Amplificatoare operationale transconductanta

Generalitati

Simbolizarea unui amplificator operational transconductanta (OTA) este prezentata in figura 3.36. Un OTA este prevazut cu doua intrari si o iesire ce prezinta impedante ridicate. Aplicand pe una din intrari un semnal de tensiune, cealalta fiind conectata la un potential fix, se obtine la iesire un semnal in faza cu cel de la intrare. Aceasta intrare se numeste neinversoare (si se noteaza cu +). Daca se aplica semnal de tensiune pe aceasta borna de intrare, se obtine la iesire un semnal in antifaza cu cel de la intrare. Aceasta intrare se numeste inversoare (si se noteaza cu −). Arhitectura interna specifica unui OTA este prezentata in figura 3.37. In structura OTA apar urmatoarele module obligatorii: modulul de intrare diferential, oglinzi de curent si optional, functie de tipul oglinzilor, un modul de polarizare.

Figura 3.36. Simboluri utilizate pentru OTA.

Figura 3.37. Arhitectura interna specifica OTA.

Figura 3.38. Modalitati des intalnite de realizare a oglinzilor de curent in OTA.

In figura 3.38 se prezinta cele mai uzuale implementari ale oglinzilor de curent corespunzatoare OTA: (a) oglinda simpla, (b₁) oglinda Wilson, (b₂) oglinda Wilson modificata, (c) oglinda cascod. Arhitectura interna a OTA releva faptul ca aceasta reprezinta practic o sursa de curent controlata in tensiune al carei factor de transfer poate fi controlat pe cale electrica (prin intermediul lui I_ABC).

2. Parametrii OTA

Definirea parametrilor corespunzatori OTA se va face cu referire la marimile indicate in figura 3.39.

Tensiunea de iesire a OTA se poate exprima prin relatia:

        (3.106)

unde: reprezinta conductanta de transfer directa pe mod diferential la joasa frecventa, reprezinta tensiunea diferentiala de intrare, este conductanta de transfer directa pe modul comun la joasa frecventa, tensiunea de intrare pe modul comun; este tensiunea de decalaj ce apare la iesire cand ambele intrari sunt legate la masa.

In general pentru un OTA se pot defini aceiasi parametri pentru intrare ca si pentru un AO de tensiune. Mai mult, valorile tipice ale acestora sunt aproximativ aceleasi ca la un AO realizat in aceiasi tehnologie. Reamintim acesti parametri: gama tensiunilor pe modul diferential, gama tensiunilor de intrare pe modul comun, curentul de polarizare , curentul de intrare de decalaj , deriva termica a curentului de intrare de decalaj, tensiunea de intrare de decalaj V_ID, deriva termica a tensiunii de intrare de decalaj, impedantele de intrare de mod diferential, impedantele de intrare de mod comun si factorul de rejectie al modului comun. Alti parametri ce caracterizeaza functionarea OTA sunt: frecventa de raspuns maxima, gama dinamica a OTA, timpul de raspuns, viteza de variatie a tensiunii de iesire etc.

Figura 3.39. Definirea parametrilor OTA

Figura 3.40. Modelarea OTA

Parametrii ce caracterizeaza iesirea OTA sunt: impedanta de iesire, care spre deosebire de cea caracteristica amplificatoarelor operationale de tensiune, are valori cuprinse intre 50KΩ si 150KΩ, curentul de iesire de decalaj si factorul de rejectie al tensiunilor de alimentare.

OTA ideal implica: curenti de polarizare nuli, tensiune de decalaj nula, derive termice ale curentilor de polarizare nule, deriva termica a tensiunii de decalaj nula, conductanta de iesire nula, g_TMC nula, CMRR infinit, impedante de intrare (pe mod diferential si pe mod comun) infinite, impedanta de iesire, SVRR nul, banda de frecvente infinita, SR infinit, timp de raspuns nul, gama dinamica infinita, valori ale generatoarelor de zgomot nule etc.

Exista mai multe modelari ale amplificatoarelor operationale transconductanta. Cea mai des folosita modelare a OTA este prezentata in figura 3.40. Modelarea efectelor generate de abaterile de la idealitate se realizeaza similar ca in cazul amplificatoarelor operationale, cu generatoare de eroare la intrare.

Raspunsul in frecventa al OTA

La joasa frecventa functia de transfer a OTA poate fi descrisa prin urmatoarele relatii:

                                                              (3.107)

in care g₀ reprezinta conductanta de iesire a OTA si G_L conductanta sarcinii.

Conductanta de iesire a OTA este dependenta de topologie, iar expresia de determinare a acesteia este:

pentru utilizarea unor oglinzi simple

                              (3.108)

- pentru utilizarea unor oglinzi de tip Wilson si cascod

                                 (3.109)

in care V_AC reprezinta tensiunea Early  corespunzatoare tranzistoarelor pnp, iar V_AD reprezinta tensiunea Early corespunzatoare tranzistoarelor npn.

La frecvente inalte amplificarea OTA devine:

                             (3.110)

       (3.111)

adica

                                          (3.112)

Frecventa unitara sau frecventa de taiere pentru OTA este:

                 (3.113)

Viteza de variatie a tensiunii de iesire este:

         (3.114)

Se observa ca atat valoarea de palier a amplificarii in tensiune cat si valoarea frecventei limita superioare sunt influentate de sarcina.

3. Aplicatii elementare cu OTA

Amplificatoarele operationale transconductanta pot functiona atat in bucla deschisa cat si in bucla inchisa. Toate configuratiile de baza realizate cu amplificatoare operationale de tensiune (AO) pot fi realizate si cu OTA: amplificator neinversor, amplificator inversor, amplificator sumator, amplificator diferenta, integrator, derivator si convertoare tensiune-curent. Deoarece se obtin aceleasi relatii ca in cazul AO se va prezenta doar un exemplu de amplificator cu OTA si cateva tipuri de convertoare tensiune-curent.

3.1. Amplificator neinversor cu OTA

Configuratia tipica a unui amplificator neinversor cu OTA este prezentata in figura 3.41. Consideram pentru inceput OTA ideal. Obtinem astfel:

                                                (3.115)

Prin egalarea celor relatii obtinem:

                                                           (3.116)

 

Figura 3.41. Amplificator neinversor cu OTA

Reluam analiza considerand ca atat amplificarea g_T cat si impedantele de intrare au o valoare finita. Obtinem astfel:

      (3.117)

Egaland cele doua relatii obtinem:

    (3.118)

Pentru ca eroarea de calcul sa fie cat mai mica si pentru ca valoarea rezistentei de sarcina sa nu afecteze castigul in bucla inchisa, respectiv frecventa limita superioara a montajului, se poate folosi un buffer pentru a izola sarcina (vezi figura 3.42). In acest fel, in cazul in care , se fixeaza amplificarea in tensiune in bucla deschisa la valoarea si frecventa limita superioara la .

Amplificarea configuratiei neinversoare devine:

                                                            (3.119)

Frecventa de taiere a circuitului va fi:

                                                          (3.120)

 

Figura 3.42. Utilizarea unui buffer pentru fixarea performantelor OTA: a) in bucla deschisa; b) in bucla inchisa; c) buffer.

Observatie

Fixarea performantelor OTA prin utilizarea unui buffer poate fi practicata si in cazul in care OTA este utilizat in bucla deschisa (vezi figura 4.6.a). Performantele ce se obtin in acest caz sunt:

                       (3.121)

Circuitele inversor, diferential, sumator etc. se construiesc si se analizeaza in conformitate cu cele prezentate mai sus.

Convertoare tensiune-curent cu OTA

Toate tipurile de convertoare tensiune-curent cu AO prezentate in subcapitolele precedente pot fi realizate si cu OTA. In continuare se vor prezenta doar cateva tipuri grupate astfel:

(a)   convertoare tensiune-curent al caror curent de iesire este limitat de performantele OTA, ;

(b)  convertoare tensiune-curent al caror curent de iesire nu este limitat de performantele OTA, .

Figura 3.43. Convertoare tensiune-curent cu OTA care au

(a) In figura 3.43 sunt prezentate trei tipuri de astfel de convertoare tensiune-curent: o configuratie in bucla deschisa (figura 3.43.a), o configuratie neinversoare (figura 3.43.b) si o configuratie inversoare (figura 3.43.c).

Expresia curentului prin sarcina pentru configuratia in bucla deschisa este:

              (3.122)

Expresia curentului pentru configuratia neinversoare este:

   (3.123)

Expresia curentului pentru configuratia neinversoare este:

(3.124)

(b) Schema unui convertor tensiune-curent capabil sa furnizeze in sarcina un curent mai mare decat I_{ABC max} este prezentata in figura 3.44. Spre deosebire de configuratiile prezentate in figura 3.43, care sunt bisens, acest convertor poate functiona numai pentru valori pozitive ale tensiunii de alimentare. Pentru o buna functionare a circuitului trebuie asigurata conditia . Expresia curentului prin sarcina este:

(3.125)

Figura 3.44. Convertor tensiune-curent cu OTA care are