador de Indutância recorrendo a Amp-Op, C e R.
≅
Circuitos simples não-lineares
- Rectificador ideal (Fazer esquema no quadro)
- Detector de pico (LM158.pdf)
- Comparador (Fazer esquema no quadro)
36
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Circuitos com amplificadores operacionais
- Conversor Digital Analógico (DAC)
Notas:
- S1 a SN são saídas CMOS
- Exemplo com montagem inversora.
37
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Circuitos com amplificadores operacionais
- Outros circuitos com Amp-Ops
Listagem de outros circuitos estudados mais à frente (conhecer teoria 1º):
- Filtros activos (vários: “Bi-quad”, VCVS, …)
- Osciladores sinusoidais
- Comparador com histerese
- Gerador de onda quadrada, gerador de onda rectangular
- Geradores de pulsos.
- VCO (Voltage Controlled Oscilator).
- Regulador de tensão.
38
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
(capítulo 8 do livro “Microelectronic circuits”, 4th edition)
(Anexo B do mesmo livro)
- Estrutura Geral
- Propriedades
- As 4 topologias de realimentação
- A topologia series-shunt (tensão-série)
- A topologia shunt-series (corrente-paralelo)
- A topologia series-series (corrente-série)
- A topologia shunt-shunt (tensão-paralelo)
- Resumo dos parâmetros de realimentação das 4 topologias
- Sumário das relações para as 4 topologias de realimentação
39
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- Estrutura geral
- Estrutura geral do amplificador com realimentação negativa
Af = ganho em malha fechada
Aβ = “loop gain” = ganho da malha
A = ganho em malha aberta
xO
A
Af =
=
xS 1 + Aβ
40
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- Propriedades
Af =
xO
A
=
xS 1 + Aβ
- Tornar o ganho insensível a valor de todos componentes do circuito
Aβ >> 1 ⇒ Af = 1/ β
- Reduzir distorção linear
Mesmo que A tenha comportamento não linear Aβ >> 1 ⇒ Af = 1/ β
- Reduzir o impacto do ruído
Mesmo que haja ruído, a realimentação negativa tende a reduzi-lo
- Controlar a impedância de entrada e de saída do amplificador
- Permite “aumentar” a largura de banda do amplificador
41
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- As 4 topologias de realimentação
42
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- As 4 topologias de realimentação (2)
(a) Tensão-série
“Series-shunt”
y = tensão
x = tensão
A = ganho em tensão
β = feedback em tensão
(b) Corrente-paralelo
“Shunt-series”
y = corrente
x = corrente
A = ganho em corrente
β = feedback em corrente
(c) Corrente-série
“Series-series”
y = corrente
x = tensão
A = ganho de transcondutância
β = feedback de transresistência
(d) Tensão-paralelo
“Shunt-shunt”
y = tensão
x = corrente
A = ganho de transresistência
β = feedback de transcondutância
A
y=
x
1 + Aβ
43
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-shunt (tensão-série)
Rif =?
Rif = Vif/Iif
Rif = Ri ×(1+Aβ)
Rof = ?
Rof = Vt / I (Vi=0)
Rof = Ro/(1+Aβ)
Af = ?
Af = Vo / Vs = A / (1+Aβ)
44
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-shunt (tensão-série) (2) Como calcular Rof?
Rof = Vt / I (Vi=0)
- Faz-se Vi=0
- Usa-se uma tensão de teste Vt
- Calcula-se a corrente I resultante
45
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-shunt (tensão-série) (3)
Esquema da topologia series-shunt
Substituição do “Circuito β” de
realimentação por parâmetros h
46
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-shunt (tensão-série) (4)
“Circuito β”, de realimentação,
modelizado por parâmetros h - Negligenciado h21
- h11 passa a fazer parte de Ri
- h22 é acrescentado ao “Circuito A”
47
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-shunt (tensão-série) (5)
Regras para calcular parâmetros h
Equações:
V1 = h11*I1 + h12*V2
I2 = h21*I1 + h22*V2
R11 = h11 = V1 / I1 quando V2 = 0
h12 = V1 / V2 quando I1 = 0
h21 = I2 / I1 quando V2 = 0
1/R22 = h22 = I2/V2 quando I1 = 0
48
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-shunt (tensão-série) (6)
Regras para calcular parâmetros h
( Anexo B do livro)
V1   h11
 I  = h
 2   21
h12   I1 
× 

h22  V2 
49
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-shunt (tensão-série) (7)
- Identificar as componentes internas do
“circuito A” e “Circuito β”.
- passar o “Circuito β” a parâmetros h
- Movem-se os parâmetros para as
posições todos os componentes se
enquadrem na topologia series-shunt
- Só a partir deste momento é que se
pode calcular com exactidão:
- Rif
- Rof
- Af
50
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-series (corrente-série)
O circuito de realimentação amostra a
corrente de saída.
A comparação à entrada é feita em tensão.
- β é uma transresistência (I V)
- A é uma transcondutância (V I)
Rif =?
Rif = Vif/Iif
Rif = Ri ×(1+Aβ)
Rof = ?
Rof = V / If (Vi=0)
Rof = (1+Aβ)*Ro Aumenta!!!
Af = ?
Af = Io/Vs = A / (1+Aβ)
51
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-series (corrente-série) (2) Como calcular Rof?
Rof = V / It (Vi=0)
- Faz-se Vi=0
- Usa-se uma corrente de teste It
- Calcula-se a tensão V resultante
52
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-series (corrente-série) (3)
Esquema da topologia series-shunt
Substituição do “Circuito β” de
realimentação por parâmetros z
53
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-series (corrente-série) (4)
“Circuito β”, de realimentação,
modelizado por parâmetros z - Negligenciado z21
- z11 passa a fazer parte de Ri
- z22 é acrescentado ao “Circuito A”
54
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-series (corrente-série) (5)
Regras para calcular parâmetros z
Equações:
V1 = z11*I1 + z12*I2
V2 = z21*I1 + z22*I2
55
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-series (corrente-série) (6)
Regras para calcular parâmetros z
( Anexo B do livro)
V1   z11
V  =  z
 2   21
z12   I1 
× 

z 22   I 2 
56
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-series (corrente-série) (7)
57
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia series-series (corrente-série) (8)
58
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia shunt-shunt (tensão-paralelo)
O circuito de realimentação amostra a tensão
de saída.
A comparação à entrada é feita em corrente.
- β é uma transcondutância (V I)
- A é uma transresistência (I V)
Rif =?
Rif = Vif/Iif
Rif = Ri/(1+Aβ) Diminui!!!!!!
Rof = ?
Rof = V / If (Vi=0)
Rof = Ro/ (1+Aβ)
Af = ?
Af = Vo/Is = A / (1+Aβ)
59
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia shunt-shunt (tensão-paralelo) (2)
Regras para calcular parâmetros y
( Anexo B do livro)
60
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia shunt-shunt (tensão-paralelo) (3)
61
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia shunt-shunt (tensão-paralelo) (4)
62
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia shunt-shunt (tensão-paralelo) (5)
63
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia shunt-series (corrente-paralelo)
O circuito de realimentação amostra a corrente
de saída.
A comparação à entrada é feita em corrente.
- β é um ganho em corrente (I I)
- A é um ganho em corente (I I)
Rif =?
Rif = Vif/Iif
Rif = Ri /(1+Aβ) Diminui!!!!
Rof = ?
Rof = V / If (Vi=0)
Rof = (1+Aβ)*Ro Aumenta!!!
Af = ?
Af = Io/Is = A / (1+Aβ)
64
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia shunt-series (corrente-paralelo) (2)
Regras para calcular parâmetros g
( Anexo B do livro)
 I1   g11
V  =  g
 2   21
g12  V1 
× 

g 22   I 2 
65
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- A topologia shunt-series (corrente-paralelo) (3)
66
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- Resumo dos parâmetros de realimentação das 4 topologias
67
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Realimentação Negativa em Amplificadores
- Sumário das relações para as 4 topologias de realimentação
68
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
69
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
- Efeito da realimentação nos pólos de um amplificador
70
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
- Relação entre a localização dos pólos no plano s e a resposta transitória
71
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
- Amplificadores realimentados e com 1 pólo
72
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
- Efeito da realimentação na largura de banda do amplificador.
73
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
- Lugar das raízes de um amplificador realimentado com 2 pólos
74
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
- Equação de 2ª ordem e localização dos pólos.
75
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
- Implementação de uma função de transferência de 2ª ordem
76
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
- Relação entre K, Q e ωo
77
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
- Lugar das raízes para um amplificador realimentado e com 3 pólos.
78
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
- Margem de ganho e margem de fase
79
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
- Análise da estabilidade usando digrama de Bode
80
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Estabilidade de amplificadores realimentados
- Compensação recorrendo a deslocação do pólo ou introdução de pólo.
81
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
(capítulo 11 do livro “Microelectronic circuits”, 4th edition)
(ver também AN779 da National)
Como obter as funções de transferência:
- Características ideais dos 4 filtros principais.
- Variação máxima aceitável na banda de transição (ripple),
a banda de transição, atenuação mínima desejada na banda de rejeição.
- Filtro passa-banda, especificação do filtro.
- Função de transferência de um filtro.
- Localização aproximada de pólos e zeros de um filtro.
- Filtro passa-baixo de Butterworth
- Filtro passa-baixo de Chebyshev
- Implementação de filtros de 1ª ordem
- Funções de transferência de filtros de 2ª ordem
- Filtros biquadráticos de 2ª ordem KHN e Tow-Thomas.
- Filtros Sallen-Key
82
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Características ideais dos 4 filtros principais
83
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Variação máxima aceitável na banda de transição (ripple),
a banda de transição, atenuação mínima desejada na banda de rejeição.
84
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro passa-banda, especificação do filtro.
85
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Função de transferência de um filtro.
86
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Localização aproximada de pólos e zeros de um filtro.
87
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro passa-baixo só com pólos
88
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro de Butterworth, função de transferência
89
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro de Butterworth, resposta em função da ordem do filtro
90
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro de Butterworth, localização dos pólos.
91
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro de Butterworth, exemplo de projecto da função T(s)
92
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro de Chebyshev, função de transferência e seu esboço.
93
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro de Chebyshev, como obter os pólos.
94
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro de Chebyshev, como calcular função de transferência
95
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Realização de filtros de 1ª ordem
96
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtros de 2ª ordem
97
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtros de 2ª ordem, funções de transferência
98
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
-
99
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtros passivos com L, C e R
- Usar um divisor de tensão com
impedâncias para implementar a
função de transferência:
Z 2 (s )
T (s ) =
Z 2 (s ) + Z 1 (s )
ZC = 1/(sC), ZL = sL
- Exemplo: LPF (low pass filter)
T (s ) =
R // Z C
=
R // Z C + Z L
1
R×
sC
=
=
1
1
+ sL( R + )
sC
sC
1 / LC
= 2
s + (1 / LC ) /( R / L) × s + (1 / LC )
R×
100
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro biquadrático feito com malha de 2 integradores.
- Filtro “Biquad”
- diagrama de blocos com
integradores, somadores e
amplificação simples.
101
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro biquadrático feito com malha de 2 integradores.
Circuito Biquad KHN:
ω0 = 1/RC
R3 / R 2 + 1
Q=
2
K= 2 – (1/Q)
é forçado!!!
R3/R2=2Q-1
Rf/R1=1
102
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro biquadrático feito com malha de 2 integradores. (2)
Exemplo de filtro de 2ª ordem tipo Biquad KHN implementado por integrado de
condensadores comutados MF10 da National
103
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro Biquad Tow-Thomas
- Rearranjo do diagrama de blocos para usar apenas amplificadores simples,
dispensando o amplificador de somas.
104
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtro Biquad Tow-Thomas feedforward
- Com o correcto rearranjo de R1, C1, R2 e R3, pode-se fazer qualquer filtro
de 2ª ordem sem necessitar de um 4º amplificador somador para
implementar os vários tipos de filtro.
105
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Simulador de indutância de Antoniou.
- Este circuito permite simular uma
indutância recorrendo apenas a 2
ampops, resistências e
condensadores.
- O valor da indutância é:
C4×R1×R3×R5/R2
- O circuito permite implementar
indutâncias dentro de um circuito
integrado.
- Os indutores tipicamente são
volumosos, obrigam a uma
construção por enrolamento
mecânico com fio isolado, têm
perdas, têm correntes limites de
funcionamento e são caros em
quantidade.
106
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Simulador de indutância de Antoniou: Implementação de um ressonador LCR.
107
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Simulador de indutância de Antoniou: Filtros passa-alto e passa-baixo LCR.
- Filtro passa-baixo (LPF)
LCR implementado com
simulador de indutância.
- Filtro.passa-alto (HPF)
LCR implementado com
simulador de indutância.
108
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtros de Sallen-Key, filtro de 2ª ordem implementados com 1 ampop
http://en.wikipedia.org/wiki/Sallen_Key_filter
Sallen Key filter
From Wikipedia, the free encyclopedia
A Sallen and Key filter is a type of active filter, particularly valued for its simplicity.
The circuit produces a 2-pole (12dB/octave) lowpass or highpass response using two
resistors, two capacitors and a unity-gain buffer amplifier. Higher-order filters can be
obtained by cascading two or more stages. This filter topology is also known as a
voltage controlled voltage source (VCVS) filter. It was introduced by R.P. Sallen
and E. L. Key of MIT's Lincoln Laboratory in 1955.
Although the filters depicted here have a passband gain of 1 (or 0 dB), not all Sallen
and Key filters have a gain of 1 in the passband. Additional resistors can be added to
the op-amp making a non-inverting amplifier with gain greater than 1. Sallen Key filters
are relatively resilient to component tolerance, although obtaining high Q factor may
require extreme component values or higher gain in the non-inverting amplifier.
109
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtros de Sallen-Key
http://www.analog.com/Analog_Root/static/techSupport/designTools/interactiveTools/filter/filter.html
Uma applet que ajuda a projectar filtros de ordem N:
- tipo Butterworth, Chebyshev, outros.
- circuitos biquad KHN, Sallen-Key, outros.
Filtros de Sallen-Key com 4 impedâncias (ou 4 admitâncias)
VO (s )
K ⋅ Y1 ⋅ Y4
= H (s ) =
VI ( s )
Y5 ⋅ (Y1 + Y2 + Y4 ) + Y4 ⋅ [Y1 + Y2 (1 − K )]
110
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtros de 2ª ordem Sallen-Key, Filtro passa-alto (HPF)
111
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtros de 2ª ordem Sallen-Key, Filtro passa-alto (HPF) (2)
Projecto simplificado:
Y1 = sC, Y2 = 1/R, Y4 = sC, Y5 = 1/R
H (s ) =
Projecto generalizado:
Y1 ≠ Y4, Y2 ≠ Y5
K ⋅ sC ⋅ sC
=
1 / R ⋅ (sC + 1 / R + sC ) + sC ⋅ [sC + 1 / R(1 − K )]
Ks 2 ( RC ) 2
=
=
2 sRC + 1 + s 2 ( RC ) 2 + sRC (1 − K )
Ks 2
=
s2 + s
ω0
Q
1
RC
1
Q=
3− K
+ (ω O ) 2
ω0 =
112
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtros de 2ª ordem Sallen-Key, Filtro passa-baixo (LPF)
113
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtros de 2ª ordem Sallen-Key, Filtro passa-baixo (LPF) (2)
Y1 = 1/R, Y2 = sC, Y4 = 1/R, Y5 = sC
H (s ) =
Projecto generalizado:
Y1 ≠ Y4, Y2 ≠ Y5
K ⋅1/ R ⋅1/ R
=
sC ⋅ (1 / R + sC + 1 / R ) + 1 / R ⋅ [1 / R + sC (1 − K )]
K (ω O ) 2
= 2
=
s + 2 s / RC + 1 /( RC ) 2 + (1 − K ) s / RC
K
=
ω
s 2 + s 0 + (ω O ) 2
Q
1
ω0 =
RC
1
Q=
3− K
114
Electrónica III – Ano Lectivo 2006/2007
Filtros Activos
- Filtros de 2ª ordem Sallen-Key, Filtro passa-banda
Exemplo:
115