Wzmacniacz operacyjny

Transkrypt

1 parametry i zastosowania Ryszard J. Barczyński, 2016 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 (klasyka: Fairchild ua702) 1965 Wzmacniacze operacyjne pierwotnie służyły do wykonywania operacji matematycznych w komputerach analogowych i były wykonane z użyciem lamp elektronowych. Wprowadzenie wzmacniaczy operacyjnych w postaci układów scalonych zmieniło oblicze elektroniki analogowej. Wkrótce okazało się, że jest do doskonały blok konstrukcyjny, który umożliwia tworzenie układów o złożoności trudnej do osiągnięcia z użyciem elementów dyskretnych.

3 Wzmacniacz operacyjny to wzmacniacz prądu stałego Choć często używa się go w obwodach prądu zmiennego Ma wejście różnicowe... i bardzo duże wzmocnienie Poznamy Zasadę działania wzmacniacza operacyjnego Charakterystyki przejściowe wzmacniacza Podstawowe właściwości (parametry) wzmacniaczy operacyjnych Porozmawiamy też o zastosowaniach

4 u o ch-ka idealna u in1 u d + - kudud k ud u o u o max 0 ograniczenie k ud u u u d in1 in2 u in2 ograniczenie u o min Wzmacniacz operacyjny: a) symbol, b) charakterystyka przejściowa u o u in1 uin kudud kud 2

5 właściwości i parametry a) + b) u d 2 + u in1 u d u in2 - u o u c u d 2 u u 2 in1 in2 u d - u o Sterowanie wzmacniacza operacyjnego: a) napięcia wejściowe określone oddzielnie, b) wyodrębnienie składowej różnicowej u d i składowej wspólnej u c Wejściowy prąd polaryzacji I IN = I B1 I B2 /2 Wejściowe napięcie niezrównoważenia I N Wejściowy prąd niezrównoważenia I I I IN1 IN 2 B1 B2 Wzmocnienie sygnału różnicowego I k u u 0 ud o d przy u c

6 właściwości i parametry Wzmocnienie sygnałów wspólnych Współczynnik tłumienia sygnału wspólnego k u u przy 0 uc o c u d CMRR 20log k k ud uc Różnicowa rezystancja wejściowa Rezystancja wyjściowa Częstotliwość odcięcia Szybkość narastania napięcia wyjściowego - (ang. slew rate). SR duo( t) dt u t o

7 właściwości i parametry k us db +20dB/dek k ur db f E -20dB/dek f [log] CMRR db -20dB/dek f g f [log] -40dB/dek f [log] Charakterystyki amplitudowe wzmacniacza różnicowego: a) wzmocnienia sumacyjnego, b) wzmocnienia różnicowego, c) współczynnika CMRR

8 przykłady realizacji praktycznych a) T 12 T 9 T 3 R 5 39k + - T 1 T 2 T 3 T 4 U CC T 7 T 13A T 13B C K R 10 T 18 R 6 40k B A R 7 U CC T 16 T 23 T 19 T 15 T T 21 T 20 T 11 T 10 T 5 T 6 T 17 R 4 5k R 1 1k R 3 R 2 50k 1k R 9 50k 100 R 8 T 22 T 24 50k b) U ref kompensacja niezrównoważenia T 3 T 13B T 14 T 1 T T 8 2 u in1 u in2 T 9 u T 3 T o 4 I o T 16 U ref T 13A T 17 I ref T 23 T 20 U CC T 5 T 6 R 9 R 8 U EE

9 przykłady realizacji praktycznych U DD M 3 M 4 R REF id1 id 2 U SS i d1 C k M 8 WY u in2 u in1 u o M 1 M 2 M 6 M 5 M 7 U SS Przykład prostego wzmacniacza operacyjnego CMOS

10 przykłady realizacji praktycznych U DD M 6 M 5 M 7 u in2 u in1 M 11 M 13 =T 1 M 1 M 2 M 10 M 12 u o R ref M 3 M 4 M 8 M 9 U SS Dwustopniowy wzmacniacz operacyjny BiCMOS

11 Wzmacniacz odwracający

12 Wzmacniacz odwracający z regulacją wzmocnienia

13 Wzmacniacz odwracający z liniową regulacją wzmocnienia

14 Wzmacniacz nie odwracający

15 Wzmacniacz nie odwracający z regulacją wzmocnienia

16 Wtórnik napięciowy

17 Sterowane źródło prądowe

18 Sterowane źródło prądowe

19 Odwracający wzmacniacz prądu zmiennego

20 Integrator (układ całkujący)

21 Układ różniczkujący

22 Sumator

23 Sumator z wagami

24 Układ sumująco odejmujący

25 Integrator sumujący

26 Wzmacniacz różnicowy

27 Prosty miernik napięcia zmiennego

28 Detektor wartości szczytowej

29 Prostownik precyzyjny

30 Komparatory v P + +E CC v O v N - -E EE Komparatorami nazywamy układy, które porównują przychodzący do układu sygnał analogowy z innym sygnałem analogowym (lub sygnałem odniesienia) i wytwarzają cyfrowy sygnał wyjściowy będący wynikiem tego porównania. Komparator oznaczamy symbolem identycznym z symbolem wzmacniacza operacyjnego, ponieważ komparator ma bardzo wiele właściwości wzmacniacza o bardzo dużym wzmocnieniu.

31 Charakterystyki statyczne komparatorów v O V OH v P - v N V OL Charakterystyka statyczna idealnego komparatora

32 Charakterystyki dynamiczne komparatorów V OH v O = (V OH +V OL )/2 V OL t v I V IH v I = (V IH +V IL )/2 t P V IL t Czas opóźnienia propagacji komparatora

33 Komparatory +E D M D M 3 M M M 2 v O v I 1 + C L M 5 M 7 - E SS Prosty układ komparatora CMOS

34 + - Komparatory 500μA 500μA Masa V - Wejście T 1 T 2 3Ω T 3 T 4 4kΩ 1,2kΩ 1,2kΩ T 5 T 6 T 9 T 11 Wyjście 10μA 10μA T 7 600Ω T 8 750Ω 600Ω V + Schemat komparatora LM111

35 Komparatory 2,5M λ 5M k 5M LM111 1 v O Wyjście układów logicznych MOS -10V Detektor poziomu dla fotodiody z układem LM111