Liniowe układy scalone w technice cyfrowej

Transkrypt

1 Liniowe układy scalone w technice cyfrowej Wykład 6 Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych: konwertery prąd-napięcie i napięcie-prąd, źródła prądowe i napięciowe, przesuwnik fazowy

2 Konwerter prąd-napięcie Jeśli wejściowe prądy polaryzujące wzmacniacza są równe zero to w rezystorze R jest wymuszony prąd równy prądowi wejściowemu W rezultacie napięcie wyjściowe U O = - I I R Bardzo mała rezystancja wejściowa Układ dobrze nadaje się do współpracy z prądowymi źródłami sygnału o dużej rezystancji wewnętrznej

3 Konwerter prąd-napięcie (uwagi) Projektując układ trzeba liczyć się z błędem spowodowanym przez wejściowy prąd polaryzujący wzmacniacza, który sumuje się algebraicznie z prądem wejściowym W przypadku przetwarzania małych prądów należy stosować wzmacniacze o bardzo małych wejściowych prądach polaryzujących

4 Wzmacniacz prądu fotodiody Liniowy niskoszumowy układ o niskich napięciach zasilania C 1 ustala szerokość pasma R 1,, R 5, R 6 wysokokostabilne (1%) Fotodioda ma największą czułość dla zakresu widma nm Wzmocnienie stałoprądowe = 1000 Szerokość pasma (3 db) = 0 2,6 khz Szumy: 4,2 μv

5 Konwerter napięcie-prąd z wejściem odwracającym Prąd I 1 = U I / R 1 Ten sam prąd płynie przez rezystor obciążenia w pętli sprzężenia zwrotnego Prąd I 1 jest niezależny od wartości rezystancji obciążenia Napięcie źródła sygnału i wzmacniacz należy dobrać tak, aby mogły dostarczyć odpowiedni prąd obciążenia

6 Konwerter napięcie-prąd z wejściem nieodwracającym Prąd I 1 = U I / R 1 Ten sam prąd płynie przez rezystor obciążenia w pętli sprzężenia zwrotnego Prąd I 1 jest niezależny od wartości rezystancji obciążenia Duża rezystancja wejściowa ze względu na wykorzystanie wejścia nieodwracającego

7 Konwerter napięcie-prąd mało obciążający źródło napięcia Wzmacniacz operacyjny dobiera się uwzględniając pełny przewidywany prąd obciążenia. Wzmacniacz powinien dostarczać napięcie wyjściowe: U Omax I Mmax R L R 3 Większa część prądu obciążenia dostarczana przez wzmacniacz niewielka przez źródło Prąd obciążenia: I L = U I R 1 1 R 3 Rezystor R 3 służy do dobrania odpowiedniej wartości prądu obciążenia Aby zminimalizować obciążenie źródła sygnału można dobrać R 1 o dużej wartości

8 Konwerter napięcie-prąd z uziemionym obciążeniem Wzmacniacz pracuje jako źródło prądowe sterowane napięciem U I Prąd obciążenia: Wartości R 1 i dobiera się na małe prądy, R F i R 3 powinny mieć małe wartości ze względu na zminimalizowanie występujących na nich spadków napięcia I L = U I przy R 3 = R F R 1 Właściwy dobór stosunków rezystancji gwarantuje dużą rezystancję wewn. źródła prądowego Wzmacniacz powinien dysponować zakresem napięcia wyjściowego równym co najmniej sumie max. napięcia na obciążeniu i spadku napięcia na R 3

9 Źródła napięciowe - ogólnie Jako źródła napięciowe zasilające stosuje się najczęściej monolityczne regulatory napięcia (specjalizowane) Źródła napięcia buduje się również z pomocą wzmacniaczy operacyjnych Rzadko jako źródła napięcia zasilającego Często jako źródła napięcia odniesienia o wysokiej stabilności Napięcie uzyskiwane jest z diod Zenera o wysokiej stabilności cieplnej (0,0005% / C), o skompensowanych fabrycznie zmianach termicznych Rola wzmacniacza: wzmocnienie lub zredukowanie napięcia odniesienia na wyjściu źródła oraz zapewnienie odpowiednio dużego prądu wyjściowego

10 Źródło napięciowe układ podstawowy U O =U Z R 3 R 1 powinien być dobrany w taki sposób, aby prąd w diodzie Zenera był równy katalogowej wartości optymalnej, przy której współczynnik termiczny napięcia jest najmniejszy Dobór stosunku R 3 i decyduje o napięciu Układ jest źródłem dodatniego napięcia odniesienia Napięcie ujemne można uzyskać zmieniając polaryzację diody i dołaczając R 1 do ujemnego napięcia zasilania

11 Źródło napięcia odniesienia z układem startującym Dioda zasilana przez rezystor stabilizowanym napięciem wyjściow. Dwa stany stabilne po włączeniu zasilania : U Z i 0V Aby temu zapobiec dioda D 2 połaczona z dzielnikiem rezystorowym R 4, R 5 tak dobranym, aby napięcie podawane na diodę D 2 było mniejsze niż U Z U O =U Z R 3 Przy prawidłowej pracy układu D 2 nie przewodzi, a przy włączaniu układu wymusza wzrost napięcia na D 1 i ustawienie się układu we właściwym stanie stabilnym

12 Źródło napięcia przykład praktyczny Ujemne i dodatnie sprzężenie W chwili włączenia silne sprzężenie dodatnie dzięki połączeniu wyjścia przez niewielki rezystor R 1 z wejściem (+) i początkowo dużej rezystancji dyn. diody Następuje wzrost napięcia na diodzie do 6,6V jest ona utrzymywana na wejściu (-) w wyniku działania ujemnego sprzężenia Mała rezystancja dynamiczna diody ogranicza wielkość sprzężenia dodatniego

13 Źródło napięcia przykład praktyczny Dzięki zasilaniu diody wyjściowym napięciem stabilizowanym osiąga się dobrą stałość prądu diody równego 2 ma Należy stosować rezystory o dużej stabilności Stosunek zmian napięcia wyjściowego do zmian napięcia zasilania = 100dB przy f=100hz Po odwróceniu polaryzacji diody i napięć zasilających - źródło napięcia ujemnego

14 Źródło napięcia o prądzie do 100mA Prąd wyjściowy jest ograniczony wartością dopuszczalnego prądu wyjściowego wzmacniacza W celu zwiększenia zakresu prądu wyjściowego stosuje się dodatkowe układy tranzystorowe T 1 wzmacnia prąd wyjściowy do 100 ma T 2 -zabezp. przeciwzwarciowe R O = 8, Ω, zmiana napięcia wyjściowego 8,5 μv przy pełnym zakresie zmian prądu obciążenia

15 Źródła prądowe Dostarczają prąd o stałej wartości niezależnej od wielkości obciążenia Stosując wzmacniacze operacyjne można uzyskać duży współczynnik sprzężenia zwrotnego czyli dużą dokładność i dobrą stabilność termiczną źródła Zastosowanie: Generatory przebiegów liniowych Przyrządy do testowania tranzystorów i układów scalonych oraz pomiarów rezystancji Przetworniki analogowo-cyfrowe

16 Źródło prądowe w układzie nieodwracającym Konwerter napięcie-prąd do którego jako napięcie wejściowe doprowadzono napięcie odniesienia U R Obciążenie włączone jest jako element sprzężenia zwrotnego nie może być uziemione Wzmacniacz operacyjny wymusza w obciążeniu R L prąd taki sam jak w R Wartość prądu I L musi być znacznie większa od wejściowych prądów polaryzujących wzmacniacza

17 Źródło prądowe w układzie odwracającym Tego układu dotyczą wszystkie uwagi dotyczące układu nieodwracającego WADA obu układów: obciążenie nie podłączone do masy!!!

18 Źródło prądowe z tranzystorem unipolarnym Na rezystorze R występuje napięcie U R Dzięki pomijalnie małej wartości prądu bramki tranzystora prądy płynące prze R L i R są takie same Jedna końcówka obciążenia może być dołączona do punktu o stałym potencjale (+U ZZ ) Przy innej polaryzacji można jedną końcówkę obciążenia dołączyć do masy

19 Źródło prądowe w układzie Howlanda Umożliwia dołączenie obciążenia do dowolnego potencjału Z faktu, że między wejściami wzmacniacza utrzymywane jest napięcie bliskie zero, a wejściowe prądy polaryzujące są pomijalnie małe w stosunku do prądów I 1 i I 2 wynika zależność: I 1 ar 1 =U 1 U O =U 2 U O =I 3 a czyli I 1 R 1 =I 3

20 Układ Howlanda - dalej I 1 R 1 =I 3 Ponieważ I 1 = U R1 U 1 R 1 oraz I 2 = U R2 U 2 więc I 3 = U R1 U 1 Prąd obciążenia : I L =I 2 I 3 = U R2 U 2 U R1 U 1 = U R2 U R1 Prąd uzyskiwany ze źródła nie zależy więc od rezystancji obciążenia lecz od różnicy napięć odniesienia U R1 i U R2 W zależności od doboru tych napięć można uzyskać prąd o różnym kierunku przepływu Druga końcówka obciążenia może być podłączona do masy lub innego potencjału

21 Układ Howlanda - raz jeszcze Źródło Howlanda jest najczęściej stosowane w układzie z jednym wejściem U R1 lub U R2 uziemionym np. przy uziemionym wejściu U R2 : I L = U R1 U O = a U R1[ 1 R L I O = U R1 R 1 1 R L 1 1 ] a 1 R 1 Dwa ostatnie wzory dotyczą prądu i napięcia nawyjściu wzmacniacza i służą do określenia parametrów wyjściowych wzmacniacza niezbędnych do uzyskania prądu I L o określonej wartości

22 Przesuwnik fazowy Zakładając, że wejściowe prądy polaryzujące są równe zero: I 1 = I 3 oraz I 2 = I 4 Przy K, czyli przy zerowej różnicy napięć między wejściami wzmacniacza, z równości prądów wynika: U I U R = U U O R U I U 1/ sc =U r U - napięcie na wejściach wzmacniacza w stosunku do masy

23 Przesuwnik fazowy - wnioski Rozwiązując układ równań otrzymujemy: U O = 1 s C r 1 s C r U I Przy zmianacz częstotliwości napęcia U I z zachowaniem stałej amplitudy amplituda napięcia U O pozostaje stała a zmianie ulega przesunięcie fazowe Funkcja przenoszenia nie zależy od właściwości w.o. i od R (!) Gdy r = 0 układ przesuwnika staje się wzmacniaczem odwracającym o wzmocnmieniu 1 czyli przesunięcie fazy jest 180 Gdy r = i sygnał wejściowy w pełnym zakresie częstotliwości doprowadzany (oprócz f = 0) jest doprowadzany do wejścia (+) przy założeniu R we = wzmacniacza. Rezystor R między wejściem a wejściem (-) jest zwarty, gdyż potencjały obu wejść są równe. Ponieważ na tym R nie ma spadku napięcia w rezystorze R w pętli nie płynie prąd i całe napięcie wyjściowe podawane jest na wejście nieodwracające wzmocnienie = 1, przesunięcie fazy = 0