Liniowe układy scalone. Wykład 2 Wzmacniacze różnicowe i sumujące

Transkrypt

1 Liniowe układy scalone Wykład 2 Wzmacniacze różnicowe i sumujące

2 Wzmacniacze o wejściu symetrycznym Do wzmacniania małych sygnałów z różnych czujników, występujących na tle dużej składowej sumacyjnej (tłumionej przez wzmacniacz) Wzmacniacz różnicowy (wada silny wpływ doboru rezystorów na wartość CMRR) Układ ulepszony - wzmacniacz pomiarowy (2 lub więcej wzmacniaczy operacyjnych) CMRR wsp.tłumienia sygnału współbieżnego wspólnego, sumacyjnego CMRR= K UR K US K UR wzmocnienie napięciowe składowej różnicowej K US wzmocnienie napięciowe składowej wspólnej

3 Wzmacniacz różnicowy (odejmujący) Wzmacniacz realizuje odejmowanie napięć wejściowych w stosunku zależnym od wartości rezystorów w układzie Analiza - patrz tablica Dokładne zrównoważenie wzmacniacza dobór rezystorów R 3 = R 4 R 2 WZMOCNIENIE K = U O = R 3 = R 4 U 2 U 1 R 2

4 Wzmacniacz różnicowy Rezystancja wejściowa dla wejścia odwracającego przy U 2 =0 R we = R 3 Rezystancja wejściowa dla wejścia nieodwracającego przy U 1 =0 R we =R 2 R 4 Kompensacja błędu spowodowanego wejściowymi prądami polaryzującymi R 3 =R 2 R 4 R 3 R 3 = R 2 R 4 R 2 R 4

5 Wzmacniacz różnicowy - dokładność Aby uzyskać większą dokładność (rzędu 0,01%) przyjmuje się tylko 2 wartości rezystorów Wówczas wzmocnienie: K = U O U 2 U 1 = R 2

6 Dokładne zrównoważenie - przykład Zamiast rezystora R4 potencjometr Możliwość dokładnego ustawienia zrównoważenia wzmacniacza

7 Wzmacniacz różnicowy z regulacją wzmocnienia Regulacja jest utrudniona wymaga zachowania symetrii rezystorów w przeciwnym wypadku następuje pogorszenie tłumienia składowej sumacyjnej Potencjometr włączony w taki sposób, że jednocześnie wpływa na rezystancję obu gałęzi układu Regulacja nie zmienia CMRR Regulacja jest nieliniowa!!! K =2 R 2 m 1 m

8 Wzmacniacz różnicowy z regulacją wzmocnienia (2) Aby uzyskać liniowość regulacji dodatkowy wzmacniacz w pętli sprzężenia o regulowanym wzmocnieniu Wzmocnienie układu zależy liniowo od rezystancji potencjometru R2 K =m R 2

9 Wzmacniacz różnicowy z regulacją wzmocnienia (2) c.d. Wady: W1 W2 W2 wprowadza dodatkowe napięcie niezrównoważenia wzmacniane przez W1 W2 wprowadza dodatkowe przesunięcie fazy co wpływa na stabilność

10 Wzmacniacze pomiarowe Parametry prostych wzm. różnicowych na jednym WO w niektórych zastosowaniach nie spełniają stawianych wymagań Przeciwstawność wymagań dotyczących wzmocnienia i Rwe Duża Rwe trzeba użyć rezystorów o dużych wartościach w pętli sprzężenia zwrotnego niekorzystne ze względu na niestabilność termiczną i spadki napięć wywołane przez prądy polaryzujące. Ograniczenie CMRR spowodowane niesymetrią par rezystorów Dla tolerancji rezystorów rzędu 0.1% --> CMRR < 65 db Dla układów K>1000, CMRR > 100 db i małym dryfie napięcia i prądu niezrównoważenia stosujemy kilka WO --> wzmacniacze pomiarowe

11 Wzmacniacz pomiarowy 2-elementowy W1 W2 Dzięki wykorzystaniu 2 wejść (+) uzyskuje się dużą Rwe niezależną od wartości rezystorów Przy spełnieniu warunku: R 4 R 3 = R 2 K = U O U 1 U 2 =1 R 4 R 3 2 R 4 R 5

12 Zalety: Wzmacniacz pomiarowy 2-elementowy - zalety i wady Regulacja potencjometrem R5 nie wpływa na CMRR, który zależy od doboru par rezystorów: R4, R3 oraz R2, R1. Wartości rezystorów mogą być mniejsze, łatwiej dobrać ich wartość, gdyż nie wpływają na Rwe Wady: Zależność dopuszczalnego zakresu składowej sumacyjnej sygnału wej. od wzmocnienia układu Wzmacniacz W1 wzmacnia składową sumacyjną (R1+R2) / R1 razy może to spowodować nasycenie wzmacniacza

13 Wzmacniacz pomiarowy 3-elementowy Wzmacniacz różnicowy poprzedzony dwoma wzmacniaczami nieodwracającymi Zakładając: R 6 R 4 = R 7 R 5 U o = R 6 U R 2 U 1 = R R R R U 4 R I2 U I1 4 Zakładając R 2 =R 3 mamy K = U O U I2 U I1 = R 6 R R 2

14 Wzmacniacz pomiarowy 3-elementowy - cechy Dobór rezystorów w stopniach wej. nie wpływa na CMRR CMRR zależy od dokładności doboru rezystorów stopnia wyj. oraz od CMRR W3 Układ projektuje się tak, by stopień wej. miał duże K, a stopień wyj. małe K wówczas nie ma potrzeby stosowania dużych rezystorów w stopniu wyj. co ułatwia ich dobór Wzmocnienie układu reguluje się rezystorem R1 Wzmocnienie składowej sumacyjnej sygnału W1 i W2 jest zawsze równe 1 i niezależne od wzmocnienia składowej różnicowej zaleta!!!

15 Wzmacniacz sumacyjny Realizuje dodawanie analogowe napięć ze wzmocnieniem określonym przez dobór rezystorów Analiza patrz tablica Otrzymane napięcie wyjściowe: U O = R U 1 U 2 R 2... U n R n

16 Wzmacniacz sumacyjny (2) Jeżeli wszystkie rezystory na wejściach są równe (= R') to napięcie wyjściowe będzie równe sumie napięć wejściowych pomnożoną przez R / R' Jeżeli rezystancja w pętli sprzężenia zwrotnego R = R' to mamy układ idealnie sumujący z odwróceniem fazy Aby zmniejszyć prądy polaryzujące: R a = R 2... R n

17 Wzmacniacz sumująco - odejmujący Napięcie wyjściowe : U O =F U 3 U 4 U 1 U 2 Otrzymujemy w wyniku połączenia wzmacniaczy różnicowego i sumującego W celu uniknięcia błędów należy pamiętać, aby rezystancje widziane między wejściem wzmacniacza a masą były jednakowe dla obu wejśc wzmacniacza