Operacioni transkonduktansni poja ava (Operational ...

of 46 /46
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA Operacioni transkonduktansni pojačavač (Operational Transconductance Amplifier – OTA)

Embed Size (px)

Transcript of Operacioni transkonduktansni poja ava (Operational ...

Microsoft PowerPoint - OTAx.pptx Operacioni transkonduktansni pojaava (Operational Transconductance Amplifier – OTA) predstavlja direktno spregnuti strujni izvor kontrolisan diferencijalnim naponom.
Transkonduktansni operacioni pojaava ima kao i standardni operacioni pojaava ima simetrian ulaz na koji se dovodi diferencijalni napon i asimetrian izlaz (izmeu izlaznog vora i mase). Pored tih prikljulaka OTA sadri i dodatni prikljuak za promenu struje polaricja iABC. Preko ovog ulaza menja se vrednost transkonduktanse.
Operacioni transkonduktansni pojaava
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Razlike izmeu operacinog pojaavaa i OTA
Za razliku od operacionog pojaavaa kod koga se ne moe podešavati
naponsko pojaanje OTA ima mogunost podešavanja transkonduktanse. Transkonduktansa se podešava promenom struje polarizacije (kod bipolarnih OTA) ili napona polarizacije (kod MOSFET OTA). U analitikom izrazu prenosne funkcije kola sa OTA pojavljuju se kao parametri i transkonduktanse operacionih pojaavaa. Ova osobina prua veu fleksibilnost prilikom projektovanja analognih kola.
Izlazna otpornost OTA je veoma velika (kod idealnog beskonana) jer se na izlazu ponaša kao strujni generator. Sa druge strane operacioni pojaava ima veoma malu izlaznu otpornost jer se na izlaznom pristupu ponaša kao naponski generator.
Svako linearno kolo koje sadri standaradni operacioni pojaava mora da sadri negativnu povratnu spregu. Prilikom realizacije linearnog kola koje sadri OTA nije neophodno uvoditi negativnu povratnu spregu.
Operacioni transkonduktansni pojaava
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
polarizacije IABC
Pojaava je idealno balansiran: Iout=0 kada je V-=V+
Propusni opseg je beskonaan ω0→∞
Operacioni transkonduktansni pojaava
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Karakteristike realnog OTA
Konana vrednost ulazne otpornosti Rul.
Nenulta vrednost izlazne otpornosti Riz.
Konana vrednost faktora potiskivanja CMRR.
Konana širina propusnog opsega (kao kod standaradnog O.P. u frekvencijskoj karakteristici postoji jedan dominantan pol). U ovom sluaju prenosna funkcija je transkonduktansa a ne naponsko pojaanje.
( ) a
Tri OTA unutar istog ipa: CA3060
OTA sa unapreenim perforamnsama dobijenim dodatnim baferima i diodama za linearizaciju (koriste se za poveanje dinamikog opsega): LM13600, LM13700, NE5517.
Operacioni transkonduktansni pojaava
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA8
sadri izvor konstantne struje
i D.
Q11, Q13 i Q14, Q4 i Q12. Strujno
ogledalo A (Q3 i Q11) preslikava struju
kolektora tranzistora Q1 u struju kolektora
tranzistora Q11. Strujno ogledalo D (Q13 i
Q14) preslikava struju kolektora Q11 u
struju tranzistora Q14. Strujno ogledalo B
(Q4 i Q12) preslikava struju kolektora Q2 u
struju tranzistora Q12.
izlazna struja bude jednaka razlici struja
kolektora tranzistora u diferencijalnom paru
Q1 i Q2.Pojednostavljena šema OTA na nivou tranzistora.
= −
= =
= = = −
=
= −
• Usled nelinearnosti strujno naponske karakteristike bipolarnog tranzistora ulazni
napon nebi trebao da predje vrednost od 25 mVp-p ukoliko se ele izbei nelinearna
izoblienja.
DC prenosna karakteristika
MOSFET diferencijalnog para
Transkonduktansa je nagib DC transfer karakteristike. Maksimalna nagib je za vd=0 i jednak je polovini transkonduktanse jednog tranzistora diferencijalnog para:
2
)1(
• Izraz za izlaznu struju proizilazi iz translinearnog principa.
• Podrazumeva se da je polarizacija realizovana na takav nain da je ID
jednosmerna struja, odnosno da je komponenta naizmenine struje kroz R3
zanemariva.
⋅ ⋅= 2
• Uvoenjem dioda za linearizaciju (D1 i D2) znaajno se poveava dinamiki
opseg ulaznog signala (maksimalna vrednost amplitude ulaznog napona za koju
OTA linearno pojaava signal).
• Struja polarizacije, IBIAS, koja odogovara struji jednosmernog izvora napajanja diferencijalnog
pojaavaa odreena je spoljnjim komponentama, naponom polarizacije VS i otpornikom RBIAS.
Struja koja tee kroz diode ID takoe zavisi od spoljnjih komponenata, napona polarizacije Vs i
otpronika RD. Strujama ID i IBAS definisana je vrednost transkonduktanse OTA.
BIAS
BESS
BIAS
Ukoliko kontura sadri iskljuivo translinearne elemente (komponente sa eksponenacijalnom
zavisnošu struje od napona – diode ili bipolarni tranzistori) koji se mogu podeliti u dve grupe,
grupu elemenata ija orjetnacija napona odgovara smeru kazaljke na satu i drugu grupu
translinearnih elemenata iji naponi su orjentisani u suprotnom smeru tada se moe uspostaviti
veza izmeu struja kroz elemente. Proizvod struja svih elemente iji su naponi orijentisane u
jednom pravcu jednak je proizvodu struja preostalih elmenata u konturi (iji su naponi
orjetisani u suprotnom smeru).
ββ
ββ
in
out
I
I
2
0rRout ⋅
= β
• U Wilson-ovom strujnom izvoru odnos izmeu ulazne i izlazne struje manje zavisi
od koeficijenta strujnog pojaanja, β. Ova injenica ima poseban posebn znaaj kada
se primenjuju pnp tranzistori.
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
dobila vea transkonduktansa.
vrednost za duinu kanala da bi se
dobilo vee pojaanje i manja
vrednost ofseta.
M1 M2
Operacioni transkonduktansni pojaava
• Kaskodni pojaava Odlikuje ga velika izlazna otpornost i pojaanje
• Preklopoljeni kaskodni pojaava (Folded cascode) projektuje se na isti nain kao
i obian kaskodni pojaava samo je nain polarizacije drugaiji. Prednost je što
izborom vrednosti napajanja VB moe da se postavi radna taka izlaznog tranzistora i
omogui vei dinamiki opseg.
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Izlazni stepen OTA
Operacioni transkonduktansni pojaava
• Kaskodni pojaava Prvi tranzistor Q1 je u sprezi sa zajednikim sorsom a drugi tranzistor Q2 u sprezi sa
zajednikim gejtom. Izlazna otpornost je znatno uveana u odnosu na obian
pojaava sa zajednikim sorsom: 201010 mgrrR ⋅⋅≈
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Izlazni stepen OTA
Operacioni transkonduktansni pojaava
• Preklopljeni kaskodni pojaava (Folded cascode)
Jedina razlika u odnosu na standardni kaskodni pojaava je u nainu polarizacije.
Ovakav nain polarizacije omoguava znatno vei dinamiki opseg. Koristi se u
sluaju kada je vrednost napajanja VDD mala.
Q1 je polarisan strujnom I1-I2
Q2 je polarisan strujnom I2
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Dvostepeni OTA (Milerov OTA)
Tranzistor M5 je u sprezi sa zajednikim sorsom koja ima veliku izlaznu
otpornost. Da bi se koristio 2-stepeni OTA u kolima sa povratnom
spregom neophodno je dodati kompenzacioni kondenzator CC ili
kompenzaciono kolo R+C.
Strujna ogledala omoguavaju da ID7=ID1 kao i ID6=ID2
M8 i M9 su povezani u sprezi sa zajednikim gejtom
M6 i M8 ine kaskodni pojaava
M7 i M9 ine drugi kaskodni pojaava
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Operacioni transkonduktansni pojaava
• M3 i M4 su povezani u sprezi sa zajednikim gejtom
• M5 i M6 imaju funkciju izvora konstantne struje
• M7-M10 strujno ogledalo koje polariše M3 i M4 i prevodi simetrian signal
na nesimetrian izlaz
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Lm
in
proporcionalno transkonduktansi gm.
Primene operacionih transkonduktansnih pojaavaa
Lm
in
• Granina frekvencija je veoma velika i jednaka priblino frekvenciji
jedininog pojaanja (gain bandwidth, GB): f3dB=GB
Primene operacionih transkonduktansnih pojaavaa
( )
• Postoji nelinearna zavisnost pojaanja od transkonduktanse.
• Istim kolom se moe dobiti i pozitivno i negativno pojaanje za odreene vrednosti
transkonduktanse gm
• Ukoliko se promene ulazni prikljuci ovim koliima se mogu realizovati velika pojaanja
za gm=1/R1.
2
10
m
m
mg R =
Kolo ne sadri pasivne komponente. Naponsko pojaanje i izlazna otpornost se mogu podešavati spoljnjim strujama
Primene operacionih transkonduktansnih pojaavaa
granina frekvencija direktno
srazmerna transkonduktansi gm.
granina frekvencija direktno
srazmerna transkonduktansi gm.
pojaanje moe podešavati promenom
frekvencija i jednosmerno pojaanje
sCg
g
V
V
m
m
in + =
2
10
C
2 3
U filterskoj sekciji prvog reda OTA oznaen sa Gm2 povezan je na takav nain da
pretstavlja otpornik kontrolisan naponom, R=1/gm2.
Primenom OTA moe se realizovati veliki broj razliitih konfiguracija aktivnih filtara.
Kod ovih filtara je mogue podešavati pojaanje, kritine frekvencije ili istovremeno
oba ova parametra. Postoji ak i mogunost da se promeni tip filtra kontinualnom
promenom transkonduktanse.
• Modulatori
Operacioni transkonduktansni pojaava
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Na slici je prikazan aktivni filtar drugog reda realizovan primenom dva OTA.
Odrediti tip prenosnih funkcija, moduo pola i Q faktor pola u sluaju kada je:
a) Vin =Va, Vb=Vc=0;
b) Vin =Vb, Va=Vc=0;
c) Vin =Vc, Va=Vb=0.
5.2. Zadatak
Am
( ) CRR
44
45
Transkonduktansni operacioni pojaava
Osnovna pitanja 1. Simbol OTA, razlike izmeu OTA i standardnog operacionog
pojaavaa. 2. Model idealnog transkonduktansnog operacionog pojaavaa i
osobine idealnog OTA. 3. Struktura transkonduktansnog operacionog pojaavaa.
Ostala pitanja
4. OTA bez dioda za linearizaciju, proraun transkonduktanse. 5. OTA sa diodama za linearizaciju, proraun transkonduktanse. 6. Dvostepeni Milerov OTA (elektrina šema). 7. Izlazni stepen OTA realizovanog u MOSFET tehnologiji (šeme