Wzmacniacze operacyjne

Transkrypt

1 Temat i plan wykładu Wzmacniacze operacyjne. Wprowadzenie 2. Podstawowe parametry i układy pracy 3. Wzmacniacz odwracający i nieodwracający 4. kład całkujący, różniczkujący, różnicowy 5. Konwerter prąd-napięcie 6. Zastosowanie wzmacniaczy w fotowoltaice

2 Cele wykładu Celem wykładu jest przedstawienie: zasad działania i parametrów wzmacniaczy operacyjnych, sposobów wykorzystania ich przy realizacji układów analogowych i wybranych układów impulsowych, analizy i projektowania prostych układów metodami elementarnymi, korzystania z kart katalogowych i not aplikacyjnych w celu dobrania odpowiednich komponentów do projektowania. ELEKTONIKA Jakub Dawidziuk sobota, 6 czerwca 202

3 Symbol graficzny, oznaczenia, obudowa

4 Napięcia wejściowe i wyjściowe Dozwolony zakres napięć wejściowych i wyjściowych +/- z

5 Wyprowadzenia, podłączenie napięć zasilających od +/-5 V do +/-5 V Występuje grupa wzmacniaczy operacyjnych zasilanych pojedynczym napięciem, np. +3,3 V.

6 Podstawowe parametry wzmacniacza idealnego i rzeczywistego nieskończona wartość impedancji wejściowej WE = (-0 5 MΩ), nieskończona wartość wzmocnienia różnicowego A = ( ), zerowa wartość impedancji wyjściowej WY = 0 ( Ω), nieskończone pasmo przenoszonych częstotliwości (-00 MHz), brak zjawisk niepożądanych (niestabilność, niezależność od zmian napięcia zasilania, itp.), idealny wzmacniacz operacyjny po załączeniu napięć zasilających i podłączeniu wejść do wspólnego potencjału zerowego powinien mieć również zerowe napięcie wyjściowe i zerowe prądy wyjściowe, wzmacniacz rzeczywisty nie spełnia tych wymagań, ale ich odchyłki są nieznaczące z punktu widzenia praktycznego.

7 Model idealnego wzmacniacza operacyjnego we wy we = wy = 0 A = wzmacniacz nie nasyca się

8 Model rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego we wy we = in wy = 0 A = 0 6 wzmacniacz nasyca się

9 Jednak w praktyce

10 Jednak w praktyce nasycenie

11 Nasycenie wzmacniacza The MAX4040 MAX4044 family of micropower op amps operates from a single +2.4V to +5.5V supply or dual ±.2V to ±2.75V supplies and have rail-to-rail input and output capabilities.

12 Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza

13 Przykładowa charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza odwracającego o wzmocnieniu 0 (niebieski wykres) i 00 (czerwony wykres)

14 Sprzężenie zwrotne -oddziaływanie skutku jakiegoś zjawiska na jego przyczynę jemne Dodatnie - wzmocnienie, Zmniejsza: - wrażliwość na zmiany parametrów elementów składowych układu, - zniekształcenia nieliniowe. Powoduje zmianę impedancji wejściowej i wyjściowej oraz charakterystyk częstotliwościowych. Zwiększa wzmocnienie. Destabilizuje. Jest stosowane w generatorach i układach regeneracyjnych. We wzmacniaczach może wystąpić jako efekt pasożytniczy.

15 Sprzężenie zwrotne i jego wpływ na parametry wzmacniacza-ujemne

16 Sprzężenie zwrotne dodatnie A f

17 Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych Wzmacniacze operacyjne pracują najczęściej w układach z zewnętrznym ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Sprzężenie polepsza własności wzmacniacza: zmniejsza nieliniowość charakterystyk i niezrównoważenie, poszerza pasmo częstotliwości, poprawia stałość parametrów, umożliwia dobór wzmocnienia. W układach z otwartą pętlą (lub z dodatnim sprzężeniem zwrotnym) wzmacniacze operacyjne pracują jako komparatory, tzn. w jednym z dwóch stanów nasycenia.

18 Wzmacniacz odwracający (0) I WE ID I 2 A 2 WY I I WY WE WE I 2 WE A, ID WY 2, I 2 WY WE WY F K 2 3 = 2

19 Wzmacniacz odwracający - bilans

20 Wzmacniacz odwracający

21 Wzmacniacz odwracający

22 Sumator ze WO I F I I 2 F wy F wy u 2 F WY 2 (0)

23 Sumator, przykład symulacyjny

24 Sumator audio - mikser

25 Wzmacniacz nieodwracający (0) ID A 2 wy WY WE K M WY 2 2

26 WO nieodwracający, przykład symulacyjny

27 Wtórnik napięciowy (0) ID WE A WY K WY 2 WE K 0, WE G 2

28 Wtórnik napięciowy

29 Konwerter I/ I WY I WY

30 Konwerter I/, przykład symulacyjny WY I

31 Konwerter I/ - zastosowanie I WY I WY

32 Wzmacniacz różnicowy (0) 2 WY 2 2 _ WY WY WY u

33 Wzmacniacz różnicowy u WY 2 2

34 Wzmacniacz całkujący - integtator WE ID C WY WE d dt WY WY dwy C dt C C t 0 WE WE dt C 0

35 Wzmacniacz całkujący - integrator

36 Wzmacniacz całkujący - integrator

37 Wzmacniacz różniczkujący C WE ID WY I I C d C dt WY WE WY C d dt WE

38 Wzmacniacz różniczkujący

39 Wzmacniacz różniczkujący

40 Temat i plan wykładu Komparatory napięcia. Wprowadzenie 2. Budowa komparatorów napięcia 3. Podstawowe parametry i układy pracy 4. Komparator nieregeneracyjny i regeneracyjny 5. Przerzutniki Schmitta 6. Detektory zera

41 u we EF GND + CC - CC u wy Zasada działania komparatora napięcia Jednobitowy przetwornik AC Pojawienie się różnicy napięć rzędu ułamka mv między wejściami komparatora wywołuje skokową zmianę poziomu napięcia na wyjściu, poziom napięcia wyjściowego jest wysoki albo niski, zależnie od znaku różnicy napięć wejściowych, jeżeli napięcie wejściowe podane na końcówkę odwracającą (-) komparatora jest mniejsze od napięcia podawanego na końcówkę nieodwracającą (+), to napięcie wyjściowe przyjmuje poziom wysoki (H), jeżeli napięcie wejściowe podane na końcówkę odwracającą (-) komparatora jest większe od napięcia podawanego na końcówkę nieodwracającą (+), to napięcie wyjściowe przyjmuje poziom niski (L).

42 u we EF GND + CC - CC u wy Zasada działania komparatora nieregeneracyjnego u we EF 0 0 u wy t HO LO t

43 Komparator regeneracyjny odwracający u we F u wy EF Zadaniem rezystora F jest spowodowanie powstania dwóch poziomów napięcia progowego, którego wartości będą zależały od stanu wyjścia komparatora.

44 Wyznaczenie progów przełączania i histerezy L H F H L wy H wy wy wy F pl ph H F F EF F wy pl F F EF F wy ph min max min max min max

45 u we his u wy komparatora nieregeneracyjnego EF t HO LO u wy komparatora regeneracyjnego t HO LO t

46 Komparator z otwartym kolektorem np.+5v czas odpowiedzi: ns, μs 0,5-5kΩ wy OC zasilanie: symetryczne, asymetryczne OC-open collector Przykłady komparatorów: LM 3-szybki LM 339, CP 40-OC TLC 393-CMOS NE 529-dwie bramki, światłowodowe przekazywanie danych, przetwornik A/C MAX 92-wewnętrzne napięcie odniesienia, programowalna histereza, wyjście TTL/CMOS

47 Modulator szerokości impulsu (PWM)

48 Wyłącznik zmierzchowy

49 Przerzutnika Schmitta, progi przełączania i szerokości pętli histerezy ph pl H F wy max wy min ph F F pl wy max wy min

50 Przebiegi napięć w odwracającym przerzutniku Schmitta

51 Detektory przejścia przez zero Detektor przejścia przez zero wytwarza sygnał wyjściowy zmieniający stan za każdym razem, gdy wartość analogowego sygnału wejściowego przekracza poziom zerowy. kład taki jest szczególnie przydatny przy analizie widma częstotliwościowego sygnału, gdyż przetwarza sygnał analogowy w ciąg impulsów prostokątnych o szerokościach zależnych od częstotliwości. W ten sposób następuje redukcja szumów i zniekształceń sygnału badanego, a dalszą analizę można łatwo przeprowadzić metodami cyfrowymi.

52 Detektor przejścia napięcia przez zero

53 Zastosowanie detektorów przejścia przez zero Systemy przetwarzania i obróbki danych analogowych, układy pamięci analogowych, badanie korelacji sygnałów. Należy stosować szybkie komparatory, aby opóźnienie sygnału wyjściowego w stosunku do chwili przejścia przez zero było małe, i jednocześnie o dobrej dokładności, aby błąd określenia poziomu zerowego był mały. W detektorach przejścia przez zero często stosuje się zamiast komparatora napięcia wzmacniacz operacyjny.

54 Przerzutnik astabilny Mogą być użyte wzmacniacze operacyjne lub komparatory: przerzutnik astabilny, generator relaksacyjny, muliwibrator. u C C 2 wy u wy u wy CC t 2 u C CC i Δt Δt 2 - CC t 2 CC

55 ezystancja wejściowa 5 A, A2 20, 5k, 2 50 k I I2 IWE WE WE I WE WE I ID I 2 A 2 WY A ID WE WE WY I I WE WE 2 WY ID WE 3 = 2 WY A WE IWE WE IWE 2 A WE IWE A 2 2 WE A A WE2 5000, , ,25 % zmiana rezys tancji 00% 0,005%

56 Pomiar rezystancji ogniw elektrochemicznych

57 Pomiar różnicy napięć termopar

58 Wyprowadzenia, podłączenie napięć zasilających, zabezpieczenia

59 Przesterowanie wzmacniacza odwracającego Sygnał na wejściu wzmacniacza (niebieski) i przesterowany sygnał wyjściowy (czerwony),wzmocnienie wynosi 0, z =+/- 5 V.

60 Elektrokardiografia system pomiarowy EKG