Liniowe układy scalone. Wykład 4 Parametry wzmacniaczy operacyjnych

Transkrypt

1 Liniowe układy scalone Wykład 4 Parametry wzmacniaczy operacyjnych

2 1. Wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą ang. open loop voltage gain Stosunek zmiany napięcia wyjściowego do wywołującej ją zmiany różnicowego napięcia wejściowego K U = U O [V /V ] lub [db] U I1 U I2

3 Wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą Nachylenie charakterystyki w obszarze liniowym jest równe wzmocnieniu Poziomy nasycenia wynikają z ograniczeń spowodowanych napięciami zasilającymi

4 2. Wejściowe napięcie niezrównoważenia ang. input offset voltage W idealnym wzmacniaczu operacyjnym przy zerowej różnicy napięć wejściowych napięcie na wyjściu równe jest zero W rzeczywistości niesymetria Aby uzyskać U O =0 na wyjściu wzmacniacza z otwartą pętlą należy przyłożyć na wejściu pewne napięcie między wejściami (napięcie niezrównoważenia) Napięcie niezrównoważenia określane jest przy rezystancjach wewnętrznych źródeł sygnałów równych zero

5 Wejściowe napięcie niezrównoważenia Uproszczona charakterystyka wzmacniacza operacyjnego z zaznaczeniem wejściowego napięcia niezrównoważenia U O = f U I1 U I2

6 3. Współczynnik cieplny wejściowego napięcia niezrównoważenia Stosunek zmiany wejściowego napięcia niezrównoważenia do powodującej ją zmiany temperatury [μv / C]

7 4. Wejściowe prądy polaryzujące ang. input bias current Prawidłowe działanie wzmacniacza wymaga przepływu w końcówkach wejściowych prądów I IB1 i I IB2 polaryzujących stopień wejściowy wzmacniacza. W większości wzmacniaczy oba prądy i ich współczynniki cieplne mają prawie jednakowe wartości W katalogach podaje się parametr wejściowy prąd polaryzujący średnia arytmetyczna obu prądów polaryzujących (prądy mierzone są przy U O 0) I IB = I IB1 I IB2 2

8 5. Wejściowy prąd niezrównoważenia ang. input offset current Różnica wejściowych prądów polaryzujących I IO =I IB1 I IB2

9 Zależność prądu niezrównoważenia wzmacniacza μa 741 od temperatury Wejąściowy prąd niezrównoważenia [na] Temperatura [st. C] U ZZ =±15 V

10 Zależność prądu niezrównoważenia wzmacniacza μa 741 od napięcia zasilającego Wejściowy prąd niezrównoważenia [na] T A =25 C Napięcie zasilające [V]

11 Zależność wejściowego prądu polaryzującego od temperatury 350 Wejściowy prąd polaryzujący [na] Temperatura [st.c] U ZZ =±15 V

12 6. Współczynnik cieplny wejściowego prądu niezrównoważenia Stosunek zmiany wejściowego prądu niezrównoważenia do wywołującej ją zmiany temperatury w [na / C] lub [pa / C]

13 7. Wzmocnienie napięciowe sygnału współbieżnego ang. common mode gain Sygnał współbieżny (sumacyjny, nieróżnicowy, wspólny) odpowiada równoczesnym zmianom napięcia na obu wejściach przy zachowaniu między nimi stałej różnicy potencjałów

14 Wzmocnienie napięciowe sygnału współbieżnego Stosunek zmiany napięcia wyjściowego do wywołującej ją zmiany napięcia współbieżnego K uc = U O U C W przypadku ogólnym wejścia wzmacniacza nie są zwarte może równocześnie występować sygnał różnicowy i współbieżny wóczas sygnał współbieżny definiuje się jako średnią arytmetyczną napięć na obu wejściach U O K uc = U I1 U I2 2

15 Wzmocnienie napięciowe sygnału współbieżnego W idealnym wzmacniaczu parametr ten jest równy zero W rzeczywistości w wyniku niesymetrii stopni różnicowych występuje niewielka wartość K uc znacznie mniejsza od wzmocnienia sygnału różnicowego K uc << K u

16 8. Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego ang. common mode rejection ratio (CMRR) Idealny wzmacniacz powinien wzmacniać sygnał różnicowy a tłumić współbieżny CMRR określa, w jakim stopniu wzmacniacz rzeczywisty różni się pod tym względem od idealnego Definicja: stosunek wzmocnienia sygnału różnicowego do wzmocnienia sygnału współbieżnego CMRR= K u K uc

17 Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego Wyrażany jest w decybelach W katalogach najczęściej podaje się jego wartość średnią w całym zakresie wzmacnianych napięć, gdyż K u i K uc mogą być nieliniowymi funkcjami wartości sygnału Zależy od częstotliwości Największa wartość osiąga przy napięciu stałym Inna definicja: stosunek pełnego zakresu napięcia wejściowego do maksymalnej zmiany wejściowego napięcia niezrównoważenia występującej przy tych zmianach napięcia wejściowego

18 Zależność współczynnika tłumienia sygnału współbieżnego od częstotliwości we wzmacniaczu μa CMRR [db] T A =25 C U ZZ =±15 V Częstotliwość [Hz]

19 8. Rezystancja wejściowa Dwie składowe rezystancji wejściowej: R Id rezystancja dla sygnału róznicowego między końcówkami wejściowymi wzmacniacza z otwartą pętlą, R IC rezystancja dla sygnału współbieżnego między jednym z wejśc a masą W karalogach podawana jest R I zmierzona między jednym z wejść a masa przy drugim wejściu uziemionym, co odpowiada równoległemu połaczeniu R Id i R IC W scalonych wzmacniaczach operacyjnych zwykle R Id << R IC

20 9. Impedancja wejściowa Definiowana tak samo jak rezystancja wejściowa Z id dla wejścia różnicowego, Z IC dla wejścia wspólnego Podobnie definiuje się też pojemności wejściowe C IC i C Id

21 Zalezność rezystancji wejściowej wzmacniacza μa741 od temperatury 10 Rezystancja wejściowa [MOhm] 6,31 3,98 2,51 1,58 1 0,63 0,4 0,25 0,16 U ZZ =±15 V Temperatura [st. C]

22 10. Rezystancja i impedancja wyjściowa Podaje się zazwyczaj wartość rezystancji wyjściowej R O wzmacniacza z otwartą pętlą mierzonej przy napięciach na wejściach równych zero Podobnie definiuje się impedancje wyjściową Z O Impedancja wyjściowa zalezy od częstotliwości

23 Zależnośc modułu impedancji wyjściowej wzmacniacza μa741 od częstotliwości Impedancja wyjściowa [Ohm] Częstotliwość [Hz] T A =25 C U ZZ =±15 V

24 11. Współczynnik tłumienia wpływu zasilania ang. power supply rejection ratio (PSRR) Mierzy wpływ napięcia zasilającego na pracę wzmacniacza operacyjnego Jest to stosunek zmiany napięcia niezrównoważenia do wywołującej ją zmiany napięcia zasilającego (podawany w V / V lub decybelach) PSRR= U IO U ZZ

25 12. Zakres zmian napięcia wejściowego Ang. input voltage range Zakres zmian napięcia na każdym z wejść (w stosunku do masy), przy którym wzmacniacz pracuje prawidłowo Podaje się też zwykle dopuszczalne napięcie różnicowe między wejściami

26 13. Maksymalne napięcie wyjściowe ang. output voltage swing Największy zakres zmian napięcia na wyjściu (w stosunku do masy) możliwy do uzyskania bez nasycenia wzmacniacza (obcinania przebiegu wyjściowego) Wchodzenie w nasycenie nie powoduje zniszczenia wzmacniacza, ale jest niekorzystne ze względu na zniekształcenia sygnału i szybkość działania (układ wymaga pewnego czau powrotu ze stanu nasycenia) Jest funkcją rezystancji obciążenia, częstotliwości i napięcia zasilania

27 Zależność maksymalnego napięcia wyjściowego wzmacniacza μa741 od częstotliwości sygnału Maklsymalne napięcie wyjściowe [V] Częstotliwość [Hz] T A =25 C U ZZ =±15 V R L =10 kω

28 Zależność maksymalnego napięcia wyjściowego wzmacniacza μa741 od rezystancji obciążenia Maksymalne napięcie wyjściowe [V] ,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,4 T A =25 C U ZZ =±15 V Rezystancja obciążenia [kohm]

29 Zależność maksymalnego napięcia wyjściowego wzmacniacza μa741 od napięcia zasilającego 40 Maksymalne napięcie wyjściowe [V] R L =2 kω Napięcie zasilania [V]

30 14. Maksymalny prąd wyjściowy i prąd zwarciowy ang. maximum output current Maksymalny prąd jaki można pobrać z wyjścia wzmacniacza przy jego prawidłowej pracy Prąd zwarciowy (output short-circuit current) maksymalny prąd wyjściowy przy zwarciu końcówek wyjściowych do masy lub jednego z napięć zasilających Przekroczenie max. prądu wyj. we wzmacniaczach starszych grozi zniszczeniem Większość wzmacniaczy posiada zabezpieczenie przeciw zwarciu na wyjściu W katalogach podaje się zazwyczaj prąd zwarciowy i dopuszczalny czas trwania zwarcia (na ogół nieskończenie długi)

31 Zależność prądu zwarciowego wzmacniacza μa741 od temperatury 35 Prąd zwarciowy [ma] Temperatura [st. C]

32 15. Pasmo w otwartej pętli ang. open loop bandwidth Wzmocnienie wzmacniacza z otwartą pętlą zalerży od częstotliwości sygnału W katalogach podaje się szerokość pasma B mierzoną od prądu stałego do częstotliwości f g, przy której K u maleje o 3 db w stosunku do wartości dla prądu stałego Podaje sieteż wartość częstotliwości f 1, przy której wartość K u maleje do 1 (unity gain bandwidth) Wartości szerokości pasma dotyczą małych sygnałów przy dużych należy uwzględnić wpływ szybkości zmian napięcia wyjściowego i zależnoć max. napięcia wyjściowego od częstotliwości sygnału

33 Zależność wzmocnienia z otwartą pętlą wzmacniacza μa741 od częstotliwości sygnału T A =25 C U ZZ =±15 V Wzmocnienie [V/V] Częstotliwość [Hz]

34 16. Odpowiedź impulsowa Ang. transient response Czas narastania impulsu (10%- 90%) Wielkość przerzutu impulsu, będącą odpowiedzią wzmacniacza na skok jednostkowy Wielkości te mierzy się w układzie z zamknięta pętlą o wzmocnieniu równym 1 (wtórnik) przy małym sygnale wejściowym (10-20 mv) i określonych wartościach elementów kompensujących częstotliwościowo i obciążenia Przy pracy z dużymi sygnałami należy uwzględniać szybkość zmian napięcia wyjściowego

35 Odpowiedź impulsowa wzmacniacza μa741 dla małego sygnału Czas narastania t r = 0.3μs Przerzut = 5%

36 17. Szybkość zmian napięcia wyjściowego ang. slew rate (S UOM ) Maksymalna szybkość zmian napięcia na wyjściu wzmacniacza mierzona przy wzmocnieniu 1 (wtórnik) i dużym sygnale wyjściowym (np. równym max. napięciu wyjściowemu) Ograniczenie szybkości wynika z ograniczenia prądu dostarczanego przez stopnie wzmacniające Szybkość narastania zależy od pojemności kondensatora C k kompensującego częstotliwościowo wzmacniacza umieszczonego na wyjściu jednego ze stopni wzmacniających

37 Szybkość zmian napięcia wyjściowego Jeżeli prąd wyjściowy jest ograniczony do pewnej wartości I om, to napięcie na wyjściu zmienia się liniowo z szybkością: S UOM = du O dt = I Om C k Dla wzmacniacza μa741 S UOM = 0,5 V/s Szerokość pasma, S UOM i czas narastania zależą od temperatury i wartości napięć zasilania

38 Odpowiedź impulsowa wzmacniacza μa741 przy dużym sygnale w układzie wtórnika napięciowego

39 Zależność szerokości pasma z zamkniętą pętlą, czasu narastania oraz szybkości zmian napięcia od napięcia zasilającego μa741 Względna wartość parametru 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 T A =25 C Czas narastania odpow iedzi impulsow ej Szybkość zmian napięcia w yjściow ego Szerokość pasma z zamkniętą pętlą 0, Napięcie zasilające [V]

40 Zależność szerokości pasma z zamkniętą pętlą, czasu narastania oraz szybkości zmian napięcia od temperatury μa741 Względna wartośc parametru 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0, Temperatura [st C] U ZZ =±15 V Czas narastania odpow iedzi impulsow ej Szybkość zmian napięcia w yjściow ego Szerokość pasma z zamkniętą pętlą

41 18. Szumy wzmacniacza W katalogach podaje się wartości skuteczne: równoważnego wejściowego napięcia szumów U ni takiej wartości napięcia szumów na wejściu różnicowym, która spowodowałaby odtworzenie szumów na wyjściu przy sprowadzeniu do zera wszystkich źródeł szumów we wzmacniaczu, gdy rezystancje wewnętrzne tych źródeł są równe zeru Równoważnego wejściowego prądu szumów I ni definiuje się tak samo jak napięcie gdy rezystancje wewnętrzne tych źródeł są znacznie większe od U ni / I ni Współczynnik szumów miara pogorszenia stosunku sygnału do szumów po przejściu sygnału przez wzmacniacz stosunek mocy sygnału podzielonej przez moc szumów na wyjściu i wejściu wzmacniacza

42 Zależność średniej wartości kwadratowej wejściowego napięcia i prądu szumów od częstotliwości dla μa741

43 19. Pobór mocy Określa się przy napięciu wyjściowym i prądzie obciążenia wzmacniacza równym zero Zależność poboru mocy wzmacniacza μa741 od temperatury i napięcia zasilającego Pobór mocy [mw] U ZZ =±15 V T A =25 C Pobór mocy [mw] Temperatura [st. C] Napięcie zasilające [V]

44 Typowe wartości parametrów wzmacniaczy operacyjnych Parametr Typowa wartość Wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą K uo V/V Wejściowe napięcie niezrównoważenia U IO 0,5 50 mv Współczynnik cieplny wejściowego napięcia niezrównoważenia 1 50 μv / C Wejściowy prąd polaryzujący 1nA - 5μA Wejściowy prąd niezrównoważenia I IO 0,5 na 0,5 μa Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego CMRR db Rezystancja wejściowa R I dla wzacniacza o stopniach wejściowych bipolarnych 50kΩ - 50MΩ Rezystancja wejściowa R I dla wzacniacza o stopniach wejściowych typu FET MΩ

45 Typowe wartości parametrów wzmacniaczy operacyjnych Rezystancja wyjściowa R O Parametr Współczynnik tłumienia wpływu zasilania PSRR Częstotliwość graniczna f 1 Czas narastania odpowiedzi na skok jednostkowy przy wzmocnieniu napięciowym równym 1 Szybkość zmian napięcia wyjściowego S UOM Maksymalny prąd wyjściowy Pobór mocy Typowa wartość Ω db MHz 10 ns - 10μs 0,5 100 V/μs 5 30 ma mw