Wzmacniacze operacyjne

Transkrypt

1 Temat i plan wykład Wzmacniacze operacyjne. Wprowadzenie. Podstawowe parametry i kłady pracy 3. Wzmacniacz odwracający i nieodwracający 4. Układ całkjący, róŝniczkjący, róŝnicowy 5. Konwerter prąd-napięcie 6. Przykłady zastosowań

2 Symbole graficzne na schematach najczęściej spotykane

3 Właściwości idealnego wzmacniacza operacyjnego

4 Zacisk - nasi nazwę wejścia odwracającego, poniewaŝ sygnał wyjściowy jest odwrócony w fazie o 80 względem sygnał przyłoŝonego do tego wejścia. Zacisk + jest wejściem nieodwracającym, poniewaŝ sygnał wyjściowy jest w fazie z sygnałem doprowadzonym do tego wejścia. Wzmacniacz operacyjny moŝe pracować w kładzie o wejści niesymetrycznym, jeŝeli sygnał wejściowy podany jest na jedno z dwóch wejść (sygnał przyłączony jest pomiędzy zaciskiem wejściowym a masą, przy drgim zacisk dołączonym do masy). W kładzie o wejści symetrycznym sygnał wejściowy doprowadza się między wejścia wzmacniacza. Sygnał taki nazywa się sygnałem róŝnicowym.

5 Podstawowe parametry wzmacniacza operacyjnego (idealnego) nieskończona wartość impedancji wejściowej we = nieskończona wartość wzmocnienia róŝnicowego A r = zerowa wartość impedancji wyjściowej wy = 0 nieskończone pasmo przenoszonych częstotliwości brak zjawisk niepoŝądanych (niestabilność, niezaleŝność od zmian napięcia zasilania, itp.)

6 Podstawowe parametry rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego

7 Wyprowadzenia, zasilanie

8 Parametry wzmacniacza operacyjnego Idealny wzmacniacz operacyjny po załączeni napięć zasilających i podłączeni wejść do wspólnego potencjał zerowego powinien mieć równieŝ zerowe napięcie wyjściowe i zerowe prądy wyjściowe. Wzmacniacz rzeczywisty nie spełnia tych wymagań, ale ich odchyłki są nieznaczące z pnkt widzenia praktycznego.

9 Model idealnego WO

10 Model WO V ot = A 0 (V in+ - V in- )

11 Wzmacniacz jako komparator (kład porównjący)

12 Jednak w praktyce

13 Jednak w praktyce

14 SprzęŜenie zwrotne - oddziaływanie sktk jakiegoś zjawiska na jego przyczynę. Ujemne Dodatnie Zwiększa wzmocnienie. Destabilizje. Jest stosowane w generatorach i kładach regeneracyjnych. We wzmacniaczach moŝe wystąpić jako efekt pasoŝytniczy.

15 SprzęŜenie zwrotne i jego wpływ na parametry wzmacniacza

16 SprzęŜenie zwrotne dodatnie A f

17 Podstawowe kłady pracy wzmacniaczy operacyjnych Wzmacniacze operacyjne pracją najczęściej w kładach z zewnętrznym jemnym sprzęŝeniem zwrotnym. SprzęŜenie polepsza własności wzmacniacza: zmniejsza nieliniowość charakterystyk i niezrównowaŝenie, poszerza pasmo częstotliwości, poprawia stałość parametrów, moŝliwia dobór wzmocnienia. W kładach z otwartą pętlą (lb z dodatnim sprzęŝeniem zwrotnym) wzmacniacze operacyjne pracją jako komparatory, tzn. w jednym z dwóch stanów zatkania i nasycenia.

18 Wzmacniacz odwracający (ω 0)

19 Wzmacniacz odwracający (ω 0) I id I F A F wy I I WY WE = = I A F =, = = WY F id, I F WY = = K WY F U = F = F

20 Wzmacniacz odwracający - symlacja

21 Wzmacniacz odwracający - zastosowanie

22 Wzmacniacz smjący I + I = wy + = F I F = wy F + F (ω 0) wy = = F wy = + ( )

23 Wzmacniacz smjący

24 Smator adio - mikser

25 Wzmacniacz nieodwracający (ω 0) id A F wy WY = WE = = K U = MΩ + WY = + F F

26 Wzmacniacz nieodwracający (ω 0)

27 Wtórnik napięciowy id A wy F id A wy K F WY U WE = 0, = = K U = = GΩ = + F

28 Wtórnik napięciowy (ω 0)

29 Wzmacniacz róŝnicowy (ω 0) = in + szm U _ U + F F = in + wy szm ( in + szm - in + szm) = in in WY = F U U U + + WY U U = = = U = + + U = = + F F U F + F + F ( ) WY F F WY

30 Wzmacniacz róŝnicowy (ω 0)

31 Wzmacniacz róŝnicowy - zastosowanie

32 Wzmacniacz całkjący - integrator id C wy dwy = C dt dwy = dt C WY = t dt + C 0 C ( 0)

33 Wzmacniacz całkjący - integrator

34 Wzmacniacz całkjący - integrator

35 Wzmacniacz róŝniczkjący C id wy I I C d C dt = = WY WY = C d dt WY

36 Wzmacniacz róŝniczkjący

37 Wzmacniacz róŝniczkjący

38 Konwerter I/U i WY = i wy

39 Konwerter I/U

40 U Konwerter I/U - zastosowanie i WY = i wy

41 Charakterystykę amplitdowa wzmacniacza

42 Elektrokardiografia system pomiarowy

43 Temat i plan wykład Komparatory napięcia. Wprowadzenie. Bdowa komparatorów napięcia 3. Podstawowe parametry i kłady pracy 4. Komparator nieregeneracyjny i regeneracyjny 5. Przerztniki Schmitta 6. Detektory zera 7. Dyskryminatory okienkowe

44 Komparatory napięcia Komparatory słŝą do porównywania dwóch sygnałów analogowych (stałych lb zmiennych) doprowadzonych do ich wejść oraz do zaznaczenia poprzez zmianę napięcia wyjściowego chwili zrównania sygnałów wejściowych. Często chcemy wiedzieć, które z dwóch napięć ma większą wartość lb wykryć chwilę, w której napięcie danego sygnał przekracza pewną staloną wcześniej wartość. ELEKTONIKA Jakb Dawidzik czwartek, 0 grdnia 05

45 Bdowa i własności komparatorów Porównanie napięcia moŝna dokonywać za pomocą wzmacniaczy operacyjnych, jednak znacznie lepsze rezltaty zyskje się po zastosowani kładów specjalnie do tego cel wytwarzanych. Komparatory napięcia mają bdowę podobną do wzmacniaczy operacyjnych, z kładem róŝnicowym na wejści. óŝnią się od wzmacniaczy operacyjnych: mniejszym napięciem niezrównowaŝenia, krótszym czasem odpowiedzi na pobdzenie skokowe, napięcia wyjściowe w stanach stalonych przyjmją najczęściej wartości odpowiadające typowym poziomom logicznym wyjść kładów cyfrowych: U H0 i U L0 0, komparator jest jednobitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym.

46 Zasada działania komparatora napięcia Pojawienie się róŝnicy napięć rzęd łamka mv między wejściami komparatora wywołje skokową zmianę poziom napięcia na wyjści, poziom napięcia wyjściowego jest wysoki albo niski, zaleŝnie od znak róŝnicy napięć wejściowych, jeŝeli napięcie wejściowe podane na końcówkę odwracającą (-) komparatora jest mniejsze od napięcia podawanego na końcówkę nieodwracającą (+), to napięcie wyjściowe przyjmje poziom wysoki (H), jeŝeli napięcie wejściowe podane na końcówkę odwracającą (-) komparatora jest większe od napięcia podawanego na końcówkę nieodwracającą (+), to napięcie wyjściowe przyjmje poziom niski (L).

47 we U EF GND +U CC -U CC wy Zasada działania komparatora nieregeneracyjnego we U EF 0 0 wy t U HO t U LO

48 Wady komparatorów nieregeneracyjnych d wy /dt zaleŝy od zmian d we /dt dla wolnozmiennych przebiegów wejściowych szmy w sygnale wejściowym mogą powodować wielokrotne przełączanie wyjścia we U EF wy Wady moŝna snąć stosjąc komparator regeneracyjny z dodatnim sprzęŝeniem zwrotnym (z histeraezą). t

49 Komparator regeneracyjny odwracający we F wy U EF Zadaniem rezystora F jest spowodowanie powstania dwóch poziomów napięcia progowego, którego wartości będą zaleŝały od stan wyjścia komparatora.

50 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 U U U U U U U U U U U U U U U U U U + = = = + = = = = min max min max min max

51 Charakterystyka przejściowa komparatora odwracającego z histerezą wy U HO U H U LO we U pl U EF U ph

52 we U his wy komparatora nieregeneracyjnego U EF t U HO U LO wy komparatora regeneracyjnego t U HO U LO t

53 Komparator z otwartym kolektorem np.+5v 0,5-5kΩ wy OC OC-open collector czas odpowiedzi: ns, µs zasilanie: symetryczne, asymetryczne Przykłady komparatorów: LM 3-szybki LM 339, CP 40-OC TLC 393-CMOS NE 59-dwie bramki, światłowodowe przekazywanie danych, przetwornik A/C MAX 9-wewnętrzne napięcie odniesienia, programowalna histereza, wyjście TTL/CMOS

54 Przerztnik Schmitta odwracający we F wy

55 Wyznaczenie progów przełączania i szerokości pętli histerezy odwracającego przerztnika Schmitta U U U ph pl H = = = U U U wy max + wy min + ph F F U pl = = + F ( ) U U wy max wy min

56 Charakterystyka przejściowa odwracającego przerztnika Schmitta wy U wymax U H 0 we U wymin U pl U ph

57 Przebiegi napięć w odwracającym przerztnik Schmitta

58 Wyłącznik zmierzchowy

59 Modlator szerokości impls k koniec

60 Detektory przejścia przez zero Detektor przejścia przez zero wytwarza sygnał wyjściowy zmieniający stan za kaŝdym razem, gdy wartość analogowego sygnał wejściowego przekracza poziom zerowy. Układ taki jest szczególnie przydatny przy analizie widma częstotliwościowego sygnał, gdyŝ przetwarza sygnał analogowy w ciąg implsów prostokątnych o szerokościach zaleŝnych od częstotliwości. W ten sposób następje redkcja szmów i zniekształceń sygnał badanego, a dalszą analizę moŝna łatwo przeprowadzić metodami cyfrowymi.

61 Przebiegi napięć detektora zera

62 Układy detektorów przejścia przez zero

63 Zastosowanie detektorów przejścia przez zero Systemy przetwarzania i obróbki danych analogowych, kłady pamięci analogowych, badanie korelacji sygnałów. NaleŜy stosować szybkie komparatory, aby opóźnienie sygnał wyjściowego w stosnk do chwili przejścia przez zero było małe, i jednocześnie o dobrej dokładności, aby błąd określenia poziom zerowego był mały. W detektorach przejścia przez zero często stosje się zamiast komparatora napięcia wzmacniacz operacyjny.

64 Dyskryminatory okienkowe Dyskryminator okienkowy powinien wytwarzać na swym wyjści sygnał logiczny stwierdzający, czy wartość napięcia wejściowego zawiera się w określonym przedziale napięć odniesienia. Dyskryminatory tego rodzaj znajdją szerokie zastosowanie w technice pomiarowej, w kładach sygnalizacyjnych, a takŝe w elektronice jądrowej, gdzie spełniają fnkcję jednokanałowych analizatorów amplitdy. Najłatwiej moŝna zbdować dyskryminator okienkowy stosjąc dwa komparatory napięcia lb komparator podwójny.

65 Przerztnik astabilny Mogą być Ŝyte wzmacniacze operacyjne lb komparatory: przerztnik astabilny, generator relaksacyjny, mliwibrator. C C wy wy wy U CC t + C U CC i t t -U CC t + U CC

66 Wzmacniacze pomiarowe WP jest wzmacniaczem róŝnicowym o bardzo dŝej impedancji wejściowej i małej wyjściowej. eglacja wzmocnienia odbywa się za pomocą jednego rezystora zewnętrznego. Są one przeznaczone do wzmacniania małych sygnałów róŝnicowych w obecności stosnkowo dŝych sygnałów smacyjnych (zakłóceń). W przypadk bardzo dŝych sygnałów smacyjnych współpracją ze wzmacniaczami izolacyjnymi, w przypadkach występowania bardzo dŝych róŝnic napięć smacyjnych obwod wejściowego i wyjściowego, np. kilka tysięcy woltów. Inny obszar zastosowań - aparatra medyczna. Prodcenci: Brr-Brown, National Semicondctor, Analog Devices.

67 Wzmacniacz pomiarowy

68 ( ) a b o = 3 ( ) b g a i + = + ( ) g a b i + = g a b i + = g S S i + = g i = g g a b = + ( ) g a b = + ( ) 3 g o + = ( ) 3 g o = + =

69 Wzmacniacz pomiarowy ( ) a b o = 3 ( ) b g a i + = + ( ) g a b i + = g a b i + = g S S i + = g i = g g a b = + ( ) g a b = + ( ) 3 g o + = ( ) 3 g o = + =

70 Wzmacniacz pomiarowy - przykład

71 Elektrokardiografia system pomiarowy

72 +V GND -V 33k D 3 -V UKŁADY FOMOWANIA IMPULSÓW DETEKTO PZEJŚCIA NAPIĘCIA PZEZ ZEO +V US A LM 393 A POSTOWNIK DWUPOŁÓWKOWY UKŁAD CAŁKUJĄCY UKŁAD ÓśNICZKUJĄCY LM393 US3 LM3 8 0k 3 US B LM 393 B KOMPAATO Z HISTEEZĄ +V 8 4 -V 9 0k +V 6 4,7k C 7 00n +V 3 8 4,7k 4,7k 4 6 D 0k C 0n US5 P 470k 3 LM3 US4 LM3 LM37 P3 4,7k 3 +V 8 4 -V C3 LM3 00n 7 4,7k UKŁAD GENEUJĄCY NAPIĘCIE PIŁOKSZTAŁTNE -V T BF45 5 0k PZEZUTNIK MONOSTABILNY +V 8 (+)TI 6 TL08 D3 P 00k C4 4 4 Vcc AST C 3 +V 3 C 0 Q Q CD (-)TI CD4047 OSC AST CL Etri Vss V US TL08 6 US6 t Q =,48 C t OSC =,38 C