PROJETÃO

Question 1

INTRODUÇÃO

Answer 1

Os Amplificadores Operacionais são componentes de grande importância na eletrónica, devido à sua versatilidade estão presentes numa grande variedade de aplicações

Nesta apresentação irei então apresentar o trabalho realizado no ambito do PIPP- programa de introdução à prática professional. Realizado na synopsys

Para este trabalho foi proposto a montagem de um circuito amplificador, inserido numa malha com realimentação negativa. Após a montagem procedeu-se com a testagem do circuito, cujos resultados serão apresentados neste trabalho

Question 2

INDICE

Answer 2

Nesta apresentação começarei então por primeiramente explicar o funcionamento de um amplificador operacional.

Depois irei explicar como foi feito o dimensionamento dos componentes do circuito, respeitando os requisitos de funcionamento.

Seguidamente, recorrendo às ferramentas de software disponibilizadas pela Synopsys, serão apresentados os resultados obtidos a partir das simulações do comportamento do circuito REAL. Começamos por simular o circuito em condições normais, e depois em condições variáveis.

Depois será também apresentado os resultados da simulação do circuito em malha fechada.

Question 3

FUNCIONAMENTO DO AMPOP

Answer 3

Como discutido anteriormente, o Amplificador Operacional é um componente de extrema importância na eletrónica. O seu comportamento, aliado às várias configurações de realimentação tornam-no num componente muito versátil.
Durante o estágio realizado na synopsys foi montado um circuito amplificador, com realimentação negativa aqui apresentado.

A realimentação negativa permite um ganho muito estabilizado, característica que é importante ter em conta para certas aplicações como por exemplo amplificadores de aúdio.

Também poderia ser utilizada realimentação positiva, no entanto esta configuração tende a apresentar valores de ganho menos estabilizados.

Vamos então analisar o circuito que forma o amplificador.

Question 4

CIRCUITO DENTRO DO AMPOP

Answer 4

Para a montagem do circuito do Amplificador alguns conceitos têm de se ter em conta:
Primeiramente o Amplificador amplifica a tensão que lhe é dada à entrada (mais concretamente amplifica a diferença de tensão aplicada entre o terminal de entrada positivo e negativo), ou seja o sinal à saída é igual ao sinal à entrada multiplicado por um ganho, Ad

Para que o ganho do Amplificador seja elevado é necessário então que a resistência de entrada seja bastante elevada (idealmente infinita), e que a resistência de saída seja muito reduzida (idealmente zero).

Para além destes conceitos, a escolha dos componentes a serem utilizados no circuito tem de estar alinhada com a sua aplicação.
Uma vez que a empresa Synopsys se foca no design de circuitos integrados, escolheu -se utilizar MOSFET’s. No entanto também seria possível criar uma montagem amplificadora utilizando transístores de junção bipolar (BJT) por exemplo.

Question 5

PAR -DIFERENCIAL

Answer 5

Rodeado pelo tracejado branco está representado o circuito Par-Diferencial.

Question 6

ESPELHO DE CORRENTE

Answer 6

Fazendo um raciocínio análogo ao Par-Diferencial, uma vez que os Transístores M27 e M28 são iguais, a corrente que entra no dreno de cada um também o será (𝑉_𝐷𝑆28=𝑉_𝐷𝑆27=𝑉_𝐺𝑆

Question 7

DIMENSIONAMENTO PT1

Answer 7

Observando a imagem, verificamos que há uma resistencia ligada a uma das entradas do Amplificador.
Esta resistencia não está dimensionada

Question 8

DIMENSIONAMENTO PT2

Answer 8

Observando então o circuito que constitui o Amplificador, podemos observar que a Resistência R23 está ligada ao transístor M28, obtendo um circuito semelhante ao seguinte

Question 9

DIMENSIONAMENTO PT3

Answer 9

Em que If é a corrente que saí do par- Diferencial, e da Resistência R23 uma vez que se trata de um espelho de corrente como explicado anteriormente

Question 10

DIMENSIONAMENTO PT4

Answer 10

Substituímos então a resistência por uma fonte de corrente ideal, de 100 Micro Amperes.

Question 11

DIMENSIONAMENTO PT5

Answer 11

Fez-se depois a analise DC do circuito, de forma a calcular a queda de tensão aos terminais da fonte de corrente.
Sabendo a queda de tensão, e o valor da corrente calcular o valor da resistência foi trivial, recorrendo à lei de ohm.
Calculou-se então uma resistência de 11,76Kohm que foi posteriormente colocada novamente no circuito

Question 12

SIMULAÇÃO EM CONDIÇÕES NORMAIS

Answer 12

Concluído o dimensionamento da resistência R23, começou-se o estudo do ganho e da fase da montagem para averiguar a sua estabilidade.
Para tal, realizou-se uma simulação LSTB, sem considerer variações na temperature, na tensão de alimentação ou na velocidade dos transistores.. Esta simulação devolve o diagrama de bode do circuito, presente na figura.
Por observação do gráfico superior, verificamos que a montagem obteve um ganho DC de 51.3 dB, o que é um valor considerável. Esse valor de ganho manteve-se constante até aos 250kHz momento onde começou a decrescer. Este decréscimo deve-se à capacidade do amplificador[2].
A margem de fase pode ser estudada analizando o gráfico de baixo, no mesmo ponto em que o gráfico do ganho cruza a linha dos 0dB. Como se pode observar, a margem de fase obtida é de 74.9º por isso podemos concluir que o circuito é estável uma vez que é superior a 45º momento a partir do qual se consideraria que um circuito está no limiar da estabilidade.
Podemos também determinar o produto ganho largura de banda, analisando a frequência em que o Gráfico do ganho(em cima) cruza os 0dB. Neste caso o valor obtido foi de 171 MHz. Este produto é importante uma vez que permite saber o ganho máximo que pode ser alcançado a uma dada frequência e vice-versa

Question 13

PSRR

Answer 13

A simulação de rejeição de ruído da alimentação, relacionam as oscilações no sinal de saída com as variações no sinal da tensão de alimentação VPH, e pode ser calculado através da seguinte fórmula
Na figura, o gráfico superior relaciona o valor de supressão de ruído em função da frequência. Os valores do eixo das ordenadas (PSRR) apresentam valores negativos uma vez que está a ser estudada a rejeição de ruído, então quanto mais negativo o valor, maior a rejeição e vice-versa.
Assim verifica-se que a rejeição de ruído da alimentação apresenta um comportamento semelhante à curva do diagrama de bode do ganho (figura 4.3.1). Ou seja, a rejeição é máxima e constante para frequências mais baixas onde apresenta um valor em módulo de 56 dB.
No entanto ao atingir os 40 MHz, a rejeição de ruído passa a diminuir com a frequência, atingindo um mínimo em módulo de 38 dB à frequência de 400MHz.
A partir do mínimo uma característica interessante acontece, devido à existência de uma capacidade de saída(figura 4.1.1 e Anexos figura 4), o valor de PSRR volta a aumentar. Ou seja, a rejeição de ruído passa a não depender da malha de realimentação, mas sim da existência de uma capacidade de saída. Quanto mais elevado for o valor dessa capacidade melhor será a melhoria na rejeição de ruído a altas frequências.

Question 14

SIMULAÇÃO EM CONDIÇÕES VARIÁVEIS

Answer 14

Nesta secção é apresentado o estudo do comportamento do circuito em situações diferentes da normal.
Simulou-se o circuito em temperaturas entre os -40º e os 125º, e dentro desse intervalo de temperaturas foi também feito variar o valor de VPH em 5%, ou seja o entre 1.71V e 1.89V.
Para além da variação na temperatura e da tensão de VPH, foi também estudado o impacto das variações possíveis da velocidade dos transistores nMOS e pMOS.
Assim, simulamos ainda as situações em que os transístores NMOS funcionavam com a maior velocidade possível e os PMOS o contrário e vice-versa, ou ambos na velocidade máxima ou na pior opção, em que ambos funcionavam com a menor velocidade possível. Esta simulação permite avaliar se o circuito apresenta algum comportamento indesejado dentro do intervalo de condições para o qual o circuito foi planeado para funcionar.
Os resultados obtidos podem ser observados na figura seguinte:
Cada uma das linhas apresentadas representa uma combinação diferente de parâmetros. Assim, podemos observar que em todas as condições o comportamento do circuito é bastante semelhante, notando-se apenas uma variação pouco significativa no valor do ganho.
Podemos concluir então que dentro do intervalo definido o circuito funciona corretamente

Question 15

SIMULAÇÃO MALHA FECHADA

Answer 15

Para esta etapa do estudo do circuito, a saída foi ligada à malha de realimentação de forma a criarmos uma malha de realimentação em malha fechada e de ganho unitário

Question 16

RAMPA DE TENSÃO

Answer 16

Após montado o circuito em malha fechada aplicou-se uma rampa de tensão à entrada, e fez-se uma simulação transiente. Os resultados obtidos podem ser observados no gráfico
A vermelho está representada a rampa de tensão aplicada à entrada e a roxo o sinal à saída. Uma vez que o ganho é unitário ambas as curvas deveriam ser iguais até à ao valor de tensão de VPH(1.8V), a partir dessa tensão de entrada era esperado que o Amplificador entrasse na saturação ou seja, a linha que representa a tensão à saída estabilizaria a 1.8 V, por maior que fosse a tensão aplicada à entrada.
No entanto, por observação do gráfico podemos verificar que a tensão à saída não consegue alcançar os 1.8V, estabilizando antes nos 1.6V. Isto deve-se ao facto de estar a ser simulado um amplificador real, e não ideal. Desta forma, 1.6V é o valor real máximo de tensão à saída do Ampop.
O degrau que se pode observar inicialmente no sinal de saída é devido ao tempo que levou à corrente a chegar à saída.

Question 17

SLEW RATE

Answer 17

Mantendo o circuito em malha fechada, foi aplicado uma onda quadra à entrada, de forma a estudar a velocidade de resposta do Ampop, a uma variação na tensão aplicada à entrada.
Ao contrário de uma onda quadrada ideal, o tempo de reação do Amplificador a variações na tensão à entrada não é instantâneo, fazendo com que a reta de transição entre tensões apresente um declive. A esse declive dá-se o nome de Taxa de variação, ou como é mais vulgarmente conhecido, Slew-Rate.
O gráfico resultante da simulação transiente pode ser observado na seguinte imagem:
A linha roxa representa o sinal de saída, e a vermelho está representado o sinal de entrada. Como podemos observar o sinal de saída não obteve diferenças muito acentuadas relativamente ao sinal de entrada, ou seja o slew-rate é bastante elevado, medindo-se um valor de 94.8MV/s, ou seja para uma variação de 94,8V essa transição demorará 1 μs.

Question 18

OVERSHOOT

Answer 18

Recorrendo à mesma simulação utilizada para o cálculo do slew-rate, foi observada a existência de overshoot.
Uma vez que o ganho da montagem é unitário, as ondas de saída e de entrada deveriam ser iguais. No entanto, como analisado anteriormente, tal não acontece, uma vez que está a ser simulado um amplificador real e não ideal, o que resulta nalgumas diferenças entre os sinais de entrada e de saída.
Uma dessas diferenças ocorre quando mais vulgarmente na presença de degraus, quando o sinal de saída oscila e alcança valores de tensão superiores aos do sinal aplicado à entrada. A este fenómeno dá-se o nome de overshoot.
Para analisar a presença de overshoot, foi necessário ampliar o gráfico do sinal de saída da simulação anterior.
Como se pode observar, o sinal de saída excedeu ligeiramente o valor de tensão imposto à entrada, podendo afirmar-se que ocorreu overshoot. O valor máximo de overshoot foi de 905MV excedendo o valor da tensão de entrada por 4mV, e demorou apenas cerca de 14ns o que é um comportamento bastante favorável.

Question 19

LAYOUT

Answer 19

Por fim foi feito o Layout do Amplificador, de forma a estimar a sua área num circuito integrado. O Layout foi planeado com o objetivo de ocupar a menor área possível sem que violasse regras de design. O resultado obtido após a testagem não apresentar erros pode ser observado na seguinte figura:
Estima-se assim, que a área estimada para este amplificador num circuito integrado é de aproximadamente 1000μm2.

Question 20

CONCLUSÕES

Answer 20

Nesta apresentação abordou-se o estudo do comportamento de um amplificador operacional, numa malha inversora.
Para a montagem do circuito Amplificador foram utilizados transístores MOSFET’s uma vez que é para ser aplicado num circuito integrado.
Ao simular a montagem completa, e por análise do diagrama de bode concluiu-se que o circuito era estável a 25º para frequências até 170MHz.
Em condições variáveis verificou-se que o circuito não apresentava falhas de funcionamento dentro dos parâmetros testados: a temperatura entre os - 40º e 125º e tensão de alimentação entre os 1.71V e 1.89V, considerou-se também as variações nas velocidades dos transístores nMOS e pMOS .
Para calcular o valor real da tensão máxima à saída do ampop foi feita a simulação de transiente, aplicando uma rampa de tensão na entrada. A tensão à saída parou de aumentar e estabilizou quando atingiu os 1.6V.
Repetindo a simulação, mas aplicando uma onda quadrada à entrada foi possível calcular o valor de slew-rate do Amplificador, cerca de 94.8MV/s, e verificar a ocorrência de overshoot.
Por fim, o layout do circuito amplificador permitiu calcular a sua área num circuito integrado, a área obtida foi de aproximadamente 1000 μm2.