slew rate di un inverter usato come amplificatore

[carloc]

venexian massimo slew rate e tempo di salita sono due cose diverse.

Quello che dici vale con l'operazionale in linearità

Invece lo slew rate non è il tempo di salita del sistema in linearità, è invece un fenomeno di saturazione della velocità di variazione dell'uscita.

Non è questione di non aver capito la singola frase, forse hai solo dimenticato il contesto di analisi in linearità che è l'ipotesi che sottende quello che dici

[venexian]

Appare evidente che la questione sia di terminologia e della sua corretta applicazione.

Partiamo dalla definizione di slew-rate. Non credo di sbagliare se ritengo che Wikipedia-italiano non sia un riferimento attendibile, dato che lo definisce come ‘grandezza elettrica che indica la velocità, espressa in unita di tempo’.

La stessa pagina in inglese recita ‘In electronics, slew rate is defined as the change of voltage per unit of time’. Qui sono pienamente d'accordo e mi lancio in una traduzione: 'In elettronica, lo slew-rate è definito come la variazione di tensione per unità di tempo' (senza alcuna implicazione o restrizione).

Carlo, tu definisci lo slew-rate come il rateo di variazione della tensione di uscita dovuto ad uno specifico fenomeno, cioè quello della limitazione della corrente fornita dallo stadio finale. Questo però è solo uno degli utilizzi di quella grandezza, non può essere preso come definizione della grandezza stessa.

Ti faccio un esempio:

Io costruisco una scatola nera che ti presento come amplificatore. All’interno, senza dirtelo, realizzo il circuito con un operazionale velocissimo, ma con una retroazione che lo limita fortemente in frequenza. Se adesso ti chiedo di determinare lo slew-rate di quella scatola nera, come fai?

Posso supporre che tu ci applichi all’ingresso un gradino e che tu vada a misurare il tempo di salita all’uscita. Lo slew-rate sarà dato dal rapporto tra la variazione di tensione (10%-90%) e il tempo impiegato per percorrere il tratto.

Questa misura non ha nulla a che vedere con la motivazione per la quale l’uscita varia più lentamente di quanto faccia l’ingresso. Essendo una scatola nera, non hai neppure la possibilità di stabilire se il rallentamento è dovuto a saturazione di uno stadio qualsiasi, a una limitata capacità di corrente dei finali, oppure alla limitazione imposta dalle caratteristiche dinamiche della rete di retroazione all’interno della scatola.

Che poi l’utilizzo più comune del termine slew-rate sia quello di caratterizzare uno specifico parametro di tutti gli amplificatori operazionali, non ci piove, ma le condizioni al contorno necessarie per la misura di quello specifico parametro non possono essere promosse a condizioni necessarie alla definizione della grandezza.
Sarebbe come dire che la tensione è solo quella di offset, o che la frequenza è solo quella di taglio.

Tornando alla questione iniziale, la stessa era nata sulla dipendenza o meno dello slew-rate di un amplificatore retroazionato dalla funzione di trasferimento del blocco di reazione. Io ritengo che lo slew-rate di un amplificatore retroazionato dipenda dalla rete di retroazione, anche se trova il suo limite massimo nelle caratteristiche del blocco di amplificazione.

Ad essere indipendente dalla retroazione è il limite massimo dello slew-rate, non lo slew-rate mostrato dall’amplificatore in se.

[venexian]

Mentre pensavo alla questione sulla termine slew-rate, ho montato il circuito per provarlo. Ero effettivamente curioso di vedere quanto la retroazione potesse linearizzare un amplificatore talmente non lineare, quanto una porta logica.

Ho utilizzato un 4069 della Motorola con più di trent’anni di vita, sfruttando i primi tre inverter per ottenere tre amplificatori con Av pari a 1, 10 e 100, con R2 = 10 kohm e R1 = 10, 100 khom e 1 Mohm.
Lo schema è quello del post [3], senza il condensatore di disaccoppiamento. Gli altri tre inverter hanno l’ingresso al riferimento VSS, e sull’alimentazione ci sono un tantalio da 22 uF e un ceramico da 100n.

Le misure sono state effettuate a due tensioni di alimentazione: 5 V e 15 V.

Misure a 5 V
Uscita non saturata: 1 Vrms = 2,8 Vpp
Av1 = 0,83 | f3dB = 7,95 MHz | tr = 130 ns | f3dB * tr = 1,0 | Slew-rate = 21 V/us
Av10 = 8,8 | f3dB = 1,45 MHz | tr = 760 ns | f3dB * tr = 1,1 | Slew-rate = 3,7 V/us
Av100 = 79 | f3dB = 195 kHz | tr = 4,6 us | f3dB * tr = 0,9 | Slew-rate = 0,61 V/us

Misure a 15 V
Uscita non saturata: 2.4 Vrms = 6,8 Vpp
Av1 = 0,91 | f3dB = 10,5 MHz | tr = 47 ns | f3dB * tr = 0,50 | Slew-rate = 140 V/us
Av10 = 9,0 | f3dB = 2,27 MHz | tr = 230 ns | f3dB * tr = 0,52 | Slew-rate = 30 V/us
Av100 = 86 | f3dB = 630 kHz | tr = 930 ns | f3dB * tr = 0,59 | Slew-rate = 7,3 V/us

L’elettronica mi piace sempre di più.

[MarcoD]

Finalmente uno che monta qualcosa e fa delle misure !!!

Vivissimi complimenti per il bel montaggio sperimentale :
basetta millefori nuova
piano di massa con lamierino di rame
Integrato su zoccolo
utilizzo di componenti R e C SMD ben saldati
Saldature pulite.

Vedo la mano di un tecnico professionista o un hobbista coi baffi!!

Dai valori di guadagno misurato (0.91, 9, 86) rispetto a quello teorico (G = R1/R2= 1, 10, 100), ho cercato di ricavare l'amplificazione della porta NOT, ho impostato l'equazione, ma non mi viene di risolverla rapidamente, per il momento desisto, lascio il compito a qualche volenteroso.

Riguardo a:

Ad essere indipendente dalla retroazione è il limite massimo dello slew-rate, non lo slew-rate mostrato dall’amplificatore in se.

, per me il limite massimo è lo slew rate, ma può essere una questione di definizione, non insisto.

Prova ad applicare un ingresso a onda quadra di 10 Vpp tale da saturare sempre la porta, lo slew rate dell'uscita dovrebbe essere indipendente dal guadagno.

[ingmarketz]

Grazie mille per i vostri commenti. Tuttavia mi pare la cosa stia andando un po fuori tema. Provo ad aggiungere qualche commento.

1) mi pare di aver capito che non sia bene chiaro da cosa nasce l'esigenza di usare un inverter come amplificatore, (il quale comunque non era il principale punto della mia iniziale domanda) quindi volevo rispondere inizialmente a questa domanda. L'elettronica si sta evolvendo in una direzione low power low voltage e bassa occupazione d'area. Io mi occupo di queste applicazioni, che non sono i soliti circuiti con cui il tipico perito ha a che fare ogni giorno. Per esempio in very low voltage circuit non mi posso permettere un tipico stadio differenziale composto de 3 MOSFET stacked uno sopra l altro perche' richiedono una power supply troppo alta. Il trend oggi giorno e' di progettare amplificatori con 2 soli MOSFET stacked uno sopra l altro. Esistono tantissimi esempi i IEEE dove gli invertitori sono preferiti invece dei normali amplificatori. (Provero' a scrivere un articolo come ho avuto delle sicurezze su come testarlo). Altri invece cercano di ridurre il numero di MOS nei circuit esistenti ("differential amplifier without tail curent source (2 only stacked MOSFET)"). In conclusione, penso che questa sia una piu' che sufficiente motivazione per reinventare l'inverter.

2) A Marco D. : purtroppo mi pare che tu ci sia un problema di "professione" tra me e te. Io parlo da analogico e tu parli con terminologia digitale :) forse perche' vedendo un inverter tu continui a vedere un circuito digitale , mentre io lo vedo come un circuito analogico (visto che tutti i circuiti digitali sono analogici ;) ). Comunque quando io dico un MOSFET in saturazione intendo VDS > VGS -VTHN mentre tu invece mi pare di aver compreso intendevi che il mosfet e' compltamente acceso ovvero nella terminologia anlogica in triodo.
Quindi, una volta fissato il "riferimento cartesiano" poi forse ci possiamo capire :).
[commento 6]

3) Non so chi l'abbia accennato per primo, che il rapporto tra la variazione di tensione e il tempo (10%-90%) e' lo slew rate. Questo devo dire e' del tutto sbagliato. visto che lo slew rate va misurato nell'istant in cui l'uscita inizia a cambiare e dal momento che la pendenza del segnale id uscita cmabia nel tempo, allora il punto di misura della pendenza e' importante e non puo' essere misurato tra il 10% e il 90% del sengale di uscita [commento 12]

4) la mia domanda iniziale era solo : se lo slew rate deve essere misurato applicando un segnale di ingresso mantenendo allo stesso tempo i mosfet in saturazione (vgs-vhtn<VDS) o meno. In caso affermativo mi pare ovvio che l'ampiezza del gradino debba cadere nella zona linear il che significa : VIL < VIN < VIH approsimativmente.

Spero di essermi fatto capire :). Comunque ringrazio per tutti i commenti che avete lasciato specilalmente il vdieo che venexian ha condiviso . Mi ritornera' molto utile in futuro. Grazie ancora.

[venexian]

@ingmarketz
L'intervallo 10%-90% l'ho citato io. E' l'intervallo sottinteso nel quale si media un valore istantaneo come lo slew-rate per avere un numero reale e non una funzione. Lo slew-rate è dV/dt, su questo credo siamo d'accordo tutti e allora o si parla di slew-rate in un preciso istante (o tensione) oppure è necessario stabilire un intervallo entro il quale eseguire la media dei valori istantanei. La scelta dei due limiti 10% e 90% è per evitare i comportamenti imprevedibili agli estremi e mediare valori più sensati.

Dopo il tuo chiarimento sull'oggetto della domanda... mi sono perso. Se stiamo parlando di MOSFET integrati, come intendi eseguire le prove? Hai un 'test bed' con transistor sparsi che puoi connettere a piacimento?

Posso però provare a rispondere alla tua domanda. Una coppia di MOSFET non è un OPA che puoi caratterizzare separatamente ad un livello di astrazione superiore rispetto al 'transistor level'. Restano comunque due transistor con un comportamento pesantemente influenzato da ciò che andrai a collegarci in ingresso, in uscita e in reazione. Non esiste allora un modo per ottenere il valore di un parametro come lo slew-rate definito per un OPA, relativo a due transistor visti come amplificatore.

Ciò da cui dovresti partire è il prodotto rise-time*bandwidth che per un sistema del primo ordine vale circa 0.35. Il massimo slew-rate che puoi ottenere dipende dalla tensione di alimentazione e dalla rete di reazione che modifica la banda e quindi il tempo di salita minimo ottenibile.

Riguardo all'ampiezza del segnale di ingresso, non ha senso parlarne se prima non viene definita l'amplificazione ad anello chiuso. Prima devi definire la 'compliance di uscita' compatibile con la massima distorsione che ammetti sul tuo segnale o sulla tua funzione di trasferimento, che è poi la stessa cosa. Poi definisci la 'compliance di ingresso' che è quella che ti fa ottenere il massimo segnale di uscita compatibile con l'amplificazione assegnata. Poi applichi un segnale quadro di quell'ampiezza e misuri lo slew-rate. Quello è il massimo che puoi ottenere da quell'amplificatore.

Nella caratterizzazione degli operazionali, dato che sono blocchi ben separabili da carico e sorgente, il massimo slew-rate è comunque definito in condizioni particolari e precisate. E' comune, per esempio, definirlo per un determinato valore differenziale di ingresso (usuali sono i 60 mV). E' ovvio che queste specifiche non possono essere applicate ad una coppia di transistor.

Se poi non ho ancora capito niente, non mi preoccupo, intanto ho ragionato su cose interessanti.

@MarcoD
tecnico professionista? Hahaha, io sono un meccanico. Sono in prestito all'elettronica da circa un anno e provo a imparare qualcosa.

Ho provato anch'io a risalire alla a(s) partendo dai dati riportati sopra, ma non c'è verso. Credo intervengano fattori di non linearità dipendenti dalla frequenza e che rendano l'impresa troppo ardua.

Prova ad applicare un ingresso a onda quadra di 10 Vpp tale da saturare sempre la porta, lo slew rate dell'uscita dovrebbe essere indipendente dal guadagno.

Ho fatto le prove, ma nell'ordine:

1. 10 Vpp non sono sufficienti perché la reazione nell'amplificatore con Av = 1 è troppo invasiva e non consente di uscire dalla zona lineare.
2. Negli altri due amplificatori, il fatto che l'uscita sia caricata su due differenti resistenze di reazione influenza il comportamento dello stadio di uscita.
3. Il fatto che il tempo di salita sia stato nell'ordine 38 ns, 52 ns, 84 ns ne è la prova.

Ho disconnesso allora la reazione di uno degli amplificatori e ho provato il tempo di salita ad anello aperto del solo inverter. Apriti cielo: con ingresso pari all'alimentazione, ho ottenuto 58 ns. Riducendo l'ampiezza del segnale di ingresso e modificando l'offset si raggiungono i 28 ns.

Nel datasheet si vedono solo i due transistor, la resistenza di protezione e i diodi di shunt. A rigor di logica, per quanto di elettronica ho capito fino ad ora, un tale comportamento è giustificato dalla pesante saturazione, oltretutto asimmetrica dei due transistor. Posso ipotizzare anche qualche esoterico comportamento di capacità interne modulate dall'ampiezza dei segnali. Troppo difficile.

[gammaci]

ingmarketz : 3) Non so chi l'abbia accennato per primo, che il rapporto tra la variazione di tensione e il tempo (10%-90%) e' lo slew rate. Questo devo dire e' del tutto sbagliato. visto che lo slew rate va misurato nell'istant in cui l'uscita inizia a cambiare e dal momento che la pendenza del segnale id uscita cmabia nel tempo, allora il punto di misura della pendenza e' importante e non puo' essere misurato tra il 10% e il 90% del sengale di uscita [commento 12]

E' ragionevole pensare che lo slew rate (slewing rate) sia una funzione non lineare dell'ampiezza del segnale d'uscita. In effetti nella pratica reale di misura questo parametro viene ricavato indirettamente da un altro detto "Full Power Response". Attenzione, non stiamo parlando di riduzione del guadagno in funzione della frequenza ma della frequenza massima alla quale con guadagno unitario l'amplificatore (o buffer o inverter) può fornire la massima escursione d'uscita Eo senza distorsione dovuta a slew rate.
Vale anche per un signale sinusoidale, per il quale la massima limitazione si avrebbe nel passaggio per lo zero (coseno) e che si può considerare proporzionale alla frequenza e all'ampiezza di picco.
Quindi zero, non 10 o 90 %.

Comunque quando io dico un MOSFET in saturazione intendo VDS > VGS -VTHN

Usa Latex altrimenti non si vede l'uguale


Una AN che può chiarire qualche dubbio si trova qui http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN-356.pdf

[ingmarketz]

Grazie mille per gli ultimi due commenti sono stati molto di aiuto... E' smpre bello avere uno scambio di opinioni, specie quando ti risolvono qualche dilemma.
Grazie ancora :)

[carloc]

Vedi venexian la terminologia è pure importante, ma il concetto che c'è dietro lo è di più: tempo di salita e slew rate sono due cose diverse chiaramente definite.

Il tempo di salita, lo dice il nome, è un tempo e si misura in secondi.
Esempio:
Questo amplificatore ha un tempo di salita di 10 ns significa che con un gradino in uscita di 100 mV avrò la salita da 10 mV a 90 mV in 10ns.
Se cambio l'ingresso in modo di avere un gradino in uscita di 1V avrò la salita tra 100 mV e 900 mV negli stessi 10 ns.
Lo stesso con 10 V in uscita, 10 ns tra 1V e 9V.
Questo perché caratterizza un comportamento lineare dell'amplificatore.

Invece lo slew rate è la pendenza della tensione in uscita, si misura in V/s e non è un tempo, ma una pendenza che è una cosa diversa perché c'è pure la tensione di mezzo.

Nei tre esempi sopra le pendenze sarebbero:
80mV / 10ns = 8 V/us
800mV / 10ns = 80 V/us
8V / 10ns = 800 V/us

e si vede che a parità di banda, di posizione del polo dominante e di tutto quello che dicevi la semplice variazione di livello del segnale in uscita comporta una variazione di slew rate.

Ora se l'amplificatore di cui sopra fosse caratterizzato da uno slew rate massimo di 100 V/us si avrebbe che i primi due gradini sarebbero "come ti aspetti" dall'analisi in linearità.

Invece il terzo, quello di 10V non potrebbe avere un tempo si salita (sempre tra 10% e 90%) minore di


Vedi il comportamento non lineare? Se supero una certa ampiezza l'impulso viene distorto. Lo stesso si applica ovviamente anche ad altre forme d'onda.

Con questo esperimento sei in grado di caratterizzare la "scatola nera" che mi avevi proposto e di separare chiaramente i due effetti.

P.S. Wikipedia NON è la fonte

P.P.S Il limite sulla corrente di uscita non c'entra niente, o meglio potrebbe essere pure lui causa dello stesso fenomeno su carichi capacitivi ma non è questa la causa primaria della limitazione di slew rate che c'è anche con uscita "aperta".

Quello che succede in due parole è che il differenziale in ingresso dell'opamp satura, quindi fornisce una corrente costante all'amplificatore di tensione che segue. Questo, normalmente compensato per dare un polo dominante, è in pratica un integratore. Corrente costante in un integratore = rampa a pendenza costante. Pendenza! Non tempo di salita

[venexian]

Carlo, da quanto scrivi appare come se nei post precedenti io avessi confuso tempo di salita e slew-rate. Non è così: se hai il tempo, prova a rileggere. E’ Wikipedia-italiano che commette questo errore, non io, che oltretutto l’ho fatto anche notare.

Mi pare anche evidente dal rapporto delle misure in [13].

Da quanto sopra, direi che sul significato fisico del termine slew-rate, siamo in accordo. Ciò su cui continuiamo a divergere è il significato di slew-rate di un amplificatore. Tu continui ad affermare che è un parametro legato alla condizione di saturazione, cosa sulla quale io non concordo.

Lo slew-rate come lo definisci tu, è uno dei parametri che caratterizzano gli amplificatori operazionali e deve essere misurato specificando le condizioni in ingresso, come lo sono ad esempio i 60 mV di DV per saturare il differenziale. In questo caso, lo slew-rate (che io chiamo massimo slew-rate) è indipendente dalla rete di retroazione, mentre è definito dalla rete di compensazione interna, o esterna nel caso degli amplificatori decompensati.

Lo slew rate come lo definisco io è un concetto più ampio, che comprende quello precedente e che esula dalla saturazione o non saturazione. Definisce una parte della risposta al gradino di qualsiasi amplificatore.

Nella tua definizione, il dV/dt ottenibile da un amplificatore resta dV/dt ‘senza nome’ fino a quando non si raggiunge la saturazione, poi prende il nome di slew-rate. Nella mia si chiama sempre slew-rate e prende il nome di ‘massimo slew-rate’ non quando si arriva in condizione di saturazione, ma quando il valore raggiunge il suo massimo.

Torno a ripetere che è solo una questione di termini, non di concetto. Questo non significa che la cosa non possa essere un problema e credo che una semplice domanda possa rivelare questa criticità:

nel caso dell’amplificatore a inverter, il suo ‘slew-rate’ dipende o non dipende dalla rete di reazione R1-R2 applicata ai due transistor?

Secondo te?