Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych cz. 3 podstawowe układy nieliniowe

Transkrypt

1 Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych cz. 3 podstawowe układy nieliniowe Ryszard J. Barczyński, 2016 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Nieliniowe układy funkcjonalne Wprowadzając nieliniowe sprzężenie zwrotne możemy z pomocą wzmacniacza operacyjnego otrzymać układ o nieliniowej charakterystyce przenoszenia. Jaką charakterystykę będą realizowały poniższe układy?

3 Jednopołówkowy prostownik liniowy Układ zachowuje się jak idealna dioda dostarczając na wyjście dodatnią połówkę sygnału wejściowego. Ujemne sygnały są przenoszone na wyjście w stosunku R2/R1. Dioda D2 zabezpiecza wzmacniacz przed nasyceniem przy dodatnich napięciach na wejściu.

4 Precyzyjny prostownik dwupołówkowy z miernikiem prądu Niezależnie od nieliniowości prostownika przez amperomierz popłynie prąd o wartości ia = u1 / R1 Układ nadaje się zarówno do pomiaru napięcia stałego o dowolnej polaryzacji, jak i do pomiaru średniej arytmetycznej modułu napięcia zmiennego.

5 Precyzyjny prostownik dwupołówkowy (wrtość bezwzględna) Napięcie wyjściowe układu jest równe wartości bezwzględnej napięcia wejściowego. Układ niweluje nieliniowości diody przy małych napięciach.

6 Precyzyjny prostownik dwupołówkowy (wrtość bezwzględna inna wersja) Napięcie wyjściowe układu jest równe wartości bezwzględnej napięcia wejściowego. Układ niweluje nieliniowości diody przy małych napięciach.

7 Detektor szczytowy z układem pamięci Kondensator C ładuje się (ujemnie) do wartości szczytu dodatniego napięcia na wejściu. Wzmacniacz W2 (o dużej impedancji wejściowej) zapobiega rozładowaniu kondensatora przez obciążenie. Wyłącznik P służy do rozładowania kondensatora (zerowania układu).

8 Układ logarytmujący z diodą Przez R1 płynie prąd U1/R1. Ten prąd popłynie również przez diodę D (spolaryzowaną w kierunku przewodzenia). Dla prądu diody mamy: U UT i U =I R e 1 I R e U UT gdzie UT = kt/q. Stąd wynika U1 I U 2= U T ln = U T ln IR I R R1

9 Układ logarytmujący z diodą W temperaturze pokojowej otrzymamy U1 U 2= 60mV log I R R1 Napięcie wyjściowe wzrasta więc o 60mV przy dziesięciokrotnym wzroście napięcia wejściowego. Układ nadaje się do zastosowania w zakresie prądów wejściowych w zakresie od na do ma.

10 Układ logarytmujący z tranzystorem Podobnie jak poprzednio w temperaturze pokojowej otrzymamy U1 U 2= 60mV log B I B0 R1 Napięcie wyjściowe wzrasta więc o 60mV przy dziesięciokrotnym wzroście napięcia wejściowego. Stosując odpowiednie tranzystory otrzymuje się zakres prądów dochodzący do 9 rzędów wielkości (od pa do ma).

11 Układ logarytmujący z kompensacją temperaturową R3 R 4 R2 U 1 U 2= 60mV log R4 R2 U W Wadą poprzednich układów logarytmujących jest bardzo duża zależność parametrów od temperatury. Czułość na temperaturę można w znacznym stopniu wyeliminować w różnicowym układzie logarytmującym stosunek prądów. Takie układy są często stosowane, głównie w postaci układów scalonych.

12 Układ logarytmujący z kompensacją temperaturową realizacja scalona LOG101, scalony układ logarytmujący firmy Texas Instruments. Układy scalone umożliwiają bardzo dokładną kompensację temperaturową, gdyż obydwa wytworzone w jednej strukturze tranzystory znajdują się w tej samej temperaturze.

13 Układ potęgujący z tranzystorem Układ potęgujący ma budowę bliźniaczą do logarytmującego. Jego napięcie wyjściowe wynosi U 2=B I B0 R 1 e U 1 UT Układy potęgujące są stosowane rzadko, zwykle jako element bardziej złożonego układu funkcyjnego.

14 Układ potęgujący z kompensacją temperaturową Wykorzystując dwa identyczne tranzystory można zbudować wzmacniacz potęgujący o lepszej stabilności termicznej. Jego napięcie wyjściowe wynosi U W R1 U 2= e R2 R4 U 1 R 3 R 4 U T

15 Układy logarytmujące i potęgujący zastosowane do mnożenia Wykorzystując dwa układy logarytmujące i układ potęgujący można zbudować układ mnożący. Jego napięcie wyjściowe wynosi K 2 exp K 1 ln U 11 K 1 ln U 12 =K 2 exp K 1 ln U 11 U 12 =K U 11 U 12

16 Układy logarytmujące i potęgujący zastosowane do dzielenia Wykorzystując dwa układy logarytmujące i układ potęgujący można zbudować układ dzielący. Jego napięcie wyjściowe wynosi U 13 U 13 K 2 exp K 1 ln U 13 K 1 ln U 14 =K 2 exp K 1 ln =K U 14 U 14

17 Układy mnożące oparte na metodzie doboru stosunku prądów (Gilberta) Napięcia wejściowe magą być zarówno dodatnie jak i ujemne układ jest czteroćwiartkowy.

18 Układy mnożące oparte na metodzie doboru stosunku prądów przykład układu scalonego MPY634

19 Układy mnożące oparte na metodzie doboru stosunku prądów przykład układu scalonego MPY634 Podstawowy układ pracy (mnożący)

20 Układy mnożące oparte na metodzie doboru stosunku prądów przykład układu scalonego MPY634 Wykorzystanie jako układ dzielący

21 Układy mnożące oparte na metodzie doboru stosunku prądów przykład układu scalonego MPY634 Wykorzystanie jako układ pierwiastkujący