Wzmacniacze o kształtowanej charakterystyce.

Transkrypt

1 Wzmacniacze o kształtowanej charakterystyce.

2 Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych. Wzmacniacz odwracający Wzmacniacz nieodwracający Wtórnik

3 Wzmacniacz odwracający.

4 Wzmocnienie I I I I 0V I Z we I Z wy we wy Z we wy Z Ku wy we Z Z Z Z Z 3 + Z Z

5

6 Wzmacniacz nieodwracający.

7 Wzmocnienie I I WY u K WY K WY WE + WY WY WE K K + * * * ) * *( K WY WE + + ) *( K WY WE + +

8 Wzmocnienie I I ) *( K WY WE + + ) ( WY WE + WY WE + Ku WE WY * +

9

10 Wtórnik..

11 we wy 0 K + K WE Wzmocnienie

12

13 Parametry filtrów aktywnych.

14 Częstotliwość graniczna dB Wzmocnienie [db] Pasmo przepustowe Pasmo zaporowe 0 f Częstotliw ość [Hz] NajwaŜniejszym parametrem filtrów aktywnych jest częstotliwość graniczna (lub częstotliwości graniczne w zaleŝności od filtru). Jest to taka częstotliwość przy której wzmocnienie jest o 3dB mniejsze niŝ w paśmie przepustowym.

15 Dobroć filtru 0 8 wzmocnienie [db] 6 4 f f Q ( f f ) f 0 f f 500 f częstotliw ość [Hz] Przy filtrach pasmowych jest to stosunek częstotliwości środkowej do trzydecybelowego pasma przepustowego. Oznacza się ją przewaŝnie literą Q.

16 Opóźnienie Grupowe.,5 0,5 A Wejście Wyjście -0,5 - -,5 czas Do niektórych zastosowań naleŝy zwracać uwagę na zachowanie się filtru przy podaniu na jego wejście kilku impulsów o określonej częstotliwości. WiąŜe się z tym parametr zwany Opóźnieniem Grupowym. W zaleŝności od filtru po zakończeniu ciągu impulsów na wyjściu sygnał moŝe zaniknąć od razu lub gasnąć powoli.

17 Opóźnienie Grupowe.,5 0,5 A Wejście wyjście -0,5 - -,5 czas Mówimy, Ŝe powyŝszy filtr ma małą skłonność do dzwonienia. PoniŜszy filtr ma duŝą skłonność do dzwonienia.

18 Charakterystyka fazowa. Wzmacniacz oprócz przesunięcia fazowego wynikającego z podłączenia sygnału wejściowego do wejście odwracającego ma równieŝ przesunięcie spowodowane uŝyciem kondensatora (np. w sprzęŝeniu zwrotnym). Przesunięcie fazowe między wejściem filtru/wzmacniacza a wyjściem będzie więc zaleŝne od częstotliwości. Przy bardziej profesjonalnych zastosowaniach naleŝy to uwzględnić. W tym celu sporządza się charakterystykę fazową filtru.

19 WraŜliwość. Jest to zaleŝność zmian częstotliwości granicznej od zmiany parametru elementów. Jest to parametr waŝny gdy konieczne jest uzyskanie stałej częstotliwości niezaleŝnie od zmiany temperatury. Przy niektórych filtrach zmiana np. pojemności kondensatora o 5% zmieni częstotliwość graniczną o 5% a w innym tylko o 3%. Lepsze są oczywiście te mniej wraŝliwe.

20 Wzmacniacze o kształtowanej charakterystyce. Aktywny filtr dolnoprzepustowy Aktywny filtr górnoprzepustowy Aktywny filtr pasmowoprzepustowy

21 Aktywny filtr dolnoprzepustowy we wy

22 Wprowadzając do układu wzmacniacza odwracającego równolegle połączony rezystora i kondensator C w miejsce impedancji Z oraz rezystor w miejsce impedancji Z otrzymujemy układ wzmacniacza małych częstotliwości. Impedancje Z moŝna przedstawić wzorem:

23 Wprowadzając do układu wzmacniacza odwracającego równolegle połączony rezystora i kondensator C w miejsce impedancji Z oraz rezystor w miejsce impedancji Z otrzymujemy układ wzmacniacza małych częstotliwości. Impedancje Z moŝna przedstawić wzorem: Z Xc

24 Xc Z C C Z f f Π + Π ) ( + Π C Z f Jak widać z tego wzoru wraz ze wzrostem częstotliwości maleje wartość Z. Zgodnie ze wzorem na wzmocnienie wzmacniacza odwracającego wnioskujemy, Ŝe ze wzrostem częstotliwości zmaleje wzmocnienie.

25 Częstotliwość przy której wzmocnienie spadnie o 3dB wynosi: Fx Π C Na odcinku charakterystyki, na którym następuje spadek wzmocnienia 6dB na oktawę opisane jest wzorem: Ku + ( f F x ) Dla niskich częstotliwości kondensator ma wysoką impedancje i stanowi rozwarcie. Wzmocnienie wtedy wyniesie wartość maksymalną równą: Ku

26 Charakterystyki sporządziliśmy z pomocą programu Multisim. Nasz układ pomiarowy wyglądał następująco:

27 Wzm acniacz Niskiej Częstotliw ości,5k, 6,k 3,5 Ku [V/V],5 450p 800p 00p 0, F [Hz] Z charakterystyki wynika, Ŝe na górną częstotliwość moŝna wpływać zmianami pojemności. Nie wynikną z tego zmiany wzmocnienia w paśmie przepustowym.

28 Aktywny filtr górnoprzepustowy we wy

29 Wprowadzając do układu szeregowe połączony rezystora i kondensator C w miejsce impedancji Z oraz rezystor w miejsce impedancji Z otrzymujemy układ wzmacniacza wysokich częstotliwości. Impedancje Z moŝna przedstawić wzorem:

30 Wprowadzając do układu szeregowe połączony rezystora i kondensator C w miejsce impedancji Z oraz rezystor w miejsce impedancji Z otrzymujemy układ wzmacniacza wysokich częstotliwości. Impedancje Z moŝna przedstawić wzorem: Z + Xc

31 Z + Xc Z + Πf C Jak widać z tego wzoru wraz ze wzrostem częstotliwości maleje wartość Z. Zgodnie ze wzorem na wzmocnienie wzmacniacza odwracającego wnioskujemy, Ŝe ze wzrostem częstotliwości wzrośnie wzmocnienie.

32 Częstotliwość przy której wzmocnienie spadnie o 3dB wynosi: Fx Π C Na odcinku charakterystyki, na którym następuje spadek wzmocnienia 6dB na oktawę opisane jest wzorem: Ku Π f + ( f F x ) C Największe wzmocnienie w tym układzie wyniesie: Ku

33 Charakterystyki sporządziliśmy z pomocą programu Multisim. Nasz układ pomiarowy wyglądał następująco:

34 Wzm acniacz Wysokich częstotliw ości Ku [V/V] 4 3 C0nF C0nF C30nF F [Hz] Jak widać z charakterystyki wzmocnienie rośnie ze wzrostem częstotliwości do pewnej wartości. Następnie ze wzrostem częstotliwości maleje. Dzieje się tak dlatego, Ŝe nasz wzmacniacz operacyjny ma własną częstotliwość górną graniczną.

35 Aktywny filtr pasmowoprzepustowy we wy

36 Połączenie układu wzmacniacza niskich i wysokich częstotliwości stworzy wzmacniacz pasmowy. Impedancje Z stanowi szeregowe połączenie Kondensatora C i rezystora natomiast impedancje Z równoległe połączenie kondensatora C i rezystora. Impedancje Z i Z moŝna przedstawić wzorami: C f Z Π + ) ( + Π C Z f Maksymalne wzmocnienie moŝemy uzyskać: Ku

37 Częstotliwośćśrodkowa wynosi: 0 C C F + Π Szerokość pasma wzmacniania wzmacniacza przy spadku o wzmacniania 3dB wynosi: ) ( 0 C C F Π Czułość układu wynosi: 0 0 F F Q

38

39 Charakterystyki sporządziliśmy z pomocą programu Multisim. Nasz układ pomiarowy wyglądał następująco:

40 Wzm acniacz Pośredniej Częstotliw ości Ku [V/V] C0nF, C500pF C30nF, CnF 0, 0,0 F [Hz] Jak widać z charakterystyki dla danych elementów wzmocnienie nie przekracza 5dB. Znaczna część wykresu leŝy poniŝej co świadczy o tłumieniu sygnału zarówno niskich jak i wysokich częstotliwości.

41 Elementy

42 Wzmacniacze operacyjne Obecnie wzmacniaczy operacyjnych na rynku jest bardzo wiele. óŝni nią się między sobą nie tylko obudowami ale równier wnieŝ parametrami. Ze względu na łatwość lutowanie wybraliśmy oczywiście cie obudowe typu DIP (8).

43 Do filtrów w na zakres pasma akustycznego naleŝy y stosować pewnej grupy wzmacniaczy operacyjnych. NaleŜy y zwróci cić uwagę na najwyŝsz szą częstotliwo stotliwość interesującego nas pasma. Wzmocnienie wzmacniacza z otwartą pętlą powinno być co najmniej 50 razy większe niŝ wzmocnienie gotowego filtru. W paśmie akustycznym moŝna spokojnie uŝywau ywać kostki typu TL07, TL07, TL074. Nieco gorsze sąs wzmacniacze z serii TL08x gdyŝ mają większe szumy lub NE553 czy teŝ LM833 przy których naleŝy y pamięta tać by rezystory nie przekraczały y 00kΩ. Przy małych częstotliwo stotliwościach moŝna uŝyć badanych układ adów w 74 albo LM358, LM34, serii TLC7x lub TL06x.

44 ezystory. Nie naleŝy y się bawić w składanie rezystorów w w celu uzyskania dokładnych ich wartości. Przy lutowaniu rezystorów w węglowych w moŝe e się zmienić o kilka procent. JeŜeli eli wymagana jest dość duŝa a precyzja filtru bez obaw moŝna stosować popularne rezystory o tolerancji 5%. W filtrach pasmowych o duŝej dobroci staje się konieczne uŝycie u stabilnych rezystorów w o tolerancji %. Często stosuje się wtedy równier wnieŝ potencjometr pozwalający na dostrojenie do wybranej częstotliwo stotliwości.

45 Kondensatory. W filtrach naleŝy stosować popularne kondensatory foliowe poliestrowe (MKT, MKSE). Przy projektowaniu filtru naleŝy pamiętać by były one o tolerancji minimum 5%. Oznaczenie tolerancja M 0% K 0% J 5% G % F % D 0,5% MoŜna równieŝ uŝyć nieco droŝszych kondensatorów poliwęglanowych (MKP) o nieco lepszym współczynniku cieplnym. Nie powinno się uŝywać kondensatorów teflonowych, mikowych ani powietrznych. Złym rozwiązaniem są kondensatory ceramiczne powyŝej nf poniewaŝ są bardzo niestabilne (zmiany pod wpływem temperatury mogą wynieść nawet kilkadziesiąt procent). Odradza się stosowanie kondensatorów elektrolitycznych aluminiowych i tantalowych.

46 Kondensatory mikowe do wyrobu uŝywa u się moskwitu.. Mają mały temperaturowy współczynnik pojemności i mały y tangens kąta k stratności dielektrycznej. Kondensatory mikowe zbudowane sąs podobnie jak ceramiczne kondensatory wielowarstwowe, ale poniewaŝ nie podlegają wygrzewaniu w wysokich temperaturach, elektrody moŝna wykonać ze srebra. Mika to minerał twardy i odporny, charakteryzujący cy się tym, ze rozdziela się na cienkie płytki, p które moŝna wyposaŝyć w elektrody. Właściwości elektryczne, rezystancja izolacji, stratność i stabilność są doskonale i całkowicie porównywalne z najlepszymi tworzywami sztucznymi i ceramiką.. Kondensatory mikowe sąs jednak względnie duŝe e i drogie, co powoduje, ze w znacznym stopniu zastępowane sąs m.in. przez kondensatory polipropylenowe. Stosuje się je często w układach wielkiej częstotliwo stotliwości, gdzie wymagane sąs nie tylko niskie straty, ale równier wnieŝ wysoka stabilność częstotliwo stotliwości i temperatury. Produkowane sąs o wartościach pojemności od pf do 0, µf.

47 Kondensatory z tworzyw sztucznych - Kondensatory z tworzywa sztucznego, w których warstwę dielektryka stanowi tworzywo sztuczne maja małe straty dzięki niskiej rezystancji elektrod i wysokiej rezystancji izolacji. Technologiczno chnologiczność konstrukcji umoŝliwia automatyzacje produkcji i w efekcie niskie ceny. Są one niepolaryzowane i maja bardzo mały prąd upływu. Ŝywa się ich jako kondensatorów szeregowych lub blokujących w układach analogowych i cyfrowych, w obwodach czasowych i filtrach LC. Produkowane pojemności zawierają się w granicach od 0 pf do 00 µf. Elektrody wykonuje się w postaci folii metalowej lub folii metalizowanej. Folia metalizowana powstaje w wyniku naparowania próŝniowego cienkiej warstwy metalu na dielektryk. Zaleta tego rozwiązania zania jest to, ze przy przebiciu elektrycznym naparowany metal wyparowuje wokół miejsca przebicia i w ten sposób nie dochodzi do ewentualnemu zwarcia. Dielektrykiem moŝe być: folia polistyrenowa, poliestrowa lub polipropylenowa. ozróŝniamy kondensatory takie jak: Polistyrenowe - mają mały współczynnik temperaturowy pojemności, mały tangens kąta stratności stosowane są w układach pracujących w zakresie wielkich częstotliwości. Poliestrowe - mają duŝy współczynnik kąta stratności dielektrycznej, stosowane głównie w układach napięcia stałego lub zmiennego o małej częstotliwości. Polipropylenowe - mają zbliŝone właściwości do właściwości kondensatorów poliestrowych, stosuje się je w obwodach prądu zmiennego o częstotliwości 50Hz.

48 Procedura projektowania.

49 Procedura projektowania filtrów jest dość prosta. Najpierw dobieramy pojemności a potem ze wzorów obliczamy potrzebne rezystancje. Pojemność dobieramy z szeregu pamiętając by wartości w miarę moŝliwości mieściły się w przedziale między nf a µf. Przy bardzo małych wartościach pojemności konieczne jest stosowanie duŝych rezystancji. Niekorzystny wpływ na filtr będą miały szkodliwe pojemności montaŝowe. Przy duŝych wartościach pojemności wartości rezystancji będą małe. Stanie się to przyczynom przepływu większych prądów i naleŝałoby uwzględnić ograniczoną wydatność prądową wyjścia wzmacniacza oraz małą rezystancję wejściową filtru. Gdy rezystancja wejściowa nie przekracza kω nie stosuje się dodatkowych buforów wejściowych. Buforu wŝywa się gdy poprzedni stopień ma wysoką rezystancje wyjściową.

50 MoŜliwe jest uproszczenie zasilania przez wprowadzenie składowej stałej na wejście. nikniemy wtedy konieczności zasilania symetrycznego. Najczęściej wprowadzany jest wtedy do wkładu dodatkowy bufor. MoŜliwość to przedstawiają poniŝsze schematy.

51 kład zasilający.

52 W układzie zastosowaliśmy transformator symetryczny +/- 5V na 0,8A. Prostownik mostkowy na A. Ŝyli yliśmy standartowych stabilizatorów napięcia: LM785, LM 795. Nie zakładali adaliśmy na nie radiatorów w poniewaŝ badany układ tego nie wymagał.

53 Dane fabryczne dotyczące ua74 Wzmacniacz operacyjny ua74 jest jednym z najbardziej popularnych wzmacniaczy operacyjnych. Produkuje go większość firm elektronicznych co wiąŝe się z róŝnymi literami w nazwie. Opis wyprowadzeń pokazany jest na rysunku:

54 Struktura wewnętrzna układu:

55 Napięciowe wzmocnienie róŝnicower z otwartą pętlą. Jest to stosunek przyrostu napięcia wyjściowego do wywołującego ten przyrost napięcia wejściowego. A O O O ( I I ) ID Współczynnik tłumienia t sygnału u wspólnego. Jest to stosunek przyrostu wspólnego napięcia wejściowego do przyrostu róŝnicowego napięcia wejściowego, który wywołuje taki sam przyrost napięcia wyjściowego. H IC ID IC O H O ID Przy: A A O C O const. przy czym A C wzmocnienie napięciowe dla sygnału wspólnego.

56 Wejściowe napięcie niezrównowa wnowaŝenia. Jest to stałe napięcie róŝnicowe wymagane do uzyskania zerowej wartości napięcia wyjściowego przy otwartej pętli. IO Wejściowy prąd niezrównowa wnowaŝenia. Jest to róŝnica stałych prądów polaryzacji wpływających do obu wejść wzmacniacza, gdy stałe napięcie wyjściowe jest równe zeru. I IO Wejściowy prąd d polaryzacji. Jest to średnia arytmetyczna prądów stałych wpływających do obu wejść wzmacniacza zrównowaŝonego. I IB ezystancja wejściowa dla róŝnicowego r rodzaju pracy. Jest to rezystancja widziana między dwoma wejściami wzmacniacza. ID

57 Dryf cieplny wejściowego napięcia niezrównowa wnowaŝenia. Jest to stosunek przyrostu wejściowego napięcia niezrównowaŝenia do przyrostu temperatury wywołującego ten przyrost napięcia. α I O IO ( T ) IO ( T ) T T Częstotliwo stotliwość graniczna. Jest to częstotliwość, przy której moduł wzmacniacza jest równy jedności. f Szybkość narastania napięcia wyjściowego. Jest to pochodna napięcia wyjściowego w funkcji czasu po podaniu sygnału skoku jednostkowego na wejście wzmacniacza pracującego ze wzmocnieniem równym jedności. (kład wtórnika napięciowego) S

58 Maksymalny prąd d wyjściowy ciowy. I OB Napięcie zasilania. CC Moc pobierana. Jest to moc pobierana przez wzmacniacz przy zerowym napięciu stałym na wyjściu. P Z Zakres temperatury pracy.

59 KONIEC

60 Wykonali: Andrzej Pierzynka Karol Sieńko