Wzmacniacz operacyjny zastosowania liniowe i nieliniowe

Transkrypt

1 Wzmacniacz operacyjny zastosowania linio i nielinio Wrocław 03 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...

2 Wzmacniacz odwracający Dla idealnego WO: wtedy: r r r s masa pozorna WO rr 0 0 Wzmacniacz odwracający Wzmocnienie napięcio wzmacniacza:

3 Wzmacniacz odwracający względniając,że : f + + g f p ( + ) rezystancja jściowa WO, f p pierwszy biegun częstotliwości górnej WO (f T f p pole wzmocnienia) Wzmacniacz odwracający ompensując jścio prąd polaryzacji należy dodać do układu rezystor d o wartości : d d + 3

4 Wzmacniacz nieodwracający f d + + g f p W celu kompensacji jścioch prądów polaryzacji: d + d Wzmacniacz nieodwracający Wtórnik napięcio iedy?? d f g f T 4

5 Wzmacniacz nieodwracający Wtórnik napięcio d Wtórnik napięcio ma wzmocnienie równe oraz charakteryzuje się bardzo dużą rezystancją jściową i małą rezystancją jściową. Z tego powodu nadaje się doskonale do zastosowań jako bufor separujący układy elektroniczne (np. w układzie próbkującym z pamięcią). należy dobierać równą rezystancji wnętrznej źródła sygnału jściogo. omparator Funkcja komparatora (układu porównującego) polega na porównaniu jściogo sygnału analogogo WE z sygnałem odniesienia o. Na jściu układu uzyskuje się rezultat porównania w postaci dwustanogo sygnału logicznego zawierającego informację o znaku różnicy sygnału jściogo i sygnału odniesienia. kład porównujący jest więc elementarnym jednobitom przetwornikiem analogowo - cyfrom i stanowi pośrednie ogniwo między układami analogomi i cyfromi. 5

6 omparator, 3 do ograniczania prądu diody Zenera. Dobór diody Zenera ustala poziomy napięcia jściogo odpowiednie do współpracy z bramkami logicznymi rożnych typów. omparator z histerezą 6

7 omparator Sumator odwracający N 3 N 3 d... N k N k k 3 N 7

8 Sumator odwracający... N k N k k 3 N dla: N 3... Napięcie jścio przybiera postać: ( ) ezystor d minimalizujący wpływ jścioch prądów polaryzacji: d 3... N N Wzmacniacz różnico gdy: 3 a 4 to: 4 ( ) f g + f p Wpływ jściogo prądu polaryzacji jest zminimalizowany gdy: 3 4 8

9 Wzmacniacz sumująco-różnico kład całkujący integrator 9

10 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 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. 0

11 kład całkujący integrator Analiza w dziedzinie częstotliwości ( s) s d Jeżeli uwzględnimy skończone wzmocnienie i skończoną częstotliwość górną WO: ( s) s + + s s s 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

12 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 kład całkujący integrator stratny ( s) + s d

13 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 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 3

14 kład różniczkujący kład różniczkujący Analiza w dziedzinie czasu d ( t) dt ( t) d d ( t) ( t) dt 4

15 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 5

16 kład różniczkujący Zastosowania: głownie automatyka regulatory D, PD, PD (utrzymuje na jściu stałą wartość zadaną, np. sterowanie temp. procesu, ciśnieniem, prędkością tempomat, itp.). 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 6

17 kład różniczkujący zmodyfikowany u(jω) (log) +0dB/dek wzmacniacz operacyjny zmodyfikowany układ różniczkujący ω ω ω ω 3 (log) ω ω ω3 Warunek poprawnego różniczkowania: ω << ω Wzmacniacz pomiaro (instrumentacyjny) Wzmacniacz różnico jest często stosowany w technice pomiaroj. 3 4 Parametry prostego układu z jednym WO są często niestarczające. Wzmacniacze bardziej złożone (i o lepszych parametrach) noszą nazwę wzmacniaczy pomiaroch (instrumentacyjnych). 7

18 Wzmacniacz pomiaro (instrumentacyjny) Wzmacniacz pomiaro (instrumentacyjny) + r r r r 0 kład eliminuje niektóre wady wzmacniacza różnicogo na jednym WO: - obydwa jścia mają soką impedancję; -eliminowany wpływ impedancji wnętrznej źródła sygnału na M. egulacja wzmocnienia układu odbywa się zazczaj przez zmianę wartości rezystora. 8

19 Wzmacniacz pomiaro precyzyjny r 3 r Duża symetria układu pozwala na uzyskiwanie dużego M Duża i jednakowa impedancja jściowa Wzmocnienie regulowane Wzmacniacz pomiaro NA87 9

20 Przesuwnik fazy s + s Dla zmian wartości rezystancji 3 od 0 do można regulować przesunięcie fazo od 80 0 do 0. Przetwornik prąd napięcie (/) k u W takim układzie uzyskuje się pomiar prądu przy bardzo małym spadku napięcia jście odwracające znajduje się praktycznie na potencjale masy. kład umożliwia pomiar bardzo małych prądów jeżeli tylko rezystancja jest odpowiednio duża. 0

21 Przetwornik prąd napięcie (/) kład do wzmacniania prądu fotodiody Przetwornik napięcie prąd (/) L L

22 Omomierz (ze skalą liniową) x W W Napięcie jścio układu jest wprost proporcjonalne do rezystancji X kład logarytmujący

23 kład logarytmujący kład logarytmujący powinien dawać u proporcjonalne do logarytmu u. u k D u log k E u ln gdzie: k D, k E stałe skalowania, k D k E ln0 napięcie normujące, dodatnie dla u >0, ujemne dla u <0. Najprostsza realizacja korzystanie ch-yki diody półprzewodnikoj kład logarytmujący D u A S exp mϕt gdzie: S - prąd wsteczny, ϕ T kt/q - potencjał elektrokinetyczny złącza, m współczynnik korekcyjny m ( ). W obszarze przewodzenia równanie można uprościć: u A D S exp mϕt Po przekształceniach otrzymujemy: u A mϕt ln D S 3

24 kład logarytmujący u m ϕ T u ln0log S W temp. pokojoj: u u (...) 60mV log Wykorzystany zakres logarytmowania (do ok. dekad prądy na do ma) ograniczają : - pasożytnicza rezystancja szeregowa diody (przy większych wzrasta spadek nap. na niej i wprowadza błąd log) - współ. korekcyjny m zależy od prądu). S kład logarytmujący u u be u ϕt ln S S u BE exp ϕt Zaleta eliminowanie wpływu współczynnika m na napięcie jścio. Zakres pracy dziewięć dekad przy zastosowaniu WO o małych prądach jścioch (zakres prądów od pa do ma). Wada silna zależność u od temperatury; tranzystora T zwiększa wzmocnienie układu co może powodować wzbudzanie się układu. 4

25 kład logarytmujący z kompensacją temperaturową układ scalony LOG00 Dobierając odpowiednie rezystory i mona uzyskać dowolna wartość współczynnika. Producent twarza w układzie scalonym trzy komplety rezystorów, tak aby mona było uzyskać wzmocnienie, 3 lub 5. kład kładniczy (delogarytmujący) Gdy u < 0 to: u u i S exp ϕt Parametry układu silnie zależne od temp. 5

26 kład mnożący Zastosowania: detektory fazy, modulatory i demodulatory AM, modulatory FM, układy przemiany częstotliwości, podwajacze i potrajacze częstotliwości, układy regulowanej pojemności i indukcyjności, generatory VO, przetworniki wartości skutecznej MS na napięcie stałe, filtry przestrajane napięciem, wzmacniacze z napięciową regulacją wzmocnienia oraz układy realizujące funkcje matematyczne: potęgowanie, pierwiastkowanie, podnoszenie do trzeciej potęgi, obliczanie wartości bezwzględnej, zmiana układu współrzędnych z prostokątnego na bieguno i odwrotnie itp. Większość mienionych funkcji jest realizowana przy użyciu układów mnożących wnątrz struktur większych, funkcyjnych układów monolitycznych. kład mnożący Wykorzystując dwa układy logarytmujące i układ potęgujący można zbudować układ mnożący. Jego napięcie jścio nosi 0 ln( x) + ln( y) ln( x y) 6

27 kład dzielący ln( x) ln( y) ln x y Wykorzystując dwa układy logarytmujące i układ potęgujący można zbudować układ mnożący. Jego napięcie jścio nosi Ograniczniki napięcia Ograniczniki amplitudy napięcia spełniają zależność: gdzie: u f ( ) u u mu min ; max ; ; dla dla dla u u min < > min u max max 7

28 Ograniczniki napięcia Ograniczenie u do wartości Z + F ( F - napięcie progo diody w kierunku przewodzenia) Prostownik linio 8

29 Precyzyjny prostownik dwupołówko Precyzyjne prostowniki dwupołówko są układami realizującymi wartość bezwzględną (moduł) funkcji jścioj: u a u a, a - Precyzyjny prostownik dwupołówko u WY L u WE Wyeliminowany wpływ spadku napięcia na diodach na wartość napięcia jściogo diody wpięte w pętlę sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. Wada u nie ma pkt wspólnego z masą układu 9