CIRCUITE INTEGRATEANALOGICELecture 18

Cap.6.Etaje de amplificare fundamentale

6.6. Etaje de iesire6.6.1. IntroducereIn multe aplicatii sarcina atasata la iesirea unui circuit poate afecta semnificativ performantele circuitului. In general sarcina unui circuit este alcatuita dintr-o rezistenta RL in paralel cu un capacitor CL. Daca RL este mica (sau CL este mare) etajele studiate inainte nu mai pot satisface cerintele impuse circuitului necesitatea utilizarii unor etaje de iesire

Obiectivele etajelor de iesire -sa transfere in sarcina o valoare specificata a puterii de semnal sub forma unei tensiuni sau a unui curent in conditiile unui nivel acceptabil de distorsiuni -sa aiba o rezistenta de iesire suficient de mica astfel incat castigul in tensiune sa nu fie afectat de valoarea impedantei de sarcina -sa aiba un consum de putere mic in absenta semnalului

-sa ofere un randament cat mai mare -sa protejeze circuitul pentru conditii de functionare anormale

Ce trebuie avut in vedere la proiectarea unui etaj de iesire

Pastrarea punctului de functionarea in aria corespunzatoare functi onarii sigure (safe operation area) definita de curentul maxim prin tranzistor, tensiunea maxima intre terminalele de iesire ale tranzis- torului, puterea disipata maxim admisibilaMinimizarea distorsiunilor avand in vedere functionarea etajelor finale la semnal mareMaximizarea excursiilor in tensiune Vo si curent Io prin sarcina pentru a se maximiza puterea utila Putila furnizata sarcinii

Obtinerea unui randament cat mai mare ceea ce

determina reducerea puterea disipate de etajul final PD=PC- Pu= Pu [(1/)-1] cu urmatoarele consecinte favorabile - reducerea consumului de arie ocupata de tranzistoarele finale - utilizarea unor surse de alimentare mai mici si deci mai ieftine - prelungirea vietii bateriilor in cazul aparaturii portabile

Clase de functionareSe definesc trei clase de baza de functionare pentru etajele de iesire, determinate de punctele statice de functionare ale tranzistoarelor constitutive si admitand un semnal sinusoidal.

Amplificatoare clasa A; tranzistoarele sunt in conductie pe intreaga durata a semnalui aplicat la intrare. Se spune ca au un unghi de conductie de C= t= 360o . Astfel curentul de colector (sau drena) are forma iC = IC + Ic sin t, IC>Ic. Au in general distorsiuni mici, dar randamentul maxim este de 25%. Acest randament mic determina o disipatie mare

Amplificatoare clasa B, numite si push-pull, folosesc doua tranzistoare, ambele blocate in repaus. In prezenta unui semnal de comanda sinusoidat fiecare conduce alternativ numai pe durata unei semiperioade a semnalului de intrare (C= t= 180o). Au un randament maxim de 78,5%, elimina puterea disipata in repaus, dar au distorsiuni mai mari. Caracteristicile etajelor clasa A si B pot fi reunite in amplificatoarele clasa A-B Acestea au un curent de polarizare nenul dar mai mic decat Ic si un unghi de conductie 180o < C< 360o

Amplificatoare clasa C, caracterizate prin C< 180o. Din cauza distorsiunilor armonice mari introduse se folosec in amplificatoarele de radio-frecventa in care sarcinile sunt circuite acordate, care elimina componentele armonice ale semnalului. Au randamente foarte mari

Formele de unda ale curentului de colector sau de drena pentru diverse clase de functionareObservatiiTranzistoarele bipolare sunt de preferat a fi utilizate in etajele de iesire datorita excelentei lor capabilitati in curent . Desi in etajele de iesire CMOS se pot folosi tranzistoarele bipolare parazite asociate procesului, etajele de iesire ale circuitelor integrate CMOS se realizeaza fara tranzistoare bipolare; ca urmare vom prezenta si etaje de iesire realizate cu MOSFET-uri

6.6.2. Etaje de iesire clasa APSF (Q) Daca vo=0 io=0

Etajul de iesire colector comunFunctionare Functionarea dinamica (vI variabil) S-au trasat prin Q trei drepte de sarcina RL de inclinari diferte ; cand vI variaza PF se deplaseaza in sus si in jos pe aceste drepte Daca vI vCE! V +omax=VCC-VCEsat, independent de RLDaca vI vCE! exista trei posibilitati functie de valoarea lui RL

Functionarea dinamica (vI variabil)Daca RL este mare (RL=RL1) vCE1 creste pana ce Q2 se satureaza vCE1max=2VCC-VCEsat2 V-omax=VCC- VCEsat2

Daca RL este mic (RL=RL2) vCE1 creste pana ce Q1 se blocheaza V-omax=IrefRL2

Acum sa ne referim la puterea medie furnizata in sarcina pentru un semnal sinusoidalunde Vo si Io reprezinta amplitudinile tensiunii respectiv curentului prin sarcina

Pentru RL1 care geometric poate fi interpretata ca aria triunghiului A

Daca RL1 Pomax deoarece amplitudinea tensiunii de iesire ramane neschimbata dar amplitudinea curentului scade

Pentru R L2 adica aria triunghiului B

Daca RL2 Pomax

Examinarea figurii arata ca puterea in sarcina are valoarea maxima pentru

Valoarea maxima a puterii in sarcina este si corespunde ariei triunghiului C

Caracteristica de transfer vO=f(vI)Pentru valori mari ale lui RL

Relatii energetice (1)IpotezeSemnal de intrare sinusoidalRL=Roptim=(VCC-VCEsat)/Iref VCC/Iref Intereseaza -puterea disipata instantanee pd -puterea disipata medie PD -puterea absorbita instantanee de la sursele de alimentare pa -puterea absorbita medie PA -puterea utila medie PoAceste puteri depind de amplitudinea tensiunii Vo si amplitudinea curentului Io prin sarcina. Pentru obtinerea unor relatii generale notam Vo=KVCC K- factor de utilizare a tensiunii de alimentare 0 K

Relatii energetice (2)Forme de unda pentru K=1 Frecventa dubla fata de a semnalului PD1|K=1=(1/2) PD1|K=0

Dependenta PD1, PD2, PA, Po de KConcluzii:1.Puterea absorbita de la sursa de alimentare e constanta, independenta de nivelul semnalului2.Puterea utila este o mica parte din puterea absorbita si creste patratic cu K3. Puterea disipata de tranzistorul Q1 este maxima in repaus si apoi scade patratic cu K 4. Randamentul

avand valoarea maxima de 25% pentru K=1Etajele de iesire clasa A sunt paguboase din punct de vedere energetic

Etajul de iesire drena comuna

6.6.3. Etaje de iesire clasa BEtajele de iesire clasa B sunt mai eficiente din punct de vedere energetic folosind 2 tranzistoare care lucreaza la un curent zero in repaus, ceea ce elimina puterea disipata in repausTranzistorul npn (respectiv NMOS) lucreaza ca repetor pentru semnale de intrare pozitive, iar tranzistorul pnp ( respectiv PMOS) ca repetor pentru tensiuni de intrare negative.Fiecare tranzistor conduce o jumatate din perioada semnalului de intrare (C=180o)

Caracteristica de transfer vO=f(vI) pentru un etaj clasa B cu tranzistoare bipolare

Etaj de iesire clasa B cu tranzistoare MOS. Simulare SPICE

Distorsiuni de trecere (cross-over) si curentii de drena la un etaj final clasa BDistorsiuni detrecereCurentii dedrena

Relatii energetice pentru un etaj de iesire clasa B cu tranzistoare bipolare(1)Notam amplitudinea tensiunii in sarcina Vo=KVCC 0 K

Relatii energetice (2)Puterea furnizata in sarcina creste patratic cu K unde

Randamentul

creste liniar cu K

Puterea medie disipata de ambele tranzistoare PD se determina din conservarea puterii

variaza parabolic cu K

Puterea PD are un maxim pentru

Valoarea maxima a puterii disipate este

Dependenta puterilor medii absorbite, disipate si utile normate prin puterea absorbita maxima in functie de nivelul tensiunii in sarcina normate prin tensiunea de alimentare

Puterea absorbita este zero in lipsa semnalului si creste liniar cu KPuterea utila creste patratic cu K

Puterea disipata variaza parabolic un functie de K si are un maxim pentru K=2/

Randamentul maxim este de 78,5%

Exemplu de realizare a unui etaj de iesire clasa B cu tranzistoare bipolareIn PSF Vo=V1=0

Tensiunea de iesire maxima negativa corespunde saturarii tyranzistorului Q3

Tensiunea de iesire maxima pozitiva corespunde blocarii tranzistorului Q3 situatie in care baza lui Q1 este polarizata prin R1 de la VCC

Pentru RL=10k si F=100 V+ omax=0,98(VCC-Vbe1)Pentru RL= 1k si F=100 V+ omax=0,83(VCC-Vbe1) Pentru valori mici ale rezistentei de sarcina V+ omax se reduce

Este necesara simetrizarea excursiei tensiunii de iesire

Etaje de iesire cu tranzistoare compuseIn cazul unor niveluri mari de putere in sarcina, etajul driver (prefinal), care lucreaza in clasa A, trebuie la randul sau sa disipe o putere mare utilizarea unor etaje de iesire cu tranzistoare compuse

6.6.4. Etaje de iesire clasa AB Avantajele oferite de amplificatoarele clasa B pot fi pastrate si distorsiunile decross-over pot fi reduse polarizand tranzis-toarele in conductie, dar la un un curent mic.In acest fel se realizeaza o liniarizare a ca-racteristicii de transfer prin compensareaneliniaritatilor celor doua tranzistoare, iar puterea disipata poate fi mentinuta suficientde mica pentru a nu degrada randamentul.Fiecare tranzistor conduce mai mult decat180o(cat este unghiul de conductie la clasa B) dar mai putin decat 360 o (cat este la clasa A).

Etaj de iesire clasa AB cu tranzistoare CMOS

Polarizarea tranzistoarelor finale in clasa AB. VarianteApar probleme din cauza dependentei exponentiale si puternic afectate de temperatura a lui iC de VBEDaca VBE e prea mic continua sa existe distorsiuni de cross-overDaca VBE e prea mare polarizarea la tensiune VBE constanta poate determina ambalarea termica (PD IC PD IC .Utilizarea unei tensiuni de polarizare care sa descreasca odata cu cresterea temperaturii tranzistoarelor finaleUtilizarea unui rezistor intre bazele (portile) tranzistoarelor finale

Utilizarea unor tranzistoare in conexiune de dioda in paralel cu jonctiunile baza-emitor ale tranzistoarelor finale

Admitand in PSF vo=0 IC1=IC2Deoarece IC4=IC5 IC3

Utilizarea unui tranzistor in conexiune de superdioda in paralel cu jonctiunile baza-emitor ale tranzistoarelor finale

Neglijand curentul de baza al lui Q3

v BE4 poate fi reglata la orice valoare regland unul din rezistoare

Consideram ca in cazul precedent in PSFIC1=IC2 si IC4 IC3

Etaje de iesire clasa AB cu tranzistoare CMOS folosind polarizarea traditionala utilizata in tehnologie bipolara

Simetrizarea excursiei tensiunii de iesire Limitarea tensiunii de iesire pozitiveJustificare

Simetrizarea tensiunii la terminalele sarcinii prin bootstraparea reziztentei de colector a etajului driverCe criterii trebuiesc avute in vedere pentru stabilirea valorii de cc a curentului de colector a tranzistorului Q3?Explicati.

Simetrizarea tensiunii la terminalele sarcinii prin bootstraparea reziztentei de colector a etajului driver

Simetrizarea tensiunii la terminalele sarcinii prin inlocuirea rezistentei din colectorul etajului driver cu o sursa de curentPentru a putea obtine V+omax este necesar ca Q4 sa poata fi saturat adicaDaca I C4 are o valoare mai mica tensiunea de iesire se va limita la o valoare mai mica decat V+omax si Q4 nu se va satura

Exemplu : etajul de iesire al AO 741 Sa se calculeze curentii de polarizare ai tuturor tranzistoarelor schemei admitand IS18=IS19=2x10-15A, IS14= 4IS18, IS20=2IS14. Se considera Vo=0V VCCPentru valori mari ale lui F IC14=IC20

Amplificator operational cu tranzistoare bipolareComentati arhitectura

Amplificator operational cu tranzistoare MOSComentati arhitectura

6.6.5. Protectia la suprasarcina(1)Daca terminalul de iesire este accidental scurtcircuitat la masa tranzistoarele etajului final pot fi distruse prin supradisipareExemplu Sa ne referim la etajul de iesire a lui 741. Daca RL=0V, Vo=0V, VB14=VBE Daca V1 este pozitiv Q23, Q18, Q19,se blocheaza si tot curentul lui Q13A este furnizat in baza lui Q14 IC14=F14IC13A=500x0,22=110mA daca F14=500 PD14=VCCIC14=15Vx110mA=1,65W nivel de putere care determina distrugerea tranzistorului Q14

Necesitatea limitarii curentului in conditii de scurtcircuit la iesire Utilizarea unor circuite de protectie

Protectia la suprasarcina (2)Se adauga circuitul de protectie format din Q4 si R4. Functionare: - Rezistorul R4 sesizeaza curentul de iesire. - Caderea de tensiune pe R4 este tensiunea baza emitor a tranzistorului Q4 care pentru o functionare normala este blocat. - Cand caderea de tensiune pe R4 ajunge la VBEon tranzistorul Q4 se deschide si preia surplusul de curent injectat in baza lui Q1,. Acest trece prin Q4 spre nodul de iesire, fara a mai fi amplificat prin F1. Curentul prin tranzistorul Q1 este astfel limitat la valoarea IC1lim= VBEon/R4 .Rezistenta R4 se dimensionea astfel incat VCCIC1lim< Pdmaxadm Q1

Protectia la suprasarcina (3)Ce rol au Q5 si R5 ?

Protectia la suprasarcina (4)Explicati rolul diodei D3 si al tranzistorului Q6

Protectia la suprasarcina (4) Dioda D3 incepe sa conduca atunci cand Q5 devine activ. Dioda D3 imreuna cu tranzistorul Q6 formeaza o oglinda de curent, astfel incat Q6 limiteaza curentul de baza al lui Q3 si astfel curentul de colector al acestuia, care, pentru tensiuni de iesire negative si scurtcircuit la iesire ar putea creste sprea mult, determinand cresterea periculoasa a puterii disipate de etajul driver.

T H A N K Y O U !