CIRCUITE INTEGRATEANALOGICELecture 4*

Circuite integrate analogice cu AO Circuite de logaritmare si antilogaritmare (Convertoare logaritmice si antilogaritmice)

Contin AO si dispozitive electronice cu caracteristica antilogaritmica de tipul io=exp(vi)Cel mai folosit este tranzistorul bipolar JUSTIFICARE Ecuatia Ebers-Moll iC=IS[exp(vBE/VT)-1] ( IS / R)[exp(vBC/VT)-1] Pentru vBC=0 iC=IS[exp(vBE/VT) sau vBE=VTln(iC/IS)*

Principiu de functionarevo=-vBE vBE=VTln(iC/IS)iC = iR =vS/R

vo=-VTln[vS/(ISR)]Convertor logaritmicConvertor antilogaritmic vo=RiR vS=-vBE iR = iC=IS[exp(vBE/VT)

vO=RIS[exp(-vS/VT)]

*

+

-

ir

vBE

vs

ic

R

vo

+

-

ir

vBE

vs>0

R

C

ic

R

vo

Comentarii Realizarea functiile log si antilog implica valabilitatea ecuatiei EM iC>1nA pentru a putea neglija recombinarile din baza iC

Comentarii continuare S-a neglijat curentul de intrare in AO.Daca schemele lucreaza cu ic mic Ao cu etaj de intare realizat cu FET (iI=1 pA)

Circuitul logaritmator poate oscila.Pentru a asigura o buna stabilitate se introduce un rezistor R in serie cu iesirea si un capacitor C

*

+

-

ir

vBE

vs>0

R

C

ic

R

vo

Exemplu de schema de convertor logaritmicAdmitem tranzistoarele Q1 si Q2 identice (IS1=IS2)

vO =?

*

Q1

RT

vo

vs>0

+

-

R1

+

-

AO2

AO1

Q2

R

Iref

Exemplu de schema de convertor logaritmiciRT = (vBE2- vBE1 )/RT = VTln[(iC2/iC1) (IS1/IS2)]/RTiC2= IrefiC1 =vS/R vO =(R 1+RT )iRT

vO =VT [(R1 + RT )/RT ]ln (Iref R/vS ) daca IS1=IS2

Functioneaza bine numai daca vS >0Ce se intampla daca vS 0

+

-

R1

+

-

AO2

AO1

Q2

R

Iref

Exemplu de schema de convertor logaritmicFunctioneaza bine numai daca vS >0Ce se intampla daca vS BVBEPentru a proteja Q1 se introduce dioda D care limiteaza vO1 la VD in caz de inversare accidentala a tensiunii de intrare

*

Q1

RT

vo

vs>0

+

-

R

R1

+

-

AO2

AO1

Q2

R

Iref

Q1

RT

vo

vs>0

+

-

R1

+

-

AO2

AO1

Q2

R

Iref

Aplicatii ale convertoarelor log si antilog1.Ridicarea la o putere

Se bazeaza pe identitatea

*

Circuit de anti- logaritmare

Amplificator

cu castig n

Circuit de logaritmare

vi

n ln vi

ln vi

vi

n

Aplicatii ale convertoarelor log si antilog- continuare2.Multiplicarea vO= kv1 v2

Se bazeaza pe identitatea elnx+lny =xy

3.Divizarea vO= kv1 / v2 Daca in loc de a realiza suma logaritmilor se realizeaza diferenta lor rezulta lnv1 ln v2 si prin antilogaritmare se obtine vO= kv1 / v2

*

-log v1

v2

v1

R

-

+

log v1 +

+ log v2

vo =kv1v2

-

+

-

-log v2

+

-

+

R

R

Circuite multifunctionalevBE1+ vBE2= vBE4 + vBE3 VT [ln( iC1 /IS) + ln( iC2 /IS)]= VT [ln( iC4 /IS) + ln( iC3/IS)] iC1 = i 1 iC2= i2 iC3= i3 iC4= i 4

Pot realiza diverse operatii fie multiplicarea,fie divizarea, fie extragerea radacinii patrate etcExemplu: RC4200(Raytheon)Admitem:-Tranzistoare identice-AO identicei 1 i2 = i3 i 4*

vBE3

vBE4

Q1

Q2

Q3

Q4

A1

A2

A4

i4

i3

vBE2

i1

i2

vBE1

RC4200-exemple de utilizareUtilizare ca multiplicator*

vR/R2

+

-

RC 4200

vR/R2

Ro

R2

R2

R1

R1

R1

R2

R1

R2

vY

vX

vR

vO

IO

i3

i4

i2

i1

vY/R1

vX/R1

vR/R2

vR/R2

vY/R1

vX/R1

RC4200-exemple de utilizare-continuare 1Observatie: toti curentii i1 i4 trebuie sa fie pozitivi

Intrebare Daca valoarea maxima a curentilor i1 i4 este de 1 ma, R1= R2 =R3 =R4=20k si VR=10V care este domeniul admisibil pentru tensiunile vX si vY ? 0< i1 ,i2

RC4200-exemple de utilizare-continuare 2Utilizare ca divizor

vO = i3 Roi3 =(i1 i2 )/i4 =(vX/R1) (vR/R2) (R4/vz)Deci vO =(RoR4)/(R1 R2)(vR)(vX/vZ) vX >0 vZ >0 -divizor intr-un cadran

*

I3

RC 4200

A3

VO

RO

R4

VZ

I1= VX/R1

R2

R1

VR

VX

I2= VR/R2

I4= VZ/R4

Stabilizatoare de tensiune (Voltage regulators) Furnizeaza in sarcina o tensiune constanta, controlata de circuitul intern al stabilizatorului astfel incat sa fie relativ independenta de curentul prin sarcina, tensiunea de alimentare si temperaturaContine trei parti: -o referinta de tensiune Vref independenta de tensiunea de alimentare si temperatura -un amplificator care compara Vref cu o fractiune a tensiunii de iesire adusa pe intrarea inversoare a amplificatorului -un tranzistor serie pentru a furniza curentul dorit in sarcina

*

V+

IO

R1

R2

Q1

Q2

V+

+

-

A

eroare

vO

Tranzistor

serie

Vref

Stabilizatoare de tensiunecontinuare 1 Amplificatorul mentine fractiunea din tensiunea de iesire adusa pe intrarea inversoare egala cu tensiunea de referinta.Deci Vref = VO R2/(R1+R2) VO= Vref (1+R1/R2)Parametri: -rezistenta de iesire dinamica ro=-vo/ io 1/Aopen loop -factorul de stabilizare la variatia sarcinii vo/ io - factorul de stabilizare la variatia sursei de alimentare vo/ V+

*

V+

IO

R1

R2

Q1

Q2

V+

+

-

A

eroare

vO

Tranzistor

serie

Vref

Stabilizatoare de tensiunecontinuare 2 Circuite de protectie protejeaza stabilizatorul fata de o putere disipata excesiva care l-ar putea distruge prin supraincalzire Cea mai mare putere o disipa Q2 PdQ2= (V+-Vo) Io Cea mai mare putere o disipa Q2 PQ2= (V+-Vo) IoExista mai multe tipuri de circuite de protectie

*

V+

IO

R1

R2

Q1

Q2

V+

+

-

A

eroare

vO

Tranzistor

serie

Vref

Protectia prin limitarea curentului furnizat Situatia cea mai rea este pentru Vo =0 (scrt la iesire) PD MaxQ2= V+ Io Dar PD MaxQ2= V+ Io < PD Max adm.Q2 Circuitul de protectie trebuie sa limiteze curentul la valoarea Io lim= PD Max adm.Q2/V+ Exemplu Admitem Iampl Max=50 mA (limitat de amplificator) PD Max.adm.Q2 =50W V+=20V, VO=15V In conditii de scrt la iesire si fara protectie IO= 1 2 Iampl = 50.50.50mA=125 A PD MaxQ2= V+ Io = 125A.20V=2500W distrugerea stabilizatorului introducerea unui circuit de protectie care sa limiteze curentul la valoarea in sarcina Iolim = PD Max.adm.Q2 /V+=50W/20V=2,5 A *

Q2

Q3

Rcl

V+

Current

limit

VO

Circuitul de limitare a curentului

Iamplif.

IO

Q1

Protectia prin limitarea curentului (continuare 1) Functionarea circuitului de protectiePentru Io mici, VRcl

Protectia prin limitarea curentului (continuare 2)

Continuare exemplu Admitem un tranzistor Q3 pentru care vBE3=650 mV la iC =1mA. Cat e vBE3 la ilC3 =49 mA50mA? vl BE3=vBE3 +VT ln(il c3 /iC3 ) =650+VT ln50=748mV Rcl = vl BE3 /Iolim +748mV/2,5A=0,3 Caracteristica de iesire prin limitare

*

Q2

Q3

Rcl

V+

Current

limit

VO

Circuitul de limitare a curentului

Iamplif.

IO

Q1

vO

2,5A

VO=15V

15V/15(

=1A

PD2=50W

iO

Rl=2(

Rl=6(

Rl=15(

Protectia prin intoarcerea curentului

La protectia prin limitarea curentului -in caz de scurtircuit la iesire (vO=0) PDQ2=50W=PDMax adm Q2,tranzistorul e protejat - fara scrt la iesire si fara protectie, in regiunea in care VO=cst, adica este stabilizat, VCE2=V+-Vo =20-15=5V, ceea ce inseamna ca IOMax ar putea fi IOMax = PDMaadmQ2/VCE2=50W/5V=10A !!!!!!Rezulta ca protectia prin limitarea curentului nu permite utilizarea stabilizatorului la intregul sau potentialDeoarece PDQ2 =(V+-Vo )IO, curentul limita necesar pentru a preintampina supradisiparea e dat de functia iolim =PDMaxadmQ2 / (V+-vo ) sau, explicitand vO , vO =V+ - PDMaxadmQ2 /iolim

*

Protectia prin intoarcerea curentului -comentarii 1

Se numeste limitare prin intoarcere (fold- back) datorita formei caracteristicii de limitare iOlim=f (vO)

Deoarece in acest caz iOlim depinde si de vO circuitul de limitare va trebui sa sezizeze nu numai curentul prin sarcina dar si tensiunea la bornele sarcinii

Cel mai simplu circuit de protectie de tip fold-back este un circuit la care descresterea lui iOlimeste liniara in functie de vO Caracteristica de protectieprin intoarcere*

Caracteristica de limitare de

tip fold-back PDQ2=PDMaxadm

15V

2,5A

iO

vO

10A

PDQ2>PDMaxadm

PDQ2

Protectia prin intoarcerea curentului comentarii 2

Pentru determinarea expresiei caracteristicii se scrie expresia tensiunii vBE3 VBE3 =(vO +iOlim Rcl ) R4 /(R3 +R4 ) vO

iolim =(R3 +R4 )/(RclR4 )[ VBE3 +vO R3 (R3 +R4 )]

Caracteristica liniara trebuie sa fie tangenta la cea ideala-in punctul de tangenta dvO /diOlim=PDMaxadmQ2 / I 2olim , unde iolim este valoarea lui iolim *

vO

Io

Rcl

R4

R3

Q3

Q2

Q1

Protectia prin intoarcerea curentului -comentarii 3Pentru exemplul numeric considerat*

4,375A

1A 2,5A 5A 10A

iO(A)

vO

6,9A

10A

VO=VSTAB=15V

Caracteristica de foldback liniara incepand la 1A

Limitarea simpla de curent

Caracteristica de foldback liniara incepand la 2,5A

Caracteristica de limitare prin intoarcere ideala (vO=f(IOlim))

Caracteristica de foldback liniara incepand la 10A

Stabilizatoare de tensiune duale(Tracking Voltage Regulators) Vo+ =?

Vo- = ?

Produc doua tensiuni, una pozitiva Vo+ , cealalta negativa Vo- , folosind aceeasi tensiune de referinta. *

-

+

Vref

-

+

R1

R2

R3

R3

Q1

Q2

V-

V+

Vo-

Vo+

Stabilizatoare de tensiune duale(Tracking Voltage Regulators) Vo+ =Vref (1+R1 /R2 )

Vo- =- Vo+ (R3 /R3 )

Vo+poate fi diferit de Vo-

Produc doua tensiuni, una pozitiva Vo+ , cealalta negativa Vo- , folosind aceeasi tensiune de referinta. *

-

+

Vref

-

+

R1

R2

R3

R3

Q1

Q2

V-

V+

Vo-

Vo+

Amplificatoare de instrumentatie(Instrumentation Amplifiers) vo1=? vo2=?

vo=?

Amplifica cu precizie semnale diferentiale mici in prezenta unor semnale comune mari. *

+

-

A1

+

A2

v1

A3

R1

R2

R2

R3

R3

vo

v2

R4

R4

-

+

-

Amplificatoare de instrumentatie(Instrumentation Amplifiers) Prin superpozitie vO1 =v1 (1+R2/R1 )- v2(R2/R1) vO2 =-v1 (R2/R1 )+ v2(1+R2/R1) vo=R4/R3(vO2- vO1)

A=vo/(v2-v1)=R4/R3(1+2R2/R1)

*

+

-

A1

+

A2

v1

A3

R1

R2

R2

R3

R3

vo

v2

R4

R4

-

+

-

Comparatoare Circuite integrate destinate a compara doua tensiuni de intrare v1 si v2 si a produce la iesire o tensiune VH daca v1 > v2 sau VL daca v1 0 , VL

Comparatoare-continuare 1 Simbol v1>v2 vO=VH v10, VLo

Se folosesc frecvent cu reactie pozitiva din doua considerente: -se obtine o caracteristica vO=f(vI) cu histerezis, utila intr-o serie de aplicati- -se mareste castigul in tensiune ceea ce reduce variatia tensiunii de intrare necesara producerii tranzitiei intre VH si VL

*

Vref

panta AOL

VL

real

vI

vO

ideal

VH

-

v1

v2

+

vO

Comparatoare-continuare 2 Comparator cu reactie pozitiva

Caracteristica vO=f(vI)

VH>0, VL

Amplificatoare de putere Trebuie sa debiteze o putere mare in sarcina (>1W)Randamentul devine un parametru importantPuterea debitata in sarcina, deci puterea utila Pu, provine de la sursa de alimentare in cc, deci este o putere de cc.Deoarece puterea furnizata de sursa de semnal la intrarea amplificatorului este de obicei nesemnificativa =Putila/Pabsorbita=Pu/PccPuterea disipata de amplificator este PD=Pcc-Pu=Pu[(1/ )-1]

Aceasta putere este disipata aproape in intregime de etajul final Pu Pdtranziztoare finaleAtranzistoare finale

*

Alte tipuri de CIA Alte tipuri de AO - Amplificatoare operationale de transconductanta OTA (Operational Transconductance Amplifiers)- circuit de tip VCCS (Voltage Controlled Current Source) io=gf(v1-v2) -Amplificatoare operationale de tip Norton sau diferenta de curent- circuit de tip CCVS(Current Controlled Voltage Source) vo=rf(i1-i2) -Amplificator operational cu reactie in curent (Current Feedback Operational Amplifier) CFA vo=ztiinv , unde iinv este curentul net care iese din intrarea inversoare Fata de AO ofera o banda de frecventa si un SR mari Filtre activeAmplificatoare de banda larga (video)Modulatoare, demodulatoare, detectoare de fazaGeneratoare de diverse forme de unda controlate in tensiuneConvertoare AD si DAPLL (Phase lLocked Loops)etc

*

Microsenzori Traductoarele convertesc un tip de energie in alt tip de energie. Pot fi: -senzori care convertesc orice tip de energie in energie electrica - actuatoare care convertesc un semnal electric intr-o forma acceptabila simturilor noastreSenzorii sunt dispozitive care receptioneaza la intrare o marime fizica sau chimica neelectrica si o convertesc intr-un semnal electric. Ofera interfata intre lumea reala si sistemele de prelucrare Ajuta electronica sa vada, sa auda, sa miroasa, sa atinga, sa guste .Exemple de stimuli: termici (temperatura, conductivitate termica, etc) mecanici ( acceleratie, viteza, pozitie, forta, presiune ,masa, densitate etc), magnetici, chimici, biologici, acustici etcMicrosenzorii folosesc ca materie prima siliciul si tehnologii de realizare compatibile cu tehnologiile de realizare a circuitelor integrate in ideea realizarii microsistemelor, care includ pe acelasi chip senzorul si circuitele electronice de prelucrare a semnalului electric de la iesirea senzorului ( circuite de interfata, procesoare, memorii etc

*

Senzori integrati Folosesc ca materie prima siliciul si tehnologia de realizare a CICei mai raspanditi-senzorii de temperaturaSe bazeaza pe faptul ca diferenta intre tensiunile baza-emitor a 2 tranzistoare care lucreza cu densitati diferite ale curentului de colector j= iC/A este proportionala cu temperatura in KelvinDoua posibilitati: -2 tranzistoare identice care lucreaza cu iC1 iC1

-2 tranzistoare de arii diferite lucrand cu curenti de colector egali

*

Exemplu de senzor de temperatura iC1= iC3 iC2= iC4 iC1= iC2 iC1= iC2= iC3 = iC4=ii=(vBE4- vBE3)/R3i=(VT/R3)[ln(i/IS4)- ln(i/IS3)]Dar IS3/IS4=A3 /A4=8il=2i=(VT/R3) ln8=[(2kln8)/(qR3)]T

*

R3

R

i

T1(A)

T4(A)

T3(8A)

T2(A)

T H A N K Y O U !*

2:23 invatam pt examenul la CIA*