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Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
Schaltungstechnik       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

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


Heute


Der Operationsverstärker


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


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

Der Operationsverstärker


a) Determine the values for AVD(f3dB), AVD(ft) and phase margin φm
b) Calculate the signal bandwidth for a closed loop amplifier with a gain of 200.

Der Operationsverstärker


Frequency response U3.8


Datenblatt TL071

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



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 codeBinary Code
T6T5T4T3T2T1T0 B2B1B0
0000000 000
0000001 001
0000011 010
0000111 011
0001111 100
0011111 101
0111111 110
1111111 111

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 BitsMaximum OffsetGain
40.0625 · Vref 16
80.004 · Vref 256
100.001 · Vref 1024
120.0025 · Vref 4048

The offset of a comparator depends on the size of the CMOS input transistors:
Voffset ∝ \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: 000000011111111Encoded binary code1000
Sparkle code: 000000010111111Encoded binary code1110
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.

fsample = 4 Hz, Tsample = 0.25 s,
fsignal = 2.4 Hz, Tsignal = 0.417 ms,
falias = fsample - fsignal = 1.6 Hz, Talias = 0.625 ms,

Red: sample points; blue and green 2 possible signals
The frequencies fsignal and n fsample ± fsignal, 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 fS gives a frequency spectrum from 0 to fS/2.
Only this range of interested is highlighted in the figures.
The number of sampled points NFFT gives the minimum frequency and the frequency resolution:
fmin = fstep = fS * 2 / NFFT
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



Nächstes Mal



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