Programy CAD w praktyce inŝynierskiej

Transkrypt

1 Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej Programy CAD w praktyce inŝynierskiej dr inż. Piotr Pietrzak pietrzak@dmcs dmcs.pl pok. 54, tel dmcs.p..p.lodz.pl Łódź, 2010

2 Plan wykładu Wzmacniacze operacyjne i pomiarowe (parametry, podstawowe konfiguracje układowe, symulacje) 7 godz. Aktywne filtry analogowe 4 godz. Systemy pomiarowe 0,5 godz. Multipleksery i klucze analogowe 0,5 godz. Przetworniki A/C i C/A 1 godz. Wybrane problemy zasilania układów elektronicznych 1 godz.

3 Wzmacniacze operacyjne Literatura Horowitz P., Sztuka elektroniki, Cz. 1, WKŁ Warszawa1999 Tietze U., Schenk C., Układy półprzewodnikowe, WNT Warszawa 1997 Górecki P., Wzmacniacze operacyjne: podstawy, aplikacje, zastosowania, Wyd. BTC Warszawa 2002 Coughlin R. F., Operational Amlifiers and linear Integrated Circuits, PRENIICE HALL 1987 Linear Design Seminar, ANALOG DEVICES 1994

4 Ogólna struktura systemów kontrolno-pomiarowych MONITORING/NANDZÓR/STEROWANIE AKWIZYCJA DANYCH POMIAROWYCH Wzorzec pomiarowy Bufor danych Kryteria stanu, wartości graniczne Kondycjonowanie Przetwarzanie analogowo - cyfrowe Układy przetwarzania i analizy informacji pomiarowej Układy kontroli i porównywania z wielkościami zadanymi Wynik porównania (alarmy) Pamięć programu Układ sterowania Pamięć danych Użytkownik Czujniki Nadzorowany obiekt

5 Wzmacniacze operacyjne Funkcje wzmacniacza w systemie Wzmocnienie sygnału Dopasowanie poziomów napięć Dopasowanie impedancji Porównywanie sygnałów POZYTYWNE Realizacja operacji matematycznych na sygnałach analogowych (np. sumowanie, całkowanie, różniczkowanie, logarytmowanie) Automatyczna regulacja wzmocnienia Modulacja Generacja sygnałów NEGATYWNE Ograniczenie pasma przenoszenia Zmiana fazy sygnału (jego składowych częstotliwościowych) Wprowadzanie zakłóceń własnych (szumy, U 0, I 0 I wej, R wyj ) Zmiana parametrów wzmacniacza w funkcji czasu, temperatury i napięcia zasilania

6 Pojęcia podstawowe Skala decybelowa (1) W pomiarach dynamicznych, ze względu na dużą rozpiętość mierzonych wartości, wygodnie jest posługiwać się względną skalą logarytmiczną, tzw. skalą decybelową [db]. Początek skali decybelowej (0dB) stanowi umowna wartość, przyjęta za poziom odniesienia. L - poziom wyrażony w decybelach X PWR - X PWR - L x PWR = 10log x 0PWR [ db] kwadrat wartości skutecznej sygnału (proporcjonalny do energii rozważanego procesu) przyjęty poziom odniesienia Przyjmuje się, że poziom wyrażony w decybelach jest wynikiem logarytmowania wielkości fizycznych wprost proporcjonalnych do energii procesu (np. energia drgań). W przypadku proporcjonalności pomiędzy energią a kwadratem danej wielkości fizycznej (np. wartość skuteczna sygnału), powyższa zależność przyjmuje postać: L x RMS = 20log x 0RMS [ db]

7 Pojęcia podstawowe Skala decybelowa (2) W celu umożliwienia korzystania z ujednoliconej skali decybelowej dla różnego typu wielkości, zdefiniowano dla nich charakterystyczne poziomy odniesienia. Przemieszczenie L d = 20log [ db] Prędkość Przyspieszenie Siła Energia Poziom ciśnienia akustycznego (gazy) Poziom ciśnienia akustycznego (ciecze) Poziom mocy akustycznej Poziom natężenia dźwięku Poziom gęstości energii L v L a L P L E L p L p x x 0 v v = 20log 0 a a = 20log 0 P P = 20log 0 E E = 10log 0 = 20log = 20log p p 0 p p 0 Na LN N = 10log 0 Ia LI I = 10log 0 ε L= 10log ε 0 [ db] [ db] [ db] [ db] [ db] [ db] [ db] [ db] [ db] I p0 = = 10 W m ε a x P E p N = v0 = = 10 m s = = = = m m N J s Pa Pa W = 10 J m

8 Pojęcia podstawowe Odstęp mocy sygnału od mocy szumu S/N (ang.( Signal to Noise Ratio) Odstęp mocy sygnału od mocy szumu (ang. Signal to Noise Ratio, S/N, SNR) określa ile razy moc sygnału użytecznego jest większa od mocy szumów. Na stosunek S/N wpływ ma poziom sygnału na wejściu elementu aktywnego i jego współczynnik szumów, który powinien być podany w dokumentacji technicznej wraz z informacją, czy jest to wartość maksymalna, międzyszczytowa, czy skuteczna. Dla przykładu, Polska Norma mówi że minimalna wartość stosunku S/N dla telewizji powinien wynosić 43 db a dla radiofonii UKF FM 55 db.

9 Wzmacniacze operacyjne Budowa i zasada działania Wzmacniacz operacyjny jest różnicowym wzmacniaczem prądu stałego o bardzo dużej wartości wzmocnienia dla sygnału różnicowego doprowadzonego do jego wejść. I + =0 Podstawowe założenia: U + jeżeli w obwodzie wzmacniacza operacyjnego występuje ujemne sprzężenie zwrotne, wówczas sygnał na wyjściu wzmacniacza przyjmuje wartość, dla której różnica napięć na wejściach wzmacniacza jest równa zeru U - I - =0 U we U wy U wy = A U we = A (U + - U - ) rezystancja wejściowa wzmacniacza jest nieskończenie duża, dzięki czemu prądy wejściowe wzmacniacza są równe zeru

10 Wzmacniacze operacyjne Budowa wewnętrzna Wzmacniacze operacyjne najczęściej realizowane są w postaci monolitycznych układów scalonych.

11 Wzmacniacze operacyjne Sprzężenie zwrotne (1) Zewnętrzne elementy elektroniczne włączone pomiędzy wyjście a wejście wzmacniacza operacyjnego stanowią tzw. sprzężenie zwrotne. Sposób realizacji sprzężenia zwrotnego ma zasadniczy wpływ na parametry układu elektronicznego wykorzystującego wzmacniacz operacyjny. V V o ( ) = A Vs βv A = 1+ Aβ o V s o V = A k+ 1 1 o s ( k+ k V βv ) Jeśli sprzężenie zwrotne ma charakter dodatni, to wzmacniacz operacyjny nigdy nie osiągnie stanu równowagi napięć na jego wejściu. W przypadku sygnałów o wysokich częstotliwościach, przesunięcie fazowe może być tak duże, że ujemne sprzężenie zwrotne będzie miało dla tych sygnałów charakter sprzężenia dodatniego. o

12 Wzmacniacze operacyjne Sprzężenie zwrotne (2) Dzięki odpowiedniej realizacji sprzężenia zwrotnego, możliwa jest realizacja: Wzmacniaczy liniowych Wzmacniaczy nieliniowych dla sprzężenia zwrotnego o parametrach zależnych od amplitudy sygnału Wzmacniaczy korekcyjnych dla sprzężenia zwrotnego o parametrach zależnych od częstotliwości sygnału Źródeł prądowych o bardzo dużej impedancji wyjściowej Źródeł napięciowych o bardzo małej impedancji wewnętrznej Generatorów

13 Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz odwracający (1) R2 IN R1 6 5 IN- IN+ OUT 7 OUT U IN+ = 0 U IN- = 0 Stąd: U R2 = U OUT U OUT /R 2 = - U WE /R 1 U OUT / U WE = - R 2 /R 1 = NG U R1 = U IN

14 Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz odwracający (2) model

15 Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz nieodwracający R1 R2 IN 6 5 IN+ OUT 7 OUT IN 6 5 IN- IN- IN+ OUT 7 OUT U IN- = U IN U OUT / U WE = 1+R 2 /R 1 = NG U IN- = U OUT R 1 /(R 1 +R 2 )

16 Wzmacniacze operacyjne - parametry Model błędów WEJŚCIOWE NAPIĘCIE NIEZRÓWNOWAŻENIA (OFSET) NAPIĘCIOWE ŻRÓDŁO SZUMÓW IMPEDANCJA WEJŚCIOWA IMPEDANCJA WYJŚCIOWA PRĄD WEJŚCIOWY RZECZYWISTA CHARAKTERYSTYKA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA ŻRÓDŁO PRĄDOWE SZUMÓW

17 Wzmacniacze operacyjne - parametry Wzmacniacze dla układów kondycjonowania sygnału

18 Wzmacniacze operacyjne - parametry Niezrównoważenie wzmacniacza Wejściowe napięcie niezrównoważenia (ang. Input Offset Voltage, V OS ) [µv, mv] Prąd wejściowy (polaryzacji) (ang. Input Bias Current, I B ) [pa, na] Wejściowy prąd niezrównoważenia (ang. Input Offset Current, I OS ) [pa] Temperaturowy współczynnik zmian wejściowego napięcia niezrównoważenia (ang. vs. Temperature) [µv/ C] Temperaturowy współczynnik zmian prądu wejściowego (ang. vs. Temperature) [pa/ C]

19 Wzmacniacze operacyjne - parametry Model niezrównoważenia wzmacniacza Parametr NG (Noise Gain) oznacza wzmocnienie układu dla małych sygnałów napięciowych podanych na jego wejście. Wartość NG jest równa wzmocnieniu sygnału dla układu pracującego w konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego. RTI (total offset voltage referred to input) całkowite napięcie niezrównoważenia na wejściu układu RTO (total offset voltage referred to output) całkowite napięcie niezrównoważenia na wyjściu układu Wpływ prądu niezrównoważenia na wartość napięcia niezrównoważenia można zminimalizować poprzez zastosowanie rezystora R3 o wartości odpowiadającej R1 R2

20 Wzmacniacze operacyjne - parametry Źródła szumów Szumami elektrycznymi nazywa się każdy niepożądany sygnał zakłócający odczyt informacji zawartej w sygnale użytecznym. Powyższa definicja pozwala zaliczyć do szumów wszystkie sygnały, które pojawią się na wyjściu układu z przyczyn nieprzewidzianych przez konstruktorów aparatury. Mogą to być zarówno sygnały okresowe, stałe jak i stochastyczne. Występowanie zjawiska szumów elektrycznych wynika bezpośrednio z: istnienia ładunku elementarnego, a w związku z tym z nieciągłością przepływu ładunku; z istnieniem określonej energii, jaką przenoszą nośniki ładunku umieszczone w sieci krystalicznej przewodnika w wyniku istnienia fluktuacji ładunku, w przewodnikach znajdujących się w niezerowej temperaturze obserwuje się przypadkowe zmiany napięcia na elementach oporowych (nazywanych szumem termicznym).

21 Wzmacniacze operacyjne - parametry Źródła szumów Szumy Johnsona (termiczne) spowodowane są fluktuacją gęstości nośników prądu płynącego przez elementy elektroniczne o niezerowej rezystancji, czego wynik stanowią fluktuacje napięcia obserwowanego na ich zaciskach U n = 4kTRB k - stała Boltzmana (1,38*10 J/K) R - rezystancja (om) T - temperatura (K) B - pasmo przenoszonych częstotliwości (Hz) Dla temperatury 25ºC podana zależność upraszcza się do postaci U n = 1/8* RB Szumy termiczne określają dolną granicę występowania szumów w układzie. Wartość skuteczna szumów termicznych może zostać określona w sposób zadawalający. Wartość chwilowa może być określona tylko w sensie prawdopodobieństwa.

22 Wzmacniacze operacyjne - parametry Źródła szumów Szumy śrutowe typu SCHOTTKY (SHOT) wywołane są fluktuacjami prądu związanymi z nieciągłością ładunku podczas jego przenoszenia przez barierę potencjału (przypadkowa emisja elektronów lub dziur). Powstawanie dodatkowych stanów energetycznych powodują także defekty sieci krystalicznej w półprzewodniku. I s = 5.7 * 10 * I Z * B I Z - prąd złącza (pa) B - pasmo przenoszonych częstotliwości (Hz) Szumy śrutowe występują w elementach półprzewodnikowych i lampach elektronowych. Jest to szum biały - gęstość widmowa mocy szumu jest stała. Wartość chwilowa ma rozkład normalny.

23 Wzmacniacze operacyjne - parametry Źródła szumów Szumy wybuchowe (Burst Noise, Popcorn Noise) mogą występować zarówno w wyniku występowania zanieczyszczeń oraz niedoskonałości materiału, z którego wykonany został element elektroniczny, jak i z powodu zakłóceń zewnętrznych, np. wyładowania atmosferyczne. Szumy o niezdefiniowanym rozkładzie prawdopodobieństwa. Parametrem opisującym jest maksymalna wartość skoków napięcia. Amplituda zwykle 2 do 100 razy amplitudy szumów cieplnych.

24 Wzmacniacze operacyjne - parametry Źródła szumów Szumy typu 1/F (nadmiarowe) są związane z niedoskonałą strukturą elementów półprzewodnikowych, są to szumy których gęstość mocy rośnie w miarę obniżania częstotliwości sygnału. Poziom szumów typu 1/f jest uwarunkowany procesem wytwarzania przyrządów półprzewodnikowych, z procesem technologicznym oraz z materiałami zastosowanymi do wytwarzania tych przyrządów. Szumy typu 1/F są definiowane poprzez gęstość widmową mocy szumu w funkcji częstotliwości (krzywa typu 1/F). Jej wartość jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości (szum różowy). Gęstość widmowa napięcia szumów jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka częstotliwości. Pierwszy zakres: E f1 =k*ln(f 2 /F 1 ) k gęstość spektralna szumu dla częstotliwości 1Hz Drugi zakres: E f2 = e* (F 2 - F 1 ) e gęstość spektralna szumu powyżej częstotliwości granicznej (dla której gęstość widmowa mocy szumu 1/f jest równa gęstości widmowej mocy szumu białego)

25 Wzmacniacze operacyjne - parametry Szumy (1) Współczynnik gęstości szumów napięcia wejściowego (ang. Input Voltage Noise Density, e n ) [nv/ Hz] Współczynnik gęstości szumów prądu (ang. Current Noise Density, e n ) [fa/ Hz] V nw współczynnik gęstości szumów F L dolna częstotliwość mierzonego sygnału F H górna częstotliwość mierzonego sygnału F C częstotliwość graniczna szumu 1/f Dla precyzyjnych wzmacniaczy bipolarnych F C jest mniejsza od 1Hz, dla wzmacniaczy z tranzystorami FET na wejściu wynosi kilkaset herców, a dla wzmacniaczy szybkich może sięgać nawet kilku tysięcy herców.

26 Wzmacniacze operacyjne - parametry Szumy (2) Dla: Dla wyższych częstotliwości równanie na skuteczną wartość napięcia szumów (RMS) przyjmuje postać: Jeżeli F H >> F L : Dla bardzo niskich częstotliwości, gdy F C >> (F H F L ):

27 Wzmacniacze operacyjne - parametry Model szumów wzmacniacza Model zakłada występowanie w sprzężeniu zwrotnym jedynie rezystorów. Jeśli oprócz rezystancji sprzężenie zawiera elementy reaktancyjne (najczęściej pojemności), poziom szumów zmienia się wraz z częstotliwością!!! RTO RTI

28 Wzmacniacze operacyjne - parametry Wpływ wartości rezystancji źródła sygnału na sygnał szumu Dla wzmacniacza OP27 pracującego w konfiguracji układu nieodwracającego: współczynnik gęstości szumów napięciowych: 3nV/ Hz, współczynnik gęstości szumów prądowych: 1pA/ Hz, w temperaturze 25 C Pogrubione obramowanie oznacza składnik dominujący w sygnale szumów