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Circuito OP Amp programmabile

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Circuito OP Amp programmabile

Messaggioda Foto UtenteRoswell1947 » 20 dic 2020, 13:32

Buongiorno, ho un esercizio di cui allego foto
In figura è indicato lo schema di principio di un
amplificatore programmabile di tipo differenziale.
Illustrarne nel dettaglio il principio di funzionamento
supponendo che questo elemento costituisca lo stadio
di ingresso di una ADC sigma-delta.Non riesco a trovare nulla in rete,qualcuno potrebbe spiegarmi il funzionamento?grazie
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[2] Re: Circuito OP Amp programmabile

Messaggioda Foto Utenteg.schgor » 20 dic 2020, 18:13

Puoi indicare lo schema equivalente dei gates analogici (Gx)?
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[3] Re: Circuito OP Amp programmabile

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 20 dic 2020, 18:42

Penso che i vari gate analogici siano approssimabili a interruttori isolati aperti o chiusi.
Non so spiegare esattamente il funzionamento, e se lo sapssi, ritengo richiederebbe troppo tempo a descriverlo.
Con una sequenza opportuna i condensatori C1 e C2 si caricano sulla tensione in ingresso e poi si scaricano caricando C3 e C4. Variando il duty cycle delle commutazioni, dovrebbe esssere possibile variare il guadagno.
L'uscita Vout è proporzionale alla tensione di ingresso moltiplicata per il rapporto fra C2 e C4.
Lo schema non è chiaro relativamente a Vout: sono due uscite o una sola? Con lo stesso nome?

Un principio simile è sfruttato nei filtri a frequenza variabile e nei DAC con reti ladder a condensatori invece che con resistori.

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[4] Re: Circuito OP Amp programmabile

Messaggioda Foto UtenteMeiko » 20 dic 2020, 20:00

Salve. Non vorrei essere drastico, ma a me sembra più uno schema da depliant, realizzato da qualcuno che voleva mostrare una cosa di cui non sapeva bene le implicazioni reali.
Immagini del genere erano frequenti sulla copertina della rivista "Analog Dialogue" degli anni 60 e 70 quando l'elettronica digitale iniziava a divenire di dominio pubblico.

Senza avere una sigla, un valore dei componenti, potrebbe essere qualsiasi cosa, come una parte di un circuito filtro a capacità commutata conosciuto come "frequenci tunning". Potrebbe essere il front-end di un amplificatore strumentale, così come un operazionale CAZ che vuol dire: Capacitor Auto Zeroing; intendiamoci bene!
I simboli dei condensatori non vogliono dire nulla, a volte si rappresentava così il dipolo generico, così come ormai oggi convenzionalmente di usa il rettangolino con i due filetti uscenti dai lati stretti.

Gli amplificatori programmabili esistono, ma hai me non sono macchine digitali, ma analogiche. La loro programmazione è a risoluzione infinita e riguarda gli stadi mirror di corrente come ad esempio il tipo LM4250 oppure gli OTA (Operational Trasconduttance Amplifier) i quali dispongono di ingressi che sono in grado di modificare il guadagno senza agire sulla rete di retroazione, regolando la corrente che viene fatta scorrere attraverso di essi. Sono usati perché offrono impedenza di ingresso costante.
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[5] Re: Circuito OP Amp programmabile

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 21 dic 2020, 9:59

Roswell1947 ha scritto:qualcuno potrebbe spiegarmi il funzionamento?grazie


Il circuito mi ricorda molto quello dell'integratore a capacita` commutate.

G1 G2 e G5 si chiudono insieme e la tensione differenziale di ingresso va a finire sulla serie di C1 e C2, che credo siano uguali. Finita questa fase, si aprono i tre interruttori e si chiudono G3, G4, G6 e G7: la carica su C1 e C2 passa, grazie all'effetto dell'operazionale su C3 e C4. La sequenza di chiusura dei transmission gate dovrebbe essere data dal problema.

Credo che questi circuiti siano analizzati su CMOS Analog Circuit Design di Allen e Holberg.

Fai lo schema con fidocadj, cosi` si puo` spiegare meglio che cosa capita.

Altra possibilita`, per andare alla fonte originale di questo circuito, e` di guardare la documentazione di bordo che c'era nel disco volante precipitato, da cui sono stati copiati questi circuiti :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen:
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[6] Re: Circuito OP Amp programmabile

Messaggioda Foto UtenteRoswell1947 » 21 dic 2020, 10:45

Grazie per avermi fatto capire più o meno il principio,ma non capisco come avviene la programmabilità dell'amplificazione ed inoltre quando si chiudono G3,G4,G6 e G7 si hanno i due condensatori C1e C2 collegati all'ingresso Vref che arrivano ai due ingressi invertente e non invertete dell' op amp,in questo caso Vout a cosa sarà uguale ? Dalla figura mi sembra che anche l'output dell'op amp sia differenziale.

IsidoroKZ ha scritto:
Roswell1947 ha scritto:qualcuno potrebbe spiegarmi il funzionamento?grazie


Il circuito mi ricorda molto quello dell'integratore a capacita` commutate.

G1 G2 e G5 si chiudono insieme e la tensione differenziale di ingresso va a finire sulla serie di C1 e C2, che credo siano uguali. Finita questa fase, si aprono i tre interruttori e si chiudono G3, G4, G6 e G7: la carica su C1 e C2 passa, grazie all'effetto dell'operazionale su C3 e C4. La sequenza di chiusura dei transmission gate dovrebbe essere data dal problema.

Credo che questi circuiti siano analizzati su CMOS Analog Circuit Design di Allen e Holberg.

Fai lo schema con fidocadj, cosi` si puo` spiegare meglio che cosa capita.

Altra possibilita`, per andare alla fonte originale di questo circuito, e` di guardare la documentazione di bordo che c'era nel disco volante precipitato, da cui sono stati copiati questi circuiti :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen:
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[7] Re: Circuito OP Amp programmabile

Messaggioda Foto UtenteRoswell1947 » 21 dic 2020, 18:27

Ecco il circuito fidocad

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[8] Re: Circuito OP Amp programmabile

Messaggioda Foto UtenteMarcoD » 21 dic 2020, 18:37

Non oso scrivere che nello schema quello dell'operazionale è sbagliato.
Scrivo solo che è "strano", visto che ha ben sette connessioni. Come funziona?
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[9] Re: Circuito OP Amp programmabile

Messaggioda Foto UtenteRoswell1947 » 21 dic 2020, 18:56

MarcoD ha scritto:Non oso scrivere che nello schema quello dell'operazionale è sbagliato.
Scrivo solo che è "strano", visto che ha ben sette connessioni. Come funziona?


Hai ragione ma in fidocad non ho trovato un operazionale con uscita diferenziale....purtroppo nello schema originario c'è un uscita con due lineee quindi suppongo uscita differenziale (anche se non ne ho mai visti...) ho cercato di replicare al meglio l'esercizio che è stato proposto...se avete qualche idea....
la foto originale dell'esercizio era questa
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[10] Re: Circuito OP Amp programmabile

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 21 dic 2020, 19:55

Roswell1947 ha scritto:Ecco il circuito fidocad


Good job! Il simbolo dell'operazionale simmetrico c'e`, nella libreria EY di FIdocadj. Non e` che hai una versione vecchia o non l'hai scaricato da Github?

Il circuito che hai postato mi sembra un integratore, per essere un amplificatore bisogna periodicamente resettare i condensatori di retroazione C3 e C4.

Qui e` come mi pare che possa funzionare. Nella prima fase sono chiusi G1 G2 e G5,



Nella prima fase segui la maglia gialla: due condensatori si caricano a Vin+ - Vin- cioe` con la tensione differenziale totale Vdin, e ciascuno dei due, se sono uguali e se partono da condizioni iniziali uguali si caricano a Vdin/2 come indicato in blu.

Nota che C1 e C2 si caricano solo alla tensione differenziale, mentre la tensione di modo comune, qualunche essa sia, viene eliminata, principio del flying capacitor

In questi circuiti, fra una fase e l'altra prima si aprono gli interruttori che devono aprirsi poi si chiudono quello che devono chiudersi (non overlapping, oppure break-before-make).

La seconda fase la suddivido in due passi, cosi` si vede meglio. Dopo aver aperto G1 G2 e G5 si chiudono G3 e G4, ottenendo la situazione qui sotto



Le due tensioni alla destra di C1 e C2 hanno un valore differenziale pari a Vdin, mentre il modo comune, la tensione media e` pari a Vref.

Qui non ci sono trasferimenti di cariche, semplicemente il circuito si prepara a collegare C1 e C2 all'amplificatore, come qui sotto, chiudendo G6 e G7 e lasciando chiusi G3 e G4,



In questa fase entra in gioco l'operazionale e la retroazione, che fa si` che fra i due ingressi degli operazionali la tensione differenziale sia nulla, mentre la tensione comune non ha nessun effetto sull'operazionale.

I due condensatori C1 e C2 vengono scaricati dall'op amp retroazionato e la loro carica si trasferisce su C3 e C4.

Apro una parentesi. Sono sempre stato molto critico circa l'espressione massa virtuale e cortocircuito virtuale (vedere qui viewtopic.php?t=16478#p112710): questo e` proprio un caso in cui se si usa il cortocircuito virtuale o la massa virtuale si prendono cantonate.

Se la tensione di modo comune Vref non viene sentita dall'operazionale, perche' la si mette? Serve a garantire il funzionamento in linearita` dell'operazionale:le tensioni di ingresso tipicamente non possono essere troppo vicine alle alimentazioni, e nei circuiti a singola alimentazione bisogna usare qualche barbatrucco per non uscire dalla zona di corretto funzionamento (vedere qui per gli operazionali discreti)

La tensione differenziale che si trova in uscita, Vdout, supponendo che C3=C4 e C1=C2 vale Vdin x C3/C1.

ERRATA CORRIGE: sono una bestia, il rapporto delle capacita` e` al contrario, C1/C3
Vado a nascondermi in un angolo :(


Se si ripete il ciclo i condensatori C1 e C2 prendono un altro po' di carica dall'ingresso e la trasferiscono su C3 e C4, in pratica si ha un integratore in cui la resistenza solita dell'integratore e` sostituita dalle capacita` commutate C1 e C2.

Se si vuole fare un amplificatore bisogna resettare a ogni ciclo C3 e C4, e mettere altri due condensatori con interruttori sull'uscita che campionino la tensione di uscita dell'operazionale e la mantengano quando C3 e C4 sono resettati.

In questo caso, per fare un amplificatore ad amplificazione variabile si potrebbero fare n cicli con gli interruttori di ingresso e resettare C3 e C4 solo ogni n cicli, accumulando piu` carica. Mi pare che non sia una soluzione usata.

In definitiva non so come quel circuito possa essere un amplificatore controllato: per amplificare si devono resettare C3 e C4. Per cambiare il guadagno si possono cambiare i valori delle capacita` mettendo in parallelo piu` o meno capacita`, di solito scalate secondo le potenze di 2.
Per usare proficuamente un simulatore, bisogna sapere molta più elettronica di lui
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