Wzmacniacze operacyjne.

Transkrypt

1 Wzmacniacze operacyjne

2 Polecam dla początkujących! Piotr Górecki Wzmacniacze operacyjne

3 Jak to działa? Powtórzenie: dzielnik napięcia R 2 Jeśli pominiemy prąd płynący przez wyjście: I U R R U R wy R R2 Dla prądów zmiennych pojawiają się impedancje, R C i C R L i L

4 Wzmacniacz idealny (gdyby taki istniał) Powinien: łatwo nastawid wzmocnienie (od 0 do 00000, a może ) mied szerokie pasmo przenoszenia (, od DC do AC khz, MHz, GHz),płaska charakterystyka w całym paśmie, przesunięcie fazowe ściśle określone (i niezależne od ) wejście nie powinno obciążad źródła sygnału (nie powinny płynąd prądy wejściowe) rezystancja wejściowa rzędu G (najlepiej ), pojemnośd wejściowa 0 parametry wzmacniacza powinno się regulowad elektronicznie (napięciem) wyjście wzmacniacza powinno mied nieograniczoną wydajnośd (w całym zakresie ) wyjście powinno byd szybkie w spoczynku wzmacniacz nie powinien pobierad prądu, nie powinien generowad szumów, nie powinien się samowzbudzad.

5 Zasada działania Wzmacniacz idealny: Wzmocnienie (gain) G = Opór wejśd różnicowych R we = Na wyjściu dowolnie duży prąd V CC Napięcie zasilające dodatnie Wejście nieodwracające Wejścia różnicowe Wyjście Wejście odwracające V EE Napięcie zasilające ujemne V CC Collector supply voltage (common-collector voltage), V EE Emitter supply voltage

6 Zasada działania Wzmacniacz idealny: Wzmocnienie (gain) G = Opór wejśd różnicowych R we = Na wyjściu dowolnie duży prąd Działanie wzmacniacza operacyjnego zależy głównie od zastosowanego zewnętrznego obwodu sprzężenia zwrotnego (najczęściej silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego). V CC Napięcie zasilające dodatnie Wejście nieodwracające Wejścia różnicowe Wyjście Wejście odwracające V EE Napięcie zasilające ujemne

7 Zasada działania Zasilanie: V CC Napięcie zasilające dodatnie V CC masa V EE V EE Napięcie zasilające ujemne W praktyce: Dopuszczalny zakres napięd ograniczony przez wartości V EE i V CC.

8 Zasada działania Zasilanie: V CC Napięcie zasilające dodatnie V CC masa V EE V EE Napięcie zasilające ujemne Wejście nieodwracające

9 Zasada działania Zasilanie: V CC Napięcie zasilające dodatnie V CC masa V EE V EE Napięcie zasilające ujemne Wejście odwracające

10 Zasada działania Zasilanie: V CC Napięcie zasilające dodatnie V CC masa V EE V EE Napięcie zasilające ujemne Wejście odwracające

11 Zasada działania Zasilanie: V CC Napięcie zasilające dodatnie V CC 5 V 0 V masa 0 mv V EE Napięcie zasilające ujemne V EE -5 V

12 Zasada działania Zasilanie: V CC Napięcie zasilające dodatnie masa V CC 0 V 5 V 0 mv V EE Napięcie zasilające ujemne V EE -5 V Wzmocnienie razy! G=0 6 Typowe wzmocnienia: razy

13 Zasada działania Wejścia różnicowe: V CC Napięcie zasilające dodatnie?? masa V EE Napięcie zasilające ujemne Wzmocnienie razy! G=0 6

14 Zasada działania Wejścia różnicowe: V CC Napięcie zasilające dodatnie masa V EE Napięcie zasilające ujemne Wzmocnienie razy! G=0 6 UWAGA! Napięcia na wejściu są praktycznie jednakowe! Różnica mv daje na wyjściu np. V na wejściu istotna jest różnica między 5,00000 V a V albo 4, V!

15 Zasada działania Wejścia różnicowe: V CC Napięcie zasilające dodatnie Wejście odwracające i nieodwracające 0 0 masa 0 V EE Napięcie zasilające ujemne 0

16 Zasada działania Ćwiczenia: V CC 5 V 6 V V 0 V? -5 V V EE Wzmocnienie razy. G=0 5

17 Zasada działania Ćwiczenia: V CC 5 V - V -3 V 0 V? -5 V V EE Wzmocnienie razy. G=0 5

18 Zasada działania Ćwiczenia: V CC 5 V -5 V 2 V? 0 V -5 V V EE Wzmocnienie razy. G=0 5

19 Zasada działania Zasilanie:,000 V,0000 V?,00000 V,00005 V? -2,99999 V -3,00000 V? Wzmocnienie razy. G=0 5 0,00000 V -0,00003 V?

20 Ideały i modele V CC R C U R d U=G U R O R C V EE

21 Najprostsze zastosowania - komparator UWAGA! Napięcia na wejściu są praktycznie jednakowe! Różnica mv daje na wyjściu np. V na wejściu istotna jest różnica między 5,00000 V a V albo 4, V! Sygnał z mikrofonu ma wartości rzędu mv. V CC V EE V CC V EE KOMPARATOR Jeśli na jednym z wejśd jest napięcie 0 to jest to tzw. detektor przejścia przez 0. Bardzo trudno jest z taką dokładnością stabilizowad napięcie. Potrzebna jest tzw. pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego.

22 Najprostsze zastosowania wtórnik napięciowy Jak to działa?? Wzmocnienie razy. G=0 5

23 Najprostsze zastosowania wtórnik napięciowy Jak to działa? -,00000 V -0,99999 V -0,99999 V 5,00000 V 4,99995 V 4,99995 V -7,00000 V -6,99993 V -6,99993 V Wzmocnienie razy. G=0 5 Wtórnik napięciowy: Dokładnie odwzorowuje napięcie (a od czego to zależy JAK dokładnie?). Rezystancja wejściowa bardzo duża (nie obciąża źródła sygnału). W spoczynku pobiera mały prąd.

24 Jak to działa? Najprostsze zastosowania wtórnik napięciowy? R? Wzmocnienie razy. G=0 5

25 Jak to działa? Wzmacniacz nieodwracający X R 2 R 2 X R R Wzmocnienie razy. G =

26 Jak to działa? Wzmacniacz nieodwracający R 2 = 2k 0 V X R = k Wzmocnienie razy. G =

27 Jak to działa? Wzmacniacz nieodwracający 0 V 0V 0V U X = (tzw. wirtualne zwarcie) R 2 = 2k 0 V X = 0V R = k I = 0 A Wzmocnienie razy. G =

28 Jak to działa? Wzmacniacz nieodwracający 0V 0V U X = (tzw. wirtualne zwarcie) R 2 = 2k V X R = k Wzmocnienie razy. G =

29 Wzmacniacz nieodwracający Jak to działa? 0V 0V V 3V U X = (tzw. wirtualne zwarcie) V 3V R 2 = 2k V R = k I = ma Wzmocnienie razy. G =

30 Wzmacniacz nieodwracający Jak to działa? 0V 0V V 3V 2V 6V U X = (tzw. wirtualne zwarcie) 2V 6V R 2 = 2k 2V R = k I = 2 ma Wzmocnienie razy. G =

31 Wzmacniacz nieodwracający Jak to działa? 0V 0V V 3V 2V 6V U X = (tzw. wirtualne zwarcie) -9V R 2 = 20k -3V -3V R = 0k I = -3 ma Wzmocnienie razy. G =

32 Jak to działa? Wzmacniacz nieodwracający -9V 0V 0V V 3V 2V 6V U X = (tzw. wirtualne zwarcie) R 2 = 20k U R X R R2-3V -3V R = 0k G U U wy we R R 2 R2 R R I = -3 ma Wzmocnienie razy. G =

33 Podsumowanie: Wzmacniacz nieodwracający Wzmacniacz nieodwracający ma bardzo dużą rezystancję wejściową wzmacnia napięcia stałe i zmienne wirtualne zwarcie wejśd i -. wzmocnienie wynosi: G U U wy we R R 2 R2 R R R 2 X R R R 2 Wzmocnienie razy. G =

34 W praktyce: Wzmacniacz nieodwracający -7,99969 V R 2 = 6k -2,00000V R = 2k -,99992 V I = 0,99996 ma Wzmocnienie razy. G=0 5 G U U wy we R R 2 R2 R R

35 W praktyce: Wzmacniacz nieodwracający ok. 4 V R 2 = 5k 0V R = 2k ok. 4V I = ok. 2 ma Wzmocnienie razy. G=0 5 G U U wy we R R 2 R2 R R

36 Wzmacniacz odwracający Jak to działa? R R 2 R 2 U X = = 0 (tzw. wirtualne zwarcie) X R Wzmocnienie razy. G =

37 Wzmacniacz odwracający Jak to działa? 0V 0V V 2V 2V R 2 = 2k U X = = 0 (tzw. wirtualne zwarcie) 0 V R = k V I = ma Wzmocnienie razy. G =

38 Wzmacniacz odwracający Jak to działa? 0V 0V V 2V 2V R 2 = 20k U X = = 0 (tzw. wirtualne zwarcie) 0 V R = 0k V I = 0, ma Wzmocnienie razy. G =

39 Wzmacniacz odwracający Jak to działa? 0V 0V V 2V 2V R 2 = 20k U X = = 0 (tzw. wirtualne zwarcie) 0 V R = 0k V I = 0, ma Wzmocnienie razy. G =

40 Jak to działa? Wzmacniacz odwracający 0V 0V V 2V 2V 4V -4V Układ odwraca biegunowośd (fazę) R 2 = 20k U X = = 0 (tzw. wirtualne zwarcie) 0 V U R U R We wy 2 G R2 R R = 0k 2V I = 0,2 ma Wzmocnienie razy. G =

41 Podsumowanie: Wzmacniacz odwracający Wzmacniacz nieodwracający rezystancja wejściowa jest równa R wzmacnia (lub osłabia) napięcia stałe i zmienne odwraca biegunowośd (fazę) napięcia zwarcie wejśd i - przez wirtualną masę. wzmocnienie wynosi: G R R 2 ale musi byd G Goa R 2 X R Wzmocnienie razy. G =

42 W praktyce: 5,99976 V Wzmacniacz odwracający G R R 2 R 2 = 30k -9,990 V 0,00006 V 0,00000V R = 0k -20 mv I = 0,2 ma R 2 = 00k 0,000 V 0,00000V R = 0k Wzmocnienie razy. G=0 5 V I = 0, ma

43 W praktyce: 20 mv 500 = 0 V?? Wzmacniacz odwracający G R R 2 R 2 = 500k V 00 = 00 V??? V R = k -20mV I =? A 0,00000V R 2 = 00k?V 0,00000V R = k Wzmocnienie 000 razy. G=0 3 V I =? A

44 W praktyce: Zbyt duże wzmocnienie w stosunku do G! 6,6622 V! 20 mv 500 = 0 V?! Wzmacniacz odwracający G R R 2 Nasycenie! -4 V! R 2 = 500k V 00 = 00 V?! 6,6622 mv R = k -20mV I =? A 0,00000V R 2 = 00k?V 0,00000V R = k Wzmocnienie 000 razy. G=0 3 V I =? A

45 Wzmacniacz odwracający z kondensatorem Układ różniczkujący C R 2 G R R 2 C R2 / C R C 2 U U U we C wy U C U Q I dt I C C du we IR2 R2C dt R C du dt we Układ różniczkujący. Wzmocnienie razy. G =

46 Wzmacniacz odwracający z kondensatorem Układ całkujący R C G R R C R C U U U we C wy U Q C R C CR Układ całkujący. IR I U U dt we dt C U CR wy U we dt Wzmocnienie razy. G =

47 Zastosowania: filtry Filtr dolnoprzepustowy g R C 2 2 R C 2 R 2 Wzmocnienie razy. G =

48 Zastosowania: filtry Filtr górnoprzepustowy d R C R C R 2 Wzmocnienie razy. G =

49 Zastosowania: filtry Filtr pasmowy R C R 2 d R C R C C G g Wzmocnienie razy. G = d g Log

50 Piotr Górecki Wzmacniacze operacyjne Parametry

51 Piotr Górecki Wzmacniacze operacyjne Parametry

52 Piotr Górecki Wzmacniacze operacyjne Parametry

53 Piotr Górecki Wzmacniacze operacyjne Parametry LM358, LM324

54 TLC27 Wzmacniacze operacyjne Parametry

55 Zastosowania: inne Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych: w układach analogowych, gdzie wykonują operacje wrytmetyczne na sygnałach: dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia, całkowania, różniczkowania, itp. w różnego rodzaju filtrach, we wzmacniaczach logarytmicznych, w generatorach sygnałów: prostokątnych, trójkątnych i sinusoidalnych, w detektorach liniowych i detektorach wartości szczytowej, układach próbkujących z pamięcią.

56 Piotr Górecki Piotr Górecki Konwerter prąd-napięcie Zastosowania: inne Sumator (mikser)

57 Piotr Górecki Wzmacniacz różnicowy Zastosowania: inne I wiele, wiele innych! Układy_elektroniczne_i_technika_pomiarowa4

58 Dygresja Przerzutnik Schmitta porównuje z zadanym napięciem. Przerzutnik Schmitta Przerzutnik Schmitta sterowany wejściem odwracającym: R 2 V CC X R V EE