Wersja elektroniczna artykułu

ELEKTRYKA
Zeszyt 2 (218)
2011
Rok LVII
Piotr HOLAJN
Instytut Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Śląska w Gliwicach
HYBRYDOWY OŚMIOWEJŚCIOWY WZMACNIACZ OPERACYJNY
W UKŁADACH ANALOGOWYCH Z JEGO ZASTOSOWANIEM
Streszczenie. W pracy przedstawiono ideę oraz praktyczną realizację
ośmiowejściowego wzmacniacza operacyjnego wykonanego w technologii hybrydowej.
Zaproponowano jego prosty jednobiegunowy makromodel złożony z idealnych
elementów obwodowych. Opisano proste układy z wykorzystaniem ośmiowejściowego
wzmacniacza operacyjnego bez i z dodatkowymi elementami zewnętrznymi.
Przedstawiono wyniki pomiarów laboratoryjnych wybranych układów analogowych z
jego zastosowaniem.
Słowa kluczowe: wielowejściowy wzmacniacz operacyjny, technologia hybrydowa, analogowe
przetwarzanie sygnałów
EIGHT-INPUT OPERATIONAL AMPLIFIER OF HYBRID INTEGRATED
CIRCUIT IN ANALOG SYSTEMS
Summary. The paper presents idea and practical of realizations eight-input
operational amplifier of hybrid integrated circuit (HIC). There is proposed simple one
pole macromodel of ideal circuit elements. There are described simple circuits based on
eight-input operational amplifier with and/or without external elements. The results of
measurements for analogues circuits basing on HIC-MIOA have been shown.
Keywords: multiple input operational amplifier, hybrid integrated circuit, analog signal processing
1. WSTĘP
Wzmacniacze elektroniczne o wielu zaciskach wejściowych pozwalają realizować
złożone układy aktywne stosunkowo małym nakładem sprzętowym z dodatkową możliwością
programowania ich parametrów. Przykładem takiego układu jest wielowejściowy napięciowy
wzmacniacz operacyjny (MIOA - Multiple Input Operational Amplifier) o symbolu (rys. 1),
opisany zależnością:
102
P. Holajn
U o  A(
n
n
k 1
k 1
U pk  U nk )
(1)
dla A. Zakłada się, że posiada on równą liczbę n wejść odwracających i nieodwracających, zatem jest on 2n-wejściowym wzmacniaczem operacyjnym.
Up1
Up2
+
+
Upn
Un1
+
Un2
Unn
-
-
A(s)
U0
Rys. 1. Symbol wielowejściowego wzmacniacza operacyjnego
Fig. 1. Symbol of multiple input operational amplifier
Jego uproszczona realizacja praktyczna w postaci układu scalonego wykonanego w
technice CMOS może być rozwinięciem koncepcji układowej stosowanej dla różnicoworóżnicowego wzmacniacza operacyjnego (DDA), uzyskaną przez zwiększenie ilości stopni
wejściowych. [3] Może być także zamodelowany na wiele innych sposobów zarówno jako
układ scalony, np. z zastosowaniem tranzystorów z bramką swobodną FGMOS, jak i innych
wzmacniaczy, np. konwejerów prądowych [2], [4], [5], [6], [7], [8]. Modele MIOA mogą być
też wykonywane z zastosowaniem innych rodzajów wzmacniaczy elektronicznych, np.
klasycznych wzmacniaczy operacyjnych.
2. REALIZACJA PRAKTYCZNA MIOA
W pracy przedstawiono realizację praktyczną ośmiowejściowego wzmacniacza
operacyjnego zbudowanego na bazie klasycznych wzmacniaczy operacyjnych o schemacie
jak na rys. 2a. W układzie tym zakładając, że wzmocnienia użytych wzmacniaczy są
nieskończenie duże, napięcia w węzłach (a do g) wynoszą odpowiednio:
R
)  2U p1 ,
R
(2)
U b  U n1 (1 
R
R
)  U a  2U n1  U a ,
R
R
(3)
U c  U p 2 (1 
R
R
)  U b  2U p 2  U b ,
R
R
(4)
U d  U n 2 (1 
R
R
)  U c  2U n 2  U c ,
R
R
(5)
U e  U p3 (1 
R
R
)  U d  2U p3  U d ,
R
R
(6)
U a  U p1 (1 
Hybrydowy ośmiowejściowy wzmacniacz…
103
U f  U n3 (1 
R
R
)  U e  2U n3  U e ,
R
R
(7)
U g  U p 4 (1 
R
R
) U f
 2U p 4  U f
R
R
(8)
podstawiając do równania (8) zależności (2-7), otrzymujemy:
U g  2(U p4  U n3  U p3  U n2  U p2  U n1  U p1 ) .
(9)
Ostatecznie napięcie wyjściowe układu jest opisane zależnością:
4
4
k 1
k 1
U o  A(U p 4  U n3  U p3  U n2  U p 2  U n1  U p1  U n4 )  A(U pk  U nk ) (10)
a)
Up4
Up3
Up2
+
-
Up1
OA1 ¼
LTC2052CS
+
-
OA1 ¼
LTC2052CS
(b)
R
R (a)
R
R
+
Un1
Un2
Un3
(d)
R
OA1 ¼
LTC2052CS
R (c)
OA2 ¼
LTC2052CS
+
-
R
(f)
R
+
R
R
(g) R
R
+
-
OA1 ¼
LTC2052CS
U0
OA2 ¼
LTC2052CS
Un4
Un3
Up3
NC
NC
NC
NC
NC
Un2
Up2
NC
NC
Un4
Uout
NC
NC
NC
NC
Up1
Un1
NC
NC
15
GND
1
UEE
GND
NC
Up4
16
NC
NC
30
UCC
c)
NC
b)
d)
Rys. 2. Realizacja hybrydowa ośmiowejściowego wzmacniacza operacyjnego: schemat ideowy (a),
płytka montażowa (b), opis wyprowadzeń (c) i widok (d)
Fig. 2. Realizations of eight-input operational amplifier of HIC: schematic diagram (a) printed circuit
board (b), connection diagram (c) and photography (d)
104
P. Holajn
Układ hybrydowy ośmiowejściowego wzmacniacza operacyjnego o schemacie ideowym
(rys. 2a) wykonano w technologii montażu powierzchniowego (SMT - Surface Mount
Technology) o rozmiarze elementów 1206. Płytkę drukowaną (rys. 2b) zaprojektowano pod
obudowę typu DIP-600 mil, dzięki czemu układy pasują pod standardowe podstawki.
W układzie praktycznym zastosowano rezystory o wartości R=1kΩ i tolerancji 1% lub 0,1%
natomiast jako wzmacniaczy operacyjnych użyto dwóch układów zawierających po cztery
wzmacniacze operacyjne typu LM324, LT1353CS lub LTC2052CS w zależności od wersji.
Opis wyprowadzeń ośmiowejściowego hybrydowego wzmacniacza operacyjnego przedstawiono na rys. 2c.
3. MAKROMODEL HYBRYDOWEGO MIOA
Częstotliwościowe
właściwości
rzeczywistego
wielowejściowego
wzmacniacza
operacyjnego w pierwszym przybliżeniu mogą być aproksymowane funkcją operatorową
rzędu pierwszego [8]. Prosty makromodel stosowany w symulacjach komputerowych złożony
z idealnych elementów obwodowych pokazano na rys. 3. Wzmocnienie wzmacniacza opisuje
w przybliżeniu funkcja:
A( s) 
Uo
4

 (U pk  U nk )
Ao
s
1
p
k 1
gdzie: A0=gmRp, p=1/RpCp.
Up1
Un1
+
gm
-
Up2
Un2
+
gm
-
Up3
Un3
+
gm
-
Up4
Un4
+
gm
-
(11)
1
Cp
Rp
U0
Rys. 3. Makromodel ośmiowejściowego HIC-MIOA
Fig. 3. Macromodel of eight-input HIC-MIOA
4. APLIKACJE Z ZASTOSOWANIEM HIC-MIOA
Wielowejściowy wzmacniacz operacyjny pozwala na realizację prostych układów bez
dodatkowych biernych elementów zewnętrznych. Wzmacniacze napięciowe o niedużych
całkowitych lub ułamkowych wartościach współczynników wzmocnienia realizuje się przez
Hybrydowy ośmiowejściowy wzmacniacz…
105
wprowadzenie sygnałów wejściowych na wybraną liczbę wejść oraz dokonanie sprzężenia
zwrotnego na inną określoną liczbę wejść. Wejścia niewykorzystane łączy się z zaciskiem
odniesienia o potencjale zerowym. Na rys. 4 pokazano kilka przykładów zastosowań
pojedynczych HIC-MIOA w układach analogowego przetwarzania sygnałów:
 wzmacniacz napięciowy nieodwracający o regulowanym wzmocnieniu β (rys. 4a),
 wzmacniacz napięciowy odwracający o regulowanym wzmocnieniu γ (rys. 4b),
 wzmacniacz napięciowy nieodwracający o regulowanym wzmocnieniu ułamkowym 1/α
(rys. 4c),
 czterowejściowy wzmacniacz napięciowy sumujący nieodwracający (rys. 4d),
 dwuwejściowy wzmacniacz różnicowy o wzmocnieniach ustawianych liczbą połączonych
zacisków wejściowych (rys. 4e).
Na bazie wielowejściowego wzmacniacza operacyjnego oraz dołączonej konduktancji
zewnętrznej można w prosty sposób zbudować wzmacniacz transkonduktancyjny (rys. 4f)
sterowany różnicowymi sygnałami napięciowymi o ustawianych wartościach wzmocnień,
które realizuje się poprzez odpowiednie połączenie zacisków wejściowych z sygnałami
wejściowymi i pętlami sprzężenia zewnętrznego [4].
a)
b)
4b
b
Uin+
+
+
+
+
HIC
MIOA
Uin-
U0
+
+
+
+
g
3g
U0  b Uin+
c)
U0
HIC
MIOA
U0   g Uin-
d)
a
4a
Uin+
+
+
+
+
HIC
MIOA
+
+
+
+
U0
Uin4
Uin3
Uin2
Uin1
U0 = 1/a Uin+
e)
U0
HIC
MIOA
4
U 0   U ink
k 1
f)
a
Uin-
g
4ga
4b
Uin+
b
+
+
+
+
Uin-
HIC
MIOA
U0
b
3b
3a
U0  (bUin+ gUin-)/a
Uin+
a
+
+
+
+
HIC
MIOA
G
I0 G(aUin+ bUin-)
Rys. 4. Przykłady aplikacji z zastosowaniem HIC-MIOA w układach analogowych
Fig. 4. Examples of applications of HIC-MIOA in analog systems
I0
106
P. Holajn
Uzupełniając układy z HIC-MIOA o klucze analogowe, sterowane cyfrowo można do
zastosowań cyfrowych budować proste napięciowe układy bezrezystancyjne. Przykładem
może być dwubitowy przetwornik C/A z rysunku 5.
a1
a0
+
+
+
+
U0
HIC
MIOA
U0 = Uref (a1 + ½ a0)
Uref
Rys. 5. Dwubitowy bezrezystancyjny przetwornik C/A na bazie ośmiowejściowego HIC-MIOA
Fig. 5. A two-bit nonresistance D/A converter using eight-input HIC-MIOA
Może on być łatwo rozszerzony na większą liczbę bitów przy użyciu wzmacniacza o
odpowiedniej liczbie zacisków wejściowych (rys. 6a). Przy zastosowaniu na wejściach MIOA
tranzystorów MFGMOS z pływającą bramką swobodną z określonymi współczynnikami
wagowymi układ przetwornika będzie miał postać jak na rys. 6b.
a)
b)
a2
a1
a0
+
+
+
+
+
+
+
+
HIC
MIOA
U0
a2
a1
- MFGMOS
w2=1
+ MIOA
w1=½
+
w0=¼
+
a0
U0
U0 = Uref (a2 + ½ a1 + ¼ a0)
Uref
Uref
Rys. 6. Trzybitowy przetwornik C/A na bazie HIC-MIOA (a) i MFGMOS-MIOA (b)
Fig. 6. A 3-bit D/A converter using HIC-MIOA (a) and weighted input MFGMOS-MIOA (b)
Na bazie wzmacniaczy transkonduktancyjnych (rys. 4f) można w prosty sposób
zrealizować napięciowe układy całkujące przez podłączenie na wyjściu pojemności C będącej
ich obciążeniem [1]. Przykładem jest różnicowy układ całkujący o ustawianych wartościach
wzmocnień sygnałów wejściowych (rys. 7a) opisany zależnością:
Uo 
(aU in   bU in  )
sRC
(12)
Natomiast na rys. 7b pokazano napięciowy różnicowy układ różniczkujący opisany
wzorem:
Hybrydowy ośmiowejściowy wzmacniacz…
Uo 
107
AsRC
(U in   U in  )
sRC  1
(13)
a)
Uin-
b
3b
3a
Uin+
a
+
+
+
+
HIC
MIOA
G
U0
C
b)
Uin-
Uin+
+
+
+
+
HIC
MIOA
G
C
+
+
+
+
HIC
MIOA
G
U0
Rys. 7. Układy analogowego przetwarzania sygnałów: napięciowy różnicowy układ całkujący (a)
i napięciowy różnicowy układ różniczkujący (b)
Fig. 7. Dynamic analog signal processing circuits: voltage differential integrator (a) and voltage
differential differentiator (b)
5. WYNIKI POMIARÓW LABORATORYJNYCH UKŁADÓW
Z ZASTOSOWANIEM HIC-MIOA
W celu zilustrowania działania układów z zastosowaniem modelu ośmiowejściowego
wzmacniacza operacyjnego HIC-MIOA przedstawiono kilka przykładów pomiarów
laboratoryjnych oraz jego wykorzystanie.
Rys. 8. Przebiegi czasowe napięć wejściowych Uin1 i Uin2 oraz napięcia wyjściowego U0 układu
dwuwejściowego sumatora z rys. 4d
Fig. 8. Waveforms of input voltages Uin1, Uin2 and output voltage U0 for two-input additional amplifier
in Fig. 4d
108
P. Holajn
Na rysunku 8 przedstawiono przebiegi sygnałów w układzie nieodwracającego
wzmacniacza sumującego (rys. 4d) dla k=2 pełniącego role wtórnika napięciowego, w którym
sygnał sinusoidalny Uin1 jest przełączany napięciem źródła stałego Uin2.
Na rysunku 9 pokazano przebiegi napięć wyjściowych dla różnych częstotliwości
napięcia wejściowego dwuwejściowego wzmacniacza różnicowego z rys. 4e dla zadanych
parametrów α=1, β=4 i γ=0.
a)
b)
c)
Rys. 9. Przebiegi napięcia wyjściowego U0 dwuwejściowego wzmacniacza różnicowego dla napięć
wejściowych Uin+ = 200 mV i Uin- = 0 oraz częstotliwości f = 1 kHz (a), f = 100 kHz (b) i
f = 200 kHz (c)
Fig. 9. Waveforms of output voltage U0 two-input differential amplifier for inputs voltages Uin+ = 200
mV and Uin- = 0 V for frequencies f = 1 kHz (a), f = 100 kHz (b) i f = 200 kHz (c)
Na rysunku 10 przedstawiono przebiegi sygnałów wejściowych i wyjściowego w dwubitowym napięciowym bezrezystancyjnym przetworniku cyfrowo-analogowym (rys. 5). Na
rysunku 11 pokazano przebiegi napięcia wyjściowego różnicowego układu całkującego
zrealizowanego na bazie różnicowego wzmacniacza transkonduktancyjnego (rys. 7a) dla
Hybrydowy ośmiowejściowy wzmacniacz…
109
sygnału wejściowego prostokątnego podanego na wejście odwracające i nieodwracające dla
zadanych parametrów α = 1 i β = 1.
Rys. 10. Przebiegi sygnałów wejściowych i wyjściowego w dwubitowym bezrezystancyjnym C/A
przetworniku z rys. 5
Fig. 10. Waveforms of input and output signals of two-bit nonresistance D/A converter in Fig. 5
a)
b)
Rys. 11. Przebiegi napięcia wyjściowego różnicowego układu całkującego z rys. 7a dla sygnału
wejściowego prostokątnego podanego na wejście Uin+ (a) i na wejście Uin- (b) dla danych
R = 1 kΩ, C = 1nF, α = 1 i β = 1
Fig. 11. Waveforms of output voltage of differential integrator in Fig. 7a for square signal given at
input Uin+ (a) and at input Uin- (b) for parameters R = 1 kΩ, C = 1 nF, α = 1 and β = 1
6. WNIOSKI KOŃCOWE
Model hybrydowego ośmiowejściowego wzmacniacza operacyjnego przedstawiony
w pracy w praktyce nadaje się do symulacji i wstępnych badań właściwości obwodów
z zastosowaniem wzmacniaczy MIOA wykonanych także w innej technologii. Zaprezentowane przykłady mogą być wykorzystane w laboratorium analogowego przetwarzania
110
sygnałów jako
operacyjnych.
P. Holajn
fizyczna
ilustracja
uniwersalności
wielowejściowych
wzmacniaczy
BIBLIOGRAFIA
1. Geiger R. L., Sanchez-Sinencio E.: Active filter design using operational transconductance
amplifiers: A tutorial. „IEEE Circuits and Devices Magazine” 1985, Vol. 1, s. 20-32.
2. Yang K., Andreou A. G.: A multiple input differential amplifier based on charge sharing on
floating-gate MOSFET. “Analog Integrated Circuits and Signal Processing” 1994, Vol. 6, s. 197208.
3. Topór-Kamiński L.: Wielowejściowy wzmacniacz operacyjny w układach o skokowo
ustawianych wzmocnieniach. XXV IC–SPETO’02, Gliwice-Ustroń 2002, s. 313-316.
4. Topór-Kamiński L., Holajn P.: Symulacja aktywna filtrów RLC z zastosowaniem
wielozaciskowych wzmacniaczy operacyjnych. XXV IC-SPETO’02 Gliwice-Ustroń 2002, s. 369372.
5. Topór-Kamiński L.: Wielozaciskowy napięciowy WO z tranzystorami MOS o bramce swobodnej.
Krajowa Konferencja Elektroniki, Kołobrzeg 2002, CD.
6. Topór-Kamiński L.: Wielowejściowy wzmacniacz operacyjny w prądowych układach
nieliniowych. Zeszyty Naukowe Pol. Śląskiej, Seria „Elektryka” z. 182, Gliwice 2002, s. 151-164,
7. Topór-Kamiński L., Pasko M.: Digitally tuned universal filters with multiple input operational
amplifiers. Institute of Electrical Engineering Acad. Sci. Czech Republic. “Acta Techn.” 2003,
Vol. 48, s. 379-394.
8. Topór-Kamiński L., Holajn P.: Digitally tuned voltage filter using the multiple inputs operational
amplifiers pole. Gliwice-Ustroń XVII IC-SPETO, s. 245-249.
Recenzent: Dr hab. inż. Andrzej Rybarczyk, prof. Politechniki Poznańskiej
Wpłynęło do Redakcji dnia
Abstract
The paper presents an idea and practical realizations of eight-input operational amplifier
(MIOA) of hybrid integrated circuit (HIC). There is proposed simple one-pole macromodel of
ideal circuit elements. There are described chosen circuits based on eight-input operational
amplifier with or without external elements:
- voltage non-inverting amplifier of gain adjusted β (Fig. 4a),
- voltage inverting amplifier of gain adjusted γ (Fig. 4b),
- voltage non-inverting amplifier of adjusted fractional gain 1/α (Fig. 4c),
- four-input non-inverting additional amplifier (Fig. 4d),
Hybrydowy ośmiowejściowy wzmacniacz…
-
111
two-input differential amplifier of gain adjusted by the change of connected inputs (Fig.
4e).
There is shown voltage digital-to-analog converter based on the HIC-MIOA. The
amplifier proposed has been applied in order to build transconductance amplifier with the help
of external conductance, as well (Fig. 4f).
The results of measurements for analogues circuits basing on HIC-MIOA have been
shown. The hybrid eight-input operational amplifier described in this paper can be applied for
initial researches and simulations of systems with its. The presented researches enable the
design and realizations of MIOA in other technologies.