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In che modo la resistenza di compensazione in un amplificatore invertente compensa la corrente di polarizzazione in ingresso?

Ti suggeriamo di testare questa risposta in un ambiente controllato prima di passarla alla produzione, saluti.

Soluzione:

Esempio di schema bipolare e descrizione comportamentale

Vediamo l'LM324. Si tratta di un amplificatore bipolare ed è anche molto più facile da seguire rispetto ad altri. Ma è comunque abbastanza rappresentativo delle idee di base relative alla vostra domanda:

schema

simulare questo circuito - Schema creato con CircuitLab

Avete chiesto se la coppia differenziale può essere NPN o PNP. In questo caso, è PNP. Utilizza una disposizione Darlington PNP, più precisamente con quattro transistor; da Q_1 a Q4. La sorgente di corrente, $I_1$ è nominalmente divisa equamente tra le due correnti di coda (i collettori di $Q_2$ e $Q_3$ in particolare). Quindi, se gli ingressi hanno lo stesso voltaggio, ci aspettiamo che ci siano $3:mutext{A}$ in ogni coda.

Le correnti di coda vengono convogliate in uno specchio di corrente, formato da $Q_8$ e $Q_9$, il che significa che qualsiasi corrente differenza sarà o spinta verso l'esterno o risucchiato verso l'interno attraverso il percorso verso la base di $Q_{10}$. Se l'ingresso (-) è inferiore rispetto all'ingresso (+), allora viene tirata più corrente verso la coda sinistra e meno corrente verso la coda destra. Le sezioni diff-pair e current-mirror rispondono a questa situazione facendo affondare la differenza come corrente di base tramite $Q_{10}$. Si tratta di un'operazione a guadagno molto elevato e risulta in $Q_{10}$ avvicinando il suo emettitore al collettore (che si trova a massa). $Q_{11}$ e quindi anche $Q_{12}$, causando $Q_{12}$ di rilasciare un po' il suo collettore, permettendo alle basi di $Q_5$ e $Q_{13}$ di salire verso l'alto. $Q_5$ assorbirà la corrente da $I_3$ in modo che la coppia Darlington di $Q_5$ e $Q_6$ tireranno i loro emettitori più in alto, innalzando così $V_testo{OUT}}.

L'effetto complessivo è che quando l'ingresso (+) sale rispetto all'ingresso (-), l'uscita sale in risposta. Che è esattamente la risposta desiderata.

C'è fino a circa 100$:´mu´text{A}´ disponibili in $I_3$, di cui circa la metà o 50:mutext{A} è affondata tramite $I_4$. Quindi ci saranno al massimo circa 50:mu{A}} disponibili alla base di $Q_5$. Dato il solito caso peggiore ´beta´ stime, diciamo $beta=40$ o giù di lì, questo suggerisce forse una capacità massima di approvvigionamento di 40^2^2^cdot 50:mutext{A}approssimativamente 80:text{mA}$. La specifica dice che è almeno 20:text{mA}$ e tipicamente $40:text{mA}$ senza indicare un massimo, il che è ben motivato per quanto riguarda le specifiche.

Una certa corrente di ricombinazione della base è richiesta da $Q_1$ e $Q_4$. È modesto, perché $I_1$ non è una corrente elevata. Quindi, nominalmente, solo $3\:mutext{A}$ scorre in ciascuna coda. Data la disposizione Darlington, le correnti di base saranno dell'ordine di $1600times$ più piccole (anche se possiamo suggerire un valore inferiore a 400 volte come limite conservativo). Da ciò si potrebbe ipotizzare, nel peggiore dei casi, correnti di base di circa 10:text{nA}$. Il foglio delle specifiche dice che i casi peggiori sono un po' di più. Ma non molto di più. Il motivo è che si vogliono gestire i casi in cui le differenze di tensione sono un po' più grandi del normale, quando un lato o l'altro entra in saturazione. Quindi anche questo è perfettamente ragionevole.

C'è un degno di nota. Da quando $Q_{12}$ è a massa, la base di $Q{12}$ è a terra. $Q_{11}$ si trova a circa due $V_testo{BE}} dal suolo. Ciò significa che la base di $Q_{10}$ è circa uno $V_testo{BE} sopra il suolo. Ciò significa che il collettore di $Q_{9}$ si trova nello stesso punto del collettore di $Q_{8}$. Questo aiuta ad annullare l'effetto Early che altrimenti potrebbe essere un problema in $Q_{10}$. Un'altra buona decisione progettuale in questo circuito. ( $C_testo{C}$ è una capacità di Miller disposta in modo da impostare un valore di polo dominante posizione. Non è questo il campo di applicazione).

Tutti questi sono solo alcuni concetti circuitali di base e dovete assicurarvi, nella vostra mente, che tutto questo abbia un senso.

Correnti di base di $Q_1$ e $Q_4$

Ora siamo arrivati a questo punto. Tutto quello che dovete fare è capire che dai circuiti devono esserci almeno delle piccole correnti di base in $Q_1$ e $Q_4$ che sono affondate esternamente verso il terreno. Se si lega a terra una delle basi con un $10:text{k}Omega$ e l'altro ingresso a massa con un resistore $100:text{k}Omega$ allora bisogna rendersi conto che ci sarà una corrente di polarizzazione simile, necessaria affinché i BJT a coppie diverse possano rimanere in modalità attiva (dove è necessario che siano).

Nominalmente, in questo caso, con le correnti di base all'incirca uguali, ma in cui tali correnti devono essere affondate attraverso resistenze con valori diversi di un ordine di grandezza, deve accadere che vi sia una piccola differenza di tensione alle basi di $Q_1$ e $Q_4$. Poiché gli emettitori di $Q_2$ e $Q_3$ sono legati insieme, ciò significa che la differenza di tensione si traduce in una differenza esponenziale nelle correnti di coda. Ciò si tradurrà in una tensione di uscita sfalsata rispetto a quella nominale da un guadagno di trans-impedenza piuttosto elevato. La retroazione può aiutare a correggere questo errore, naturalmente. Ma è un problema evitabile. Quindi dovreste evitarlo.

In breve, ogni amplificatore operazionale ha un amplificatore differenziale all'ingresso.

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Pertanto, ogni transistor ha bisogno di una corrente di "base" (corrente di polarizzazione in ingresso) per funzionare come amplificatore.

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Quindi, ad esempio, nell'amplificatore invertente (quando $V_{IN} = 0V$ ), questa corrente di polarizzazione in ingresso causerà una caduta di tensione sul resistore e questa caduta sarà amplificata dal guadagno dell'amplificatore. Pertanto, si ha un offset di tensione continua indesiderato all'uscita.

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Ma possiamo eliminare questo offset DC se riusciamo a portare la differenza di tensione tra gli ingressi a $V_{+} - V_{-} = 0V$

Possiamo farlo se scegliamo $R_3$ il valore del resistore in modo che $R_3 = R1||R_2$

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È difficile comprendere questa idea altrimenti semplice a causa della strana tecnica di polarizzazione utilizzata negli stadi differenziali di ingresso degli amplificatori operazionali. Mentre il bias classico è dal lato dell'ingresso (base), qui il biasing è implementato dal lato dell'uscita (emettitori). Si tratta di un altro argomento, ma è bene ricordare che questo trucco è possibile in questo caso poiché la tensione del nodo comune tra gli emettitori uniti è fissata in modalità differenziale (non si può usare nello stadio a singolo emettitore comune poiché la tensione dell'emettitore seguirà la tensione di base e non ci sarà amplificazione).

Quindi, la sorgente di corrente costante di polarizzazione fa sì che i transistor regolino la loro tensione di emettitore comune in modo da far passare la corrente di emettitore di polarizzazione pari a 1/2. A tal fine, essi regolano la loro beta volte le correnti di base più piccole prodotte dalla stessa sorgente di corrente di emettitore.

Ma queste correnti di polarizzazione in ingresso devono andare da qualche parte. E i progettisti hanno scelto una soluzione insolita far passare le correnti attraverso le sorgenti di tensione di ingresso. A questo scopo, devono essere "galvaniche" (conduttrici); se non lo sono, devono essere shuntate con elementi ad (alta) resistenza per garantire un percorso per la corrente di polarizzazione.

Quindi, questa è la situazione - le correnti di polarizzazione in ingresso fluiscono attraverso le sorgenti di tensione in ingresso e le loro resistenze interne. Se ci sono resistenze aggiuntive in serie (come nel caso), le correnti di polarizzazione fluiranno anche attraverso di esse. Lo si può vedere nella coppia differenziale più semplice (in linea di principio, si tratta della stessa configurazione). Consideriamo innanzitutto il caso con sorgenti di tensione d'ingresso uguali ma senza resistenze di base (Fig. 1):

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Fig. 1. La coppia differenziale più semplice con resistenza di emettitore e senza resistenze di base (non è lo schema circuitale più bello del mondo.ma funziona comunque:)

Le correnti di base di polarizzazione Ib1 e Ib2 sono rappresentate nella Fig. 1 da sottili spire in blu. Come si può vedere, sono create dall'alimentazione negativa -V. Le correnti passano attraverso Re e Vin ed entrano nelle basi (Re è sostituito nello stadio operazionale dal complesso circuito di pull-down).

Consideriamo, ad esempio, la corrente Ib2. Si noti che Vin2 e -V sono collegati in serie. Quindi, quando Vin2 è positivo, viene aggiunto a -V e la tensione risultante (-V + Vin2) crea Ib2; quando Vin2 è negativo, viene sottratto da -V e la tensione risultante (-V - Vin2) crea Ib2. Pertanto, Ib2 entra sempre nella base quando Vin2 varia tra -V e +V. La sua entità è quasi costante nello stadio operazionale perché Re è sostituito da un elemento a corrente costante (transistor) con una buona "tensione di conformità".

Di conseguenza, le correnti di polarizzazione "creano", secondo la legge di Ohm V = I.R, cadute di tensione sulle resistenze. Esse sono costanti poiché sia la corrente che la resistenza sono costanti. Quindi, possiamo pensare a queste resistenze come a delle "batterie" a tensione costante, collegate in serie alle tensioni di ingresso variabili. A seconda della polarità, queste tensioni si aggiungono o si sottraggono alle tensioni d'ingresso; in questo modo "spostano" le tensioni d'ingresso variabili con un piccolo costante valore.

Consideriamo ora il caso con tensioni di ingresso nulle, ma una "ideale" e l'altra reale. Ad esempio, l'ingresso sinistro (base T1) è collegato direttamente a terra e l'ingresso destro (base T2) è collegato a terra tramite una resistenza RB:

Coppia differenziale RB2

Fig. 2. Coppia differenziale con un dissipatore di corrente di emettitore e un resistore di base RB2 incluso

Ho spiegato questa disposizione concettuale in una domanda simile: - Perché la caduta di tensione creata da una coppia di emettitori e da un resistore di base?
Perché viene aggiunta la caduta di tensione creata da una sorgente di corrente?

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Fig. 3: Schema concettuale di un amplificatore operazionale con transistor p-n-p in ingresso (LM 324)

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Fig. 4: Schema concettuale di un amplificatore operazionale con transistor n-p-n in ingresso (LM 741)

Possiamo regolare la tensione "prodotta" da queste "batterie" modificando la resistenza (non possiamo modificare la corrente, poiché è regolata dalla sorgente di corrente di polarizzazione interna agli emettitori).

Nel circuito dell'OP, I- crea una caduta di tensione attraverso R1||R2 che si aggiunge a Vin-. Per compensarla, dobbiamo aggiungere la stessa caduta di tensione a Vin+; quindi includiamo un resistore R3 con lo stesso valore (R1||R2) in serie a Vin+.

Si tratta quindi di una semplice disposizione elettrica di due sorgenti (di tensione e di corrente) e di un resistore dove la combinazione della sorgente di corrente e del resistore può essere considerata come un'altra sorgente di tensione, ma costante, in serie alla sorgente di tensione d'ingresso variabile

Questa soluzione circuitale viene utilizzata nelle strutture interne degli amplificatori operazionali (ad esempio, nel 709 di Widlar) per "spostare" le variazioni di tensione all'uscita degli stadi di ingresso.



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