Liniowe układy scalone w technice cyfrowej

Transkrypt

1 Liniowe układy scalone w technice cyfrowej Dr inż. Adam Klimowicz konsultacje: wtorek, 9:15 12:00 czwartek, 9:15 10:00 pok. 132 aklim@wi.pb.edu.pl

2 Literatura Łakomy M. Zabrodzki J. : Liniowe układy scalone w technice cyfrowej Wwa, PWN, 1987 Kulka Z. Nadachowski M. : Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania, Wwa, WNT, 1982 Nadachowski M. Kulka Z. : Analogowe układy scalone Wwa, WKŁ, 1980 Łakomy M. Zabrodzki J. : Scalone przetworniki analogowocyfrowe i cyfrowoanalogowe, Wwa, WKŁ, 1982 Sahner D. : Wstęp do miernictwa cyfrowego, Wwa, WKŁ, 1982 Ćwirko R. Rusek M. Marciniak W.: Układy scalone w pytaniach i odpowiedziach, Warszawa, WNT, 1987 Baranowski J. Czajkowski G.: Układy elektroniczne cz. II układy analogowe nieliniowe i impulsowe, Wwa, WNT, 1994 INTERNET

3 Plan wykładów Wzmacniacze operacyjne Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych Przykłady zastosowania wzmacniaczy operacyjnych Przetworniki cyfrowoanalogowe i analogowocyfrowe Elementy miernictwa elektronicznego

4 Wzmacniacz operacyjny Różnicowy wzmacniacz prądu stałego o bardzo dużym wzmocnieniu i dużej impedancji wejściowej Przystosowany do pracy z pętlą zewnętrznego ujemnego sprzężenia zwrotnego Operacyjny przeznaczony do wykonywania różnych najczęściej matematycznych operacji na sygnałach wejściowych Uzz we we Uzz wejście odwracające wejście nieodwracające wy

5 Przykład działania wzmacniacza operacyjnego Uwe Uwe t t Uwy Uwy t t Wzmacniacz odwracający Wzmacniacz nieodwracający

6 Idealny wzmacniacz operacyjny R f U d sygnał róznicowy U d =U i1 U i2 R id U o =0 gdy U i1 =U i2 U d K u U d (sygnał współbieżny) K u wzmocnienie napięciowe U o =K u U d =K u (U i1 U i2 ) U i1 U i2

7 Parametry idealnego wzmacniacza operacyjnego (1) Nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego, K u Nieskończenie szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości, BW Nieskończenie duża impedancja wejściowa, R we Nieskończenie duża impedancja pomiędzy wejściami, R id Nieskończenie duża impedancja pomiędzy wejściem a masą Zerowa impedancja wyjściowa, R wy =0

8 Parametry idealnego wzmacniacza operacyjnego (2) Zerowe napięcie wyjściowe przy równych napięciach wejściowych Nieskończenie duży dopuszczalny prąd wyjściowy Zerowy prąd wejściowy! Wzmocnienie idealnie różnicowe, U o =K u (U i2 U i1 ) Nieskończenie duża szybkość narastania napięcia wyjściowego Nieograniczony zakres zmian napięcia wyjściowego Brak szumów (zakłóceń) własnych Niezależność parametrów od temperatury Brak efektów starzenia

9 Pętla sprzężenia zwrotnego Pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego β K u U i U o O właściwościach układu decyduje odpowiedni dobór elementów zewnętrznego sprzężenia zwrotnego U o =K u (U i βu o ) gdzie β współczynnik tłumienia sygnału wyjściowego przez pętlę sprzężenia zwrotnego

10 Ujemne sprzężenie zwrotne Zapewnia utrzymanie stałej wartości napięcia wyjściowego niezależnie od obciążenia Zwiększa stabilność pracy wzmacniacza Powoduje kompensację zniekształceń nieliniowych wzmacniacza Kształtuje charakterystykę częstotliwościową modułu i fazy Modyfikuje impedancję wejściową i wyjściową Rozszerza pasmo częstotliwości

11 Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych Do wykonywania operacji matematycznych Kształtowania przebiegu wyjściowego Ograniczniki napięcia Przesuwniki fazowe Komparatory Filtry aktywne RC Generatory Przetworniki Wzmacniacze różnicowe, sumujące, selektywne, pomiarowe, mocy Stabilizatory napięć itp.

12 Wzmacniacz odwracający (1) K u przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego Z U d U Z I 2 Wejściowe prądy polaryzujące = 0 I 1 U o =K u U d R 3 U d =U 0 / K u 0 Z punkt masy pozornej

13 Wzmacniacz odwracający (2) I 1 = I 2 bo R id Z U Z I 2 I 1 = ( U Z ) / I 2 = (U Z ) / I 1 ( U Z ) / = (U Z ) / U d U Z = 0, więc: R 3 / = / czyli / = / czyli wzmocnienie w.o. K = /

14 Dobór rezystorów Wartość R3 w rzeczywistych warunkach pracy wzmacniacza operacyjnego dobiera się jako: R3 = R1 R2 Wartość rezystora R2 powinna być dostatecznie duża, najczęściej R2 500 kω

15 Wzmacniacz odwracający potencjometryczny R 5 R 4 Zaleta: można używać rezystorów o mniejszych wartościach (większa dokładność) Wówczas wzmocnienie: R 3 K = 1 R 4 R 4 R 5

16 Układy odwracające z regulacją wzmocnienia m{ K = m 1 m m K = m

17 Wzmacniacz nieodwracający (1) I 1 I 2 Napięcie na wyjściu będzie zmieniać się tak, aby zrównać napięcia na wejściach wzmacniacze operacyjnego (przy pomocy sprzężenia zwrotnego) Nie ma masy pozornej! I 1 = I 2 = I 1 =I 2

18 Wzmacniacz nieodwracający (2) = I 1 I 2 = = = =1 K =1 Wzmocnienie układu zawsze K 1 Wzmacniacz odwracający i nieodwracający mają różne rezystancje wejściowe Dla odwracającego: R we = Dla nieodwracającego: R we

19 Wzmacniacz nieodwracający (3) Aby zmniejszyć prądy polaryzujące rezystancja źródła sygnału powinna być równa: Aby uniknąć małych stałych prądów wejściowych można zastosować kondensator na wejściu układu 18 kω 2 kω 100 nf 100 kω K = 10 f d = 16 Hz

20 Układy nieodwracające z regulacją wzmocnienia m{ K = 1 1 m m K =1 m

21 Wtórnik napięciowy Wzmocnienie napięciowe K=1, czyli 100% sprzężenie zwrotne Bardzo duża rezystancja wejściowa i mała wyjściowa R wy jest K u razy mniejsza od R we wzmacniacza z otwartą pętlą = 1, gdy, wtedy = Na przykład dla konkretnego wzmacniacza operacyjnego scalonego ua 741 (ULY 7741) parametry układu wtórnika są następujące: R we =400 MΩ, R wy << 1 Ω, f g = 1 MHz