Schaltungstechnik

10/11 Operationsverstärker

Prof. Dr. Jörg Vollrath

09 Differenzverstärker

Elektronik 3 Operationsverstärker

Video der 10. Vorlesung 21.4.2021

Länge:

0:0:0 Wilsonstromspiegel

0:2:55 Gleichtaktverstärkung

0:6:38 Eingangsspannung und Gate source Spannung

0:14:10 Diskussion vernachlässigen

0:16:10 Folie Gleichtaktverstärker

0:18:0 LTSPICE

0:20:46 Übertragungsfunktion, Bodediagramm

0:22:10 Rechnung Differenzverstärkung

0:28:51 vd = 100 oder 40.6 dB

0:30:10 Gleichtaktverstärkung LTSPICE

0:31:20 Avgl = -46 dB

0:38:25 vgl1 = 1/gm7/rd5 = - 46 dB

0:43:44 CMRR = 86 dB (86 dB / 6 dB = 14 Bit)

0:47:8 Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich

0:54:30 Operationsverstärker versus einfacher Verstärker

1:4:16 OpAmp Symbole

1:6:54 Erster Operationsverstärker

1:7:53 Realer Operationsverstärker

1:9:17 TLC272

1:12:35 Statische Parameter

1:19:0 Schaltbild vom TLC272

Video der 11. Vorlesung 27.4.2021

Länge:

0:0:0 Arbeitspunkt

0:3:58 KP, KN, KN', beta

0:7:13 Bodediagramm Operationsverstärker

0:10:50 Transitfrequenz

0:15:0 Analyse mir Excel

0:19:10 Überlagerung Excelgleichung und Datenblatt

0:20:53 Verstärkung in dB

0:24:2 Übertragungsfunktion

0:27:0 Phase margin

0:27:42 Gain band width GBW = ft * 1 = f*Av(f)

0:30:0 Externe Beschaltung

0:31:51 LTSPICE Simulation

0:36:20 Datenblattwerte

0:38:45 OpAmp als Comparator

0:43:10 Hysterese

0:44:14 Rechnung Hysterese

0:50:42 Hysterese Spannung

0:53:35 Zeichnung Hysterese, Signal und Ausgang

0:59:0 Diskussion Vref, VDD, VSS Verschiebung der Kurve

1:3:50 3 Bit Flash Analog Digital Konverter (ADC)

1:10:30 Rechnung und Zeichnung Übertragungsfunktion

1:14:30 Delta, LSB abs

1:17:40 Fehler 1/2 LSB

Rückblick und Übersicht

Differenzverstärker
Gleichtakt und Gegentakt
Funktionsweise
CMRR und PSRR

Heute

Der Operationsverstärker
3 bit Flash ADC

Der Operationsverstärker

Why Operational Amplifiers? U3.1
OpAmp Symbols U3.2
First commercial OpAmp U3.3
Packaging U3.4

CMOS Operationsverstärker TLC272 gebondeter Chip

Man kann integrierte Bauelemente auch als Wafer oder Chips bekommen.
Das Bild zeigt den Chip TLC272 dessen Bondpads mit feinen Golddrähten (25 µm Dicke) mit dem Gehäuse verbunden sind.
Pin 1 ist bei dem Bild rechts oben, damit die Eingänge links und die Ausgänge rechts sind.
Die Chips wurden hier an der Hochschule Kempten im Labor Mikrosystemtechnik gebondet.
Es befinden sich 2 Operationsverstäker auf dem Chip. Einer oben und einer unten.
Die Spannungsversorgungspads befinden sich in der Mitte rechts (VDD) und links (GND).
Links oben und unten befinden sich jeweils die beiden Eingänge.
Links In+ rechts In-.
Rechts oben und unten befinden sich die Ausgänge.
Der Chip ist 1.524 mm x 1.8542 mm (60 mil x 73 mil) gross.
Weitere Informationen findet man auch im Datenblatt.

Der Operationsverstärker

Static parameters U3.5, U3.6

CMOS Operationsverstärker TLC272

Quelle: Texas Instruments Datenblatt tlc272a.pdf

Referenzstromquelle rechts: P5, P6, N6, N7, R7
Differenzverstärker: P1, P2, P3, N1, N2
Zenerdiode für den Startup
2.te Verstärkerstufe: Sourceschaltung: N3, P4
Ausgangsstufe: N4, N5
Frequenzgangkompensation: R5, C1

Der Operationsverstärker

27.04.2021

Bode Diagramm TL071
Komparator, Hysterese
Flash ADC

Der Operationsverstärker

a) Determine the values for A_VD(f_3dB), A_VD(f_t) and phase margin φ_m
b) Calculate the signal bandwidth for a closed loop amplifier with a gain of 200.

Der Operationsverstärker

Frequency response U3.8

Datenblatt TL071

Datenblatt: 6.18. Avd = 200000
Datenblatt: 6.17. GBW = 5.25 MHz

Vergleich Figure 6-48 und Excel.

Diskussion 3 dB Eckfrequenz
\( \underline{A_{VD}} (j\omega) = \frac{A_{VD}(DC)}{1+ j \frac{f}{f_{3dB}}}\)

Phase margin
\( \phi_m = 180° - |\phi (f_t) | \gt 45°, 60° \)

TL071 Simulation

Der Operationsverstärker

Comparator U3.9
Hysteresis U3.10
Simulation

Schmitt Trigger

Ein Schwellwertschalter mit Hysterese

Reale Signale haben immer Störungen.
Kleine Wechselspannungen sind dem idealen Signal überlagert.
Wenn sich das Eingangssignal ändert kann es an der Umschaltschwelle durch die Störsignale zum mehrmaligen Umschalten oder Prellen führen.
Um das zu verhindern kann man einen Tiefpass oder eine Hysterese einsetzen.

Schmitt Trigger in LTSPICE

Realer Operationsverstärker
\( U_{amax}, U_{amin} \)
LTSPICE: DC Simulation zeigt keine Hysterese
Transiente Simulation
LTSPICE Mausklick auf x - Achse: V(ve)
Hysterese:
\( U_H = \left( U_{amax} - U_{amin} \right) \frac{R_1}{R_2} \)
\( U_H = \left( 14 V - (- 14 V) \right) \frac{1 k\Omega}{10k\Omega} = 2.8 V \)
Oszilloskopmessung: x-y Betrieb

Flash ADC U3.16

Master Electrical Engineering: Interface Electronics

Operation

Resolution B

Speed

Power

Relative Schrittweite:
Least significant bit
Relative
\( LSB_{rel} = \frac{1}{2^B} \)
Absolut:
\( LSB_{abs} = \frac{V_{ref}}{2^B}\)

B: Anzahl Bits
Vref: Referenzspannung
Vorsicht beim Runden vom LSB.

cmosedu_models.txt

The Flash ADC generates a thermometer code.

Thermometer code							Binary Code
T6	T5	T4	T3	T2	T1	T0	B2	B1	B0
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	0	0	1	0	0	1
0	0	0	0	0	1	1	0	1	0
0	0	0	0	1	1	1	0	1	1
0	0	0	1	1	1	1	1	0	0
0	0	1	1	1	1	1	1	0	1
0	1	1	1	1	1	1	1	1	0
1	1	1	1	1	1	1	1	1	1

For each level one comparator is needed. High count of comparators, high input capacitance.
High resolution requires low comparator offset and high gain to generate a full level digital signal.

Number of Bits	Maximum Offset	Gain
4	0.0625 · V_ref	16
8	0.004 · V_ref	256
10	0.001 · V_ref	1024
12	0.0025 · V_ref	4048

The offset of a comparator depends on the size of the CMOS input transistors:
V_offset ∝ \( \frac{1}{\sqrt{W \cdot L}} \)

Lower noise means higher area and higher input capacitance.

If the requirement for comparator offset is not met or noise is present sparkle codes can happen.
The thermometer code is corrupted having more than one transition from 0 to 1.

Correct code:	000000011111111	Encoded binary code	1000
Sparkle code:	000000010111111	Encoded binary code	1110

The code for the first '01' transition is 'OR'ed with the code of the second '01' transition.
Additional digital circuit can be required.
Comparators can feedback noise to the reference voltage ladder. Capacitive coupling between comparator output and intput.

Analog-Digital-Wandler (ADC)

Master Electrical Engineering: Interface Electronics

B: Anzahl Bits
Vref: Referenzspannung

Beispiel: B = 12, Vref = 4 V

\( LSB_{rel} = \frac{1}{2^{12}} = \frac{1}{4096} = 0.00024414 = 244 ppm \)

\( LSB_{abs} = \frac{4 V}{2^{12}} = \frac{4 V}{4096} = 976.56 uV \)

Achtung bei der Rundung vom LSB:
4095 * 976.56 uV = 3.999 V
4095 * 976 uV = 3.996 V

3 mV Unterschied in der Rechnung > 0.976 mV

Uniform sampled time signals: Aliasing

Samples spaced with sampling period \( T_S = \frac{1}{f_S} \).
Multiple continous timesignals can generate the same discrete time signal.

f_sample = 4 Hz, T_sample = 0.25 s,
f_signal = 2.4 Hz, T_signal = 0.417 ms,
f_alias = f_sample - f_signal = 1.6 Hz, T_alias = 0.625 ms,

Red: sample points; blue and green 2 possible signals
The frequencies f_signal and n f_sample ± f_signal, n integer, are indistinguishable in the discrete time domain.

Frequency Domain: Aliasing

The frequencies fx and nfs ± fx, n integer, are indistinguishable in the discrete time domain

Nyquist zones
1st: 0..fs/2; 2nd: fs/2..fs;
3rd: fs..3/2fs; 4th: 3/2 fs..2fs

Anti aliasing filter

Having a sampling frequency f_S gives a frequency spectrum from 0 to f_S/2.
Only this range of interested is highlighted in the figures.
The number of sampled points N_FFT gives the minimum frequency and the frequency resolution:
f_min = f_step = f_S * 2 / N_FFT
The figure shows a linear scaling of the frequency x-axis.
Most of the time a logarithmic frequency scaling is used.

Zusammenfassung und nächste Vorlesung

Operationsverstärker
Flash ADC

Nächstes Mal

12 Operationsverstärker Rückgekoppelter Operationsverstärker, Offset Spannung

2021 Schaltungstechnik 10 Operationsverstärker Prof. Dr. Joerg Vollrath

Schaltungstechnik

10/11 Operationsverstärker

Prof. Dr. Jörg Vollrath

Video der 10. Vorlesung 21.4.2021

Video der 11. Vorlesung 27.4.2021

Rückblick und Übersicht

Heute

Der Operationsverstärker

CMOS Operationsverstärker TLC272 gebondeter Chip

Der Operationsverstärker

CMOS Operationsverstärker TLC272

Der Operationsverstärker

Der Operationsverstärker

Der Operationsverstärker

Frequency response U3.8

TL071 Simulation

Der Operationsverstärker

Schmitt Trigger

Schmitt Trigger in LTSPICE

Flash ADC U3.16

Operation

Resolution B

Speed

Power

Analog-Digital-Wandler (ADC)

Uniform sampled time signals: Aliasing

Frequency Domain: Aliasing

Zusammenfassung und nächste Vorlesung