電子回路論第3回 electric circuits for physicists #3 · 電子回路論第5回 electric...

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電子回路論第5Electric Circuits for Physicists #5 東京大学理学部・理学系研究科 物性研究所 勝本信吾 Shingo Katsumoto

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Page 1: 電子回路論第3回 Electric Circuits for Physicists #3 · 電子回路論第5回 Electric Circuits for Physicists #5 東京大学理学部・理学系研究科 物性研究所

電子回路論第5回

Electric Circuits for Physicists #5

東京大学理学部・理学系研究科

物性研究所

勝本信吾

Shingo Katsumoto

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Chapter 4 Amplification circuits

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Linear amplifier

passive

filter

maximum gain = 1

gain >1 amplifier

four terminal circuit model

Circuit symbol

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Which quantity is “amplified”?

Controlled power source models

𝑗𝑖𝑛 𝛼𝑗𝑖𝑛

J - J

+ -

𝑗𝑖𝑛 𝑟𝑚𝑗𝑖𝑛

J - V

𝑣𝑖𝑛 𝑔𝑚𝑣𝑖𝑛

V - J

+ -

𝑣𝑖𝑛 𝛼𝑣𝑖𝑛

V - V

Diagonal: J-J, V-V

Amplifiers with gain = 𝛼

Off-diagonal: J-V, V-J

Transducers

: trans (mutual) resistance

: trans (mutual) conductance

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Gain, and “Unit” for gain

Voltage gain: 𝑣𝑜𝑢𝑡

𝑣𝑖𝑛 Current gain:

𝑗𝑜𝑢𝑡

𝑗𝑖𝑛 Power gain:

𝑣𝑜𝑢𝑡𝑗𝑜𝑢𝑡

𝑣𝑖𝑛𝑗𝑖𝑛

When we say “the gain of the amplifier …”, the gain usually means

power gain.

quantity 𝑄, unit 𝑄0 : 𝑄 in log scale: (B, bel) Alexander Graham Bell

1847 - 1922

dB : (decibel) 1/10

cf. deca- 10

From: G. Bell

dB units: dBm (1mW: 0dBm), dBv (1V: 0dBv), etc.

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Linear response and transfer function diagram

Ξ(𝑠) 𝑈(𝑠) 𝑊(𝑠) Linear response:

Cascade connection of linear response systems:

Ξ1(𝑠) Ξ2(𝑠) 𝑈(𝑠) 𝑊(𝑠)

Parallel lines can be expressed as a single line. Such diagram representation can be

applied to any linear response system.

Ξ1(𝑠) Ξ2(𝑠) (arrow is used for specifying signal flow)

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Feedback

Feedforward Feedback

Ξ(𝑠)

ℎ(𝑠)

𝑊(𝑠) 𝑊 𝑠 = Ξ 𝑠 𝑈(𝑠)

𝑊 𝑠 = Ξ 𝑠 [𝑈 𝑠 − ℎ 𝑠 𝑊 𝑠 ]

𝑊 𝑠 =Ξ 𝑠

1 + Ξ 𝑠 ℎ 𝑠𝑈 𝑠 ≝ 𝐺 𝑠 𝑈(𝑠)

𝑈(𝑠)

-

a a a

node:

+

- extraction:

summation:

a

a

b

b

a - b

a + b

1 + Ξ 𝑠 ℎ 𝑠 > 1: Negative feedback,

< 1: Positive feedback

Why negative feedback?

Can be very stable, linear. Easy to calculate.

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(-1,0)

Condition for negative feedback 1 + Ξ 𝑠 ℎ 𝑠 > 1: Negative feedback

< 1: Positive feedback Im[Ξ 𝑠 ℎ 𝑠 ]

Re[Ξ 𝑠 ℎ 𝑠 ]

Ξ 𝑠 ℎ(𝑠)

Negative feedback Positive

1 + Ξ 𝑠 ℎ(𝑠) ≝ 𝐷(𝑠)

Output without input: oscillation point

If Ξ 𝑠 ℎ 𝑠 = −1 has solutions, the

circuit may be unstable.

How can we judge? Criteria (Routh-Hurwitz, Nyqust,

Liapunov, …)

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Stability of linear response systems with poles

Partial fraction expansion (ignore

zeros)

With inverse Laplace transform

Rational representation of a

transfer function

For 𝜉(𝑡) to be finite with 𝑡 → +∞ all the real parts of 𝛼𝑗 should be negative.

For a linear system to be stable, all the poles of the transfer function should be in

the left half of the complex plane.

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Zeros and poles of 𝐷(𝑠)

Assumption 2: Ξ 𝑖𝜔 , Ξ 𝑖𝜔 ℎ 𝑖𝜔 → 0 for |𝜔| → ∞ (a cut of frequency should exist)

Assumption 1: Ξ 𝑠 , Ξ 𝑠 ℎ 𝑠 are stable → Poles are on the left half plane of s.

Ξ 𝑠 =𝑄(𝑠)

𝑃(𝑠), ℎ 𝑠 =

𝑞(𝑠)

𝑝 𝑠∶ 𝑃 𝑠 , 𝑄 𝑠 , 𝑝 𝑠 , 𝑞 𝑠 polynomials

deg 𝑃 > deg 𝑄 , deg (𝑝) ≥ deg (𝑞)

𝐷 𝑠 = 1 + Ξ 𝑠 ℎ 𝑠 =𝑃 𝑠 𝑝 𝑠 + 𝑄 𝑠 𝑞(𝑠)

𝑃 𝑠 𝑝(𝑠) 𝑃 𝑠 𝑝 𝑠 should be dominant

in determining the order

𝐷 𝑠 = 𝐷0

(𝑠 − 𝛽1) ⋯ (𝑠 − 𝛽𝑛)

(𝑠 − 𝛼1) ⋯ (𝑠 − 𝛼𝑛) The same order

The numerator and the denominator are in the same order in s.

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Zeros and poles of D(s)

𝐷 𝑠 = 𝐷0

(𝑠 − 𝛽1) ⋯ (𝑠 − 𝛽𝑛)

(𝑠 − 𝛼1) ⋯ (𝑠 − 𝛼𝑛) 𝛽𝑖 : Zeros of 𝐷(𝑠) → Poles of 𝐺(𝑠)

Then we say that ∃𝛽𝑖 ∈ right half plane of 𝑠 → The circuit is unstable.

Taking the argument we write:

𝛽𝑖

𝑖𝜔 −∞

+∞

𝜋

Left half plane

𝛽𝑖

𝑖𝜔 −∞

−𝜋

+∞

Right half plane Imagine you are on the imaginary axis 𝑠 = 𝑖𝜔.

And 𝜔: −∞ → +∞.

Number of zeros on the right half plane: 𝑚

All the poles should be on the left plane

from the assumption 1.

∆ arg 𝐷 = 𝑛 − 𝑚 𝜋 − 𝑚𝜋 − 𝑛𝜋 = −2𝑚𝜋

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Nyquist plot and criterion

Harry Nyquist

(1889–1976)

Ξ 𝑠 ℎ 𝑠

(−1,0)

Ξ 𝑠 ℎ 𝑠

∆ arg 𝐷 = 0

Stable

∆ arg 𝐷 = −4𝜋

Unstable

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Operational amplifier (OP amp.)

+

-

circuit symbol

• Differential amplifier

• Input impedance ~∞

• Open loop gain 𝐴𝑜 ≫ 1

• Output resistance ≈ 0 Bipolar inputs

- + can be used for both

+

-

𝑅𝑖𝑛

𝑅𝑓

𝑣𝑖𝑛

𝑣𝑜𝑢𝑡

𝐽

𝐽𝑖𝑛 = 0

Virtual short circuit

Inverting amplifier

output

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OP amp. packages

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Various applications of OP amps

Integration circuit

Logarithmic amplifier

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Amplifiers with specialized function

Logarithmic amplifier

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Voltage follower

-

+ 𝑉𝑖𝑛 𝑉𝑜𝑢𝑡

From virtual shortage, simply 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛

Very high input impedance, very low output impedance.

Impedance transformer

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Instrumentation amplifier

-

+

-

+

-

+

𝑅1

𝑅1

𝑅2

𝑅2

𝑅3

𝑅2

𝑅4

𝑉in1

𝑉in2

𝑉out

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Instrumentation amplifier

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OP amp data sheet

1st 2nd differential

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OP amp. data sheet

Parameters

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OP amp. data sheet

Common mode rejection ratio

(CMRR)

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OP amp. data sheet

Unity gain frequency Voltage follower

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Frequency dependent characteristics of OP amps

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103

0.1

1

10

100

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103

100

102

104

106

A (

Gai

n)

A (

Gai

n)

Cut-off frequency 𝜔𝑇 = 2𝜋𝑓𝑇

𝜔 = 2𝜋𝑓 𝜔 = 2𝜋𝑓

Phase rotates by 𝜋/2

𝑓𝑇1 𝑓𝑇2

Multiple cut-off frequency:

Phase rotates more than 𝜋

If gain is larger than 1 at

phase shift p :

Dangerous!

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Phase compensation

Ξ 𝑠 ℎ 𝑠 In Nyquist plot

𝜔 = 0

p phase shift

Why dangerous?

p phase shift: negative feedback →

positive feedback 1

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Phase compensation

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Phase compensation

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Inverting amplifier and cut-off frequency (LT Spice simulation)

A =200 fT =30kHz A =50 fT =90kHz

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Inverting amplifier and cut-off frequency (LT Spice simulation)

A =10 fT =300kHz A =2 fT =2MHz

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Oscillation in an OP amp. circuit

Phase gain

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Use of OP amps at saturation voltages

-

+

𝑉𝑖𝑛

𝑉𝑜𝑢𝑡 Positive feedback is applied. 𝑉𝑜𝑢𝑡 goes up to the

highest voltage which the OP amp can reach for

positive 𝑉in.

𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛

𝑉+

𝑉−

0

rail to rail

characteristics gradient 𝐴0

Compare 𝑉𝑖𝑛 with 0

-

+ 𝑉𝑜𝑢𝑡 ∶ 𝐴 > 𝐵?

𝐴

𝐵

Comparator

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Hurwitz criterion (no proof) Adolf Hurwitz

1859 - 1919

𝑛 × 𝑛

Define Hurwitz matrix

Ξ(𝑠)

ℎ(𝑠)

𝑊(𝑠)

-

𝑈(𝑠)

Pole equation:

Otherwise the system is unstable (no proof is given here).

Then we assume all 𝑎𝑗 > 0.

n is even (poles are paired).

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Hurwitz criterion (no proof)

Hurwitz determinants

Hurwitz criterion 𝐻1, 𝐻𝑛 > 0 is trivial

from the assumption.

Another expression:

Divide the denominator to odd and even parts 𝑂(𝑠) and 𝐸(𝑠).

If the zeros of 𝑂(𝑠) and 𝐸(𝑠) are aligned on the imaginary axis

alternatively, the system is stable.

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