Wzmacniacz operacyjny zastosowania liniowe. Wrocław 2009

Transkrypt

1 Wzmacniacz operacyjny zastosowania linio Wrocław 009

2 wzmocnienie różnico Pole wzmocnienia 3dB częstotliwość graniczna k D [db] -3dB 0dB/dek 0 db f ca f T

3 Tłumienie sygnału wspólnego - OT ins M[ V / V ] ins 3

4 Wejścio napięcie niezrównoważenia Współczynnik temperaturo j. nap. niezrównoważenia 0 - OT OT kud 0 4

5 Prąd polaryzacji Wejścio prąd niezrównoważenia Współczynnik temperaturo j. prądu. niezrównoważenia B B - ( B B ) kud kud OT 0 5

6 ezystancje jścio i jściowa - r M r D r out r M ( B B ) kud kud OT 0 6

7 Zakres napięć jścioch i jścioch V - rail-to-rail ins -V 7

8 Szybkość narastania napięcia jściogo (slew-rate) Szerokość pasma mocy d πf max dt d d > S dt dt out - k d d < S dt dt out d S dt out π f out max S π out max f P Wzmacniacz operacyjny Zasilacz Zasilacz N WY - - P Elementy elektroniczne kład wzmacniacze operacyjne 8

9 Wzmacniacz operacyjny WO dzięki sj unirsalności znajdują powszechne zastosowanie do realizacji różnorodnych układów analogoch szczególnie: - układów automatyki, - układów sterowania, - układów pomiaroch. Za pomocą WO można realizować linio i nielinio operacje na sygnałach analogoch, np.: sumowanie, całkowanie, różniczkowanie, przesuwanie fazy, przetwarzanie napięcie-prąd lub prąd-napięcie, precyzyjne prostowanie, filtrowanie sygnałów... Wzmacniacz odwracający Dla idealnego WO: wtedy: r r r s 0 r r 0 9

10 Wzmacniacz odwracający Wzmocnienie napięcio wzmacniacza: Wzmacniacz odwracający względniając,że : f g f p 0 0 ( ) 0 - rezystancja jściowa WO, f p pierwszy biegun częstotliwości górnej WO (f T f p pole wzmocnienia) 0

11 Wzmacniacz odwracający Parametry WO jścio napięcie niezrównoważenia Wzmacniacz odwracający Parametry WO jścio napięcie niezrównoważenia óżnica zmian napięć BE w funkcji temperatury pomnożona przez wpływa na wartość. BE 0 BE 0 (ang.input offset voltage) kilka mv

12 Wzmacniacz odwracający B Parametry WO jścio prąd polaryzacji B - β0 β 0 Wzmacniacz odwracający ompensując jścio prąd polaryzacji należy dodać do układu rezystor d o wartości : d d

13 Wzmacniacz nieodwracający f d g f p 0 0 W celu kompensacji jścioch prądów polaryzacji: d d Wzmacniacz nieodwracający Wtórnik napięcio iedy?? d f g f T 3

14 omparator Sumator odwracający N 3 N 3 d... N k 3 N k k 3 N 4

15 Sumator odwracający... N k 3 N k k 3 N dla: N 3... Napięcie jścio przybiera postać: 3... ( ) ezystor d minimalizujący wpływ jścioch prądów polaryzacji: d 3... N N 3 f Wzmacniacz różnico Wyjście niesymetryczne 4 g f p gdy: 3 a 4 to: ( ) 3 4 Wpływ jściogo prądu polaryzacji jest zminimalizowany gdy: 5

16 Wzmacniacz różnico Wyjście symetryczne r r r r 0 Wzmacniacz różnico precyzyjny Wzmacniacz pomiaro 4 r 3 0 egulacja wzmocnienia układu odbywa się zazczaj przez zmianę wartości rezystora. ep0/00s57 6

17 Wzmacniacz różnico precyzyjny Wzmacniacz pomiaro zamiast masy można przyłączyć korekcyjne napięcie niezrównoważenia out ( ) in in G kład całkujący integrator Analiza w dziedzinie czasu ( t) d ( t) dt d ( t) ( t) dt 0 gdzie 0 jest warunkiem początkom dla t 0: Q0 0 ( t 0) a Q 0 jest ładunkiem zgromadzonym w kondensatorze w czasie t 0. 7

18 kład całkujący integrator Analiza w dziedzinie czasu ( t) d ( t) dt d ( t) ( t) dt 0 Ostatecznie napięcie jścio dane jest równaniem: t Napięcie jścio jest liniową funkcją czasu. 0 kład całkujący integrator Analiza w dziedzinie częstotliwości ( s) s d Jeżeli uwzględnimy skończone wzmocnienie i skończoną częstotliwość górną WO: ( s) s s s s 8

19 u(jω) (log) kład całkujący integrator Analiza w dziedzinie częstotliwości idealny integrator wzmacniacz operacyjny rzeczywisty układ całkujący ω s ω πf p ω 4 ω ω ω ω 3 (log) -0dB/dek ω 3 ω s π f 4 p kład całkujący integrator Zakres poprawnego całkowania Zakres poprawnego całkowania w dziedzinie częstotliwości: ω ω π ω min << << f p max co odpowiada w dziedzinie czasu warunkowi: t π t i min << ti << f p i max 9

20 kład całkujący integrator stratny ( s) s d kład całkujący integrator stratny u(jω) (log) ' wzmacniacz operacyjny integrator stratny ω πf p ω ω ω ω ω 3 ω 4 (log) -0dB/dek ω3 ω 4 π f p 0

21 kład całkujący integrator stratny Zakres poprawnego całkowania Zakres poprawnego całkowania w dziedzinie częstotliwości: ω ω π ω min << << f p max co odpowiada w dziedzinie czasu warunkowi: t π t i min << t << f p i max kład różniczkujący Analiza w dziedzinie czasu d ( t) dt ( t) d d ( t) ( t) dt

22 kład różniczkujący Analiza w dziedzinie częstotliwości ( s) s d Jeżeli uwzględnimy skończone wzmocnienie i skończoną częstotliwość górną WO: ( s) s s s ω p ω ( ω p ωd ) ( ) ω pω d d u(jω) (log) kład różniczkujący Analiza w dziedzinie częstotliwości 0dB/dek wzmacniacz operacyjny idealny układ różniczkujący rzeczywisty układ różniczkujący ω ω ω 3 ω 4 (log) ω 3 ω ω d ω ω πf p p ω ω max π f p Warunek poprawnego różniczkowania: ω 4 ω ω << ω max

23 kład różniczkujący Zastosowania: głownie automatyka regulatory D, PD PD. Wady układu: - długie czasy narastania - skłonność do oscylacji - mała impedancja jściowa dla w. cz. - duże jścio napięcie szumów Dlatego bardzo często stosuje się zmodyfikowaną strukturę wzmacniacza różniczkującego. kład różniczkujący zmodyfikowany d 3

24 kład różniczkujący zmodyfikowany u(jω) (log) 0dB/dek wzmacniacz operacyjny zmodyfikowany układ różniczkujący ω ω ω ω 3 (log) ω ω ω3 Warunek poprawnego całkowania: ω << ω Przesuwnik fazy s s Dla zmian wartości rezystancji 3 od 0 do można regulować przesunięcie fazo od 80 0 do 0. 4

25 Przetwornik prąd napięcie (/) Przetwornik napięcie prąd(/) L cc L - 5

26 Przetwornik napięcie prąd(/) L L Przetwornik napięcie prąd(/) in L in 3 3 out in 3 6

27 Tradycyjny wzmacniacz operacyjny napięciowo - napięcio out in Zastosowanie: wzmacniacze sygnało m.cz. Wady: mała częstotliwość, kłopoty ze stabilnością przy obciążeniu reaktancyjnym, Zalety: małe niezrównoważenie, duża dokładność, mały dryft Wzmacniacz transimpendacyjny prądowo - napięcio out in Zastosowanie: sterowniki linii transmisyjnych Wady: kłopoty ze stabilnością przy obciążeniu reaktancyjnym, Zalety: szerokie pasmo (500MHz), duży S. 7

28 Wzmacniacz transkonduktacyjny napięciowo - prądo out in Zastosowanie: sterownie obciążeń pojemnościoch Wady: dopasowanie do konkretnego obciążenia, Zalety: małe niezrównoważenie, mały dryft dobra odpowiedź impulsowa przy obciążeniu pojemnościom, Wzmacniacz prądo prądowo - prądo in - out in Zastosowanie: filtry aktywne w.cz. wzmacniacze diod laseroch, sterowniki linii Wady: dopasowanie do konkretnego obciążenia, Zalety: duża szerokość pasma, duży S, 8

29 Wzmacniacz z autozerowaniem prądowo - prądo Zastosowanie: wzmacniacze małych sygnałów, przedwzmacniacze czujniko Wady: b. mała częstotliwość pracy, Zalety: b. małe napięcie niezrównoważenia. Podsumowanie parametry idealnego wzmacniacza operacyjnego, parametry wzmacniacza rzeczywistego (definicje, wartości typo), zastosowanie (schemat i zasada działania): wzm. odwracający i nieodwracający, wzm. pomiaro, układ różniczkujący i całkujący, przesuwnik fazy przetwornik / nne wzmacniacze (rodzaje, zastosowanie, wady, zalety): napięciowo-napięcio, napięciowo-prądo, prądowo-napięcio, prądowo-prądo, z autozerowaniem 9