Wzmacniacze, wzmacniacze operacyjne

Transkrypt

1 Wzmacniacze, wzmacniacze operacyjne

2 Schemat ideowy wzmacniacza Współczynniki wzmocnienia: - napięciowy - k u =U wy /U we - prądowy - k i = I wy /I we - mocy - k p = P wy /P we >1

3 Wzmacniacz w układzie WE E B polaryzuje napięcie bazy U wy0 0,5 Ec Q'' punkt pracy Własności: Odwraca fazę Rezystancja wejściowa układu jest umiarkowanie mała, zaś wyjściowa umiarkowanie duŝa.

4 WC W zakresie małych częstotliwości, przy obciąŝeniu rezystancyjnym układ nie odwraca fazy sygnału wejściowego. Wzmocnienie prądowe jest tego samego rzędu co w układzie WE. Wzmocnienie napięciowe jest bliskie jedności, stąd nazwa wtórnik. Ze względu na duŝą r we i małą r wy, układ o wspólnym kolektorze stosujemy jako układy dopasowujące lub separujące. Wzmacniacz w układzie

5 Charakterystyka częstotliwościowa

6 Wzmacniacze ze sprzęŝeniem zwrotnym K f =K/(1-Kß) Zalety ujemnego sprzęŝenia zwrotnego: * zmniejszenie wraŝliwości układu na zmiany parametrów elementów, warunków zasilania, czynników zewnętrznych itp., * zmniejszenie zniekształceń nieliniowych, zakłóceń, szumów, * moŝliwość rozszerzania pasma przenoszenia wzmacniacza i kształtowania zadanych charakterystyk częstotliwościowych, * moŝliwość zmiany wartości impedancji wejściowej i wyjściowej,

7 Wzmacniacz operacyjny - idealny A B U wy =A(U we2 -U we1 ); A

8 Wzmacniacz operacyjny - idealny Cechy idealnego WO: 1. Nieskończenie duŝe wzmocnienie przy otwartej pętli sprzęŝenia: A 2. Zerowa rezystancja wyjściowa, 3. Nieskończone pasmo przenoszenia 4. Zerowe napięcie wyjściowe, przy zerowej wartości napięcia wejściowego, 5. Nieskończenie duŝa rezystancja wejściowa zerowy prąd wyjściowy, 6. NiewraŜliwość na zmiany temperatury, 7. Brak zniekształceń sygnałów. Schemat zastępczy idealnego WO

9 Wzmacniacz operacyjny - idealny Cechy rzeczywistego WO: 1. Wzmocnienie przy otwartej pętli sprzęŝenia: A = , 2. Rezystancja wyjściowa ok. 1 kohm, 3. Niezerowe wejściowe i wyjściowe napięcie niezrównowaŝenia, 4. Niezerowy wejściowy prąd polaryzujący, 5. Rezystancja wejściowa rzędu: 1 10 MOhm 6. Pasmo przenoszenia kilka MHz, Schemat zastępczy rzeczywistego WO

10 Katalogowe parametry rzeczywistego WO Wzmocnienie napięciowe róŝnicowe K ur. Wzmocnienie napięciowe sumacyjne K us. Współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego CMRR. Rezystancja (impedancja) wejściowa róŝnicowa r wer (Z wer ). Rezystancja (impedancja) wejściowa sumacyjna r wes (Z wes ). Rezystancja (impedancja) wyjściowa r wy (Z wy ). Wejściowy prąd polaryzacji I we. Wejściowe napięcia niezrównowaŝenia U wen. Wejściowy prąd niezrównowaŝenia I wen.

11 Parametry wzmacniacza operacyjnego Dryfty: temperaturowy i czasowy wejśc. napięcia i prądu niezrównowaŝenia. Parametry graniczne: maksymalne napięcie wejściowe U wemax, maksymalne. róŝnicowe napięcie wejściowe U wermax, maksymalne napięcie wyjściowe U wymax, maksymalny prąd wyjściowy I wymax. Napięcie U z i moc P z zasilania. Szerokość pasma częstotliwości określana częstotliwością graniczną f g, marginesem wzmocnienia A i marginesem fazy, Parametry odpowiedzi na skok napięcia: czas narastania t n, szybkość narastania S, przeregulowanie (przerzut).

12 Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych 1. Układy analogowe - wykonują operacje: dodawania, odejmowania, mnoŝenia, dzielenia, całkowania i róŝniczkowania, 2. Wzmacniacze logarytmiczne, 3. Generatory sygnałów: prostokątnych, trójkątnych i sinusoidalnych, 4. Filtry aktywne, 5. Detektory liniowe i detektory wartości szczytowej, 6. Układy próbkujące z pamięcią.

13 Zasady analizy układów z WO 1. Rezystancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego jest nieskończenie duŝa (wzmacniacz nie pobiera prądów wejściowych), 2. Wartości prądów polaryzujących są równe zeru. 3. Na schemacie oznacza się węzły (np. A, B) i ich potencjały (np. U A, U B ). 4. Ostrzałkowuje się prądy płynące w układzie (np. I 1, I 2 ). 5. Korzystając z I prawa Kirchhoffa, układa się równania prądów dla węzłów. 6. Zakłada się, Ŝe róŝnica napięć na wejściu WO jest prawie równa zeru, czyli U A =U B (A nazywamy masą pozorną lub wirtualną ziemią) 7. Korzystając z prawa Ohma układa się równania dla napięć i prądów. 8. Na podstawie uzyskanych równań wyznacza się zaleŝność napięcia wyjściowego w funkcji napięcia lub napięć wejściowych.

14 Wzmacniacz odwracający I 1 =I 2 ; U A =U B =0 I 1 = U we /R 1 ; U wy = - I 2 *R 2 U wy =-R 2 /R 1 *U we ; K u =-R 2 /R 1 JeŜeli: R1=R2 - inwerter Zwykle przyjmuje się: R 3 =R 1 R 2 (kompensacja błędu wejściowych prądów polaryzujących I we + oraz I we -)

15 Wzmacniacz nieodwracający I 1 =I 2 U A =U B =U we U wy =(R 1 +R 2 ) /R 1 U we K u =1+ R 2 /R 1 Rezystancja wejściowa jest bardzo duŝa i w praktyce wynosi Ohm

16 Wtórnik napięciowy U wy = - U we Wtórnik napięciowy uzyskuje się ze wzmacniacza nieodwracającego dla rezystora R 1 o nieskończonej oporności. Rezystancja R=R 2 powinna być równa wartości rezystancji źródła sygnału wejściowego. Układ charakteryzuje się bardzo duŝą rezystancją wejściową i małą rezystancją wyjściową.

17 Wzmacniacz odejmujący (róŝnicowy) JeŜeli R 3 /R 1 =R 4 /R 2 to U wy =(U 2 -U 1 )* R 3 /R 1 Kompensację błędu spowodowanego wejściowymi prądami polaryzującymi uzyskuje się w wyniku zastosowania rezystorów spełniających warunek: R 1 R 3 = R 2 R 4

18 Wzmacniacz sumujący I 1 +I = I ; U A = U B = 0 I = - U wy /R U wy = - R(U 1 /R 1 + U 2 /R ) Wartość R R powinna być równa rezystancji równoległego połączenia rezystorów R 1, R 2,... R n i R.

19 Wzmacniacz całkujący integrator I 1 = I = U we /R 1 ; I = C(dU c /dt) ; Uwy= - Uc ; U wy = 1 R C 1 t U we( t) dt + U 0 0

20 Wzmacniacz całkujący integrator

21 Wzmacniacz róŝniczkujący K u = - Z 1 /Z 2 Z 2 =R 1 Z 1 =1 / jωc k u = - jωr 1 C ZaleŜność napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego w funkcji czasu: U wy (t)= - CR 1 * du we (t)/ dt Wzmacniacz róŝniczkujący ma wiele wad m.in. jest wraŝliwy na szumy sygnału o wielkiej częstotliwości oraz ma skłonności do oscylacji.

22 Układ logarytmujący

23 Sterowane źródła napięcia

24 Sterowane źródła prądu

25 Komparator analogowy Komparatory napięcia. Komparatorami nazywamy układy porównujące napięcia i generujące na wyjściu odpowiedni sygnał mówiący o znaku róŝnicy porównywanych napięć. Najprostszy komparator napięcia nie ma praktycznie histerezy i wykorzystuje właściwości wzmacniacza operacyjnego. Znacznie lepszy i częściej stosowany jest układ z histerezą.

26 Przerzutnik Schmitta WyróŜnia się dwa typy przerzutników: - przerzutnik sterowany wejściem odwracającym - przerzutnik sterowany wejściem powtarzającym.

27 Ogranicznik napięcia Napięcie wyjściowe jest ograniczone napięciami progowymi diód U F1 i U F2,. Często w tego typu układach stosuje się stabilistor (diodę Zenera).