Podstawowe układy elektroniczne

Podstawowe układy elektroniczne Nanodiagnostyka 16.11.2018, Wrocław MACIEJ RUDEK

Podstawowe elementy

Podstawowe elementy elektroniczne Podstawowe elementy elektroniczne Rezystor Kondensator Cewka 3 Podział na rodzaje: Pasywne (bierne) Aktywne (czynne) Jakie to są układy aktywne a jakie pasywne?

Podstawowe elementy elektroniczne http://www.radartutorial.eu/21.semiconductors/hl17.en.html http://www.matidavid.com/electronic_components/04.htm https://learn.sparkfun.com/tutorials/integrated-circuits/inside-the-ic

Prawo Ohma Co to jest U? Układ stałoprądowy z rezystorem U = I R I = U R R = U R J = Eγ ρ = 1 γ R = ρ l s Im wyższe natężenie pola E tym większa gęstość prądu J 5 γ konduktywność materiału, ρ rezystywność [Ωm]

Wzmacniacze operacyjne

Zastosowanie: Układy analogowe w operacjach: dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia, całkowania, różniczkowania Wzmacniacze logarytmiczne Generatory sygnałów: prostokątny, trójkątny, sinusoidalnych Filtry Detektory liniowe i wartości szczytowej Układy próbkujące z pamiecią

Podstawowe układy pracy wzmacniaczy: Odwracający Nieodwracający Sumujący i odejmujący Całkujący Różniczkujący Napięciowy Konwerter prąd-napięcie Przesuwnik fazy

U 1, U 2 napięcia wejściowe U O napięcie wyjściowe U D różnicowe napiecie wej. G wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego R rezystancja wejściowa wzmacniacza U O = G U 1 U 2 = G U 9

Parametry idealnego wzmacniacza operacyjnego 10 Nieskończenie duże wzmocnienie napięciowe (G = ) Nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia częstotliwości Nieskończenie duża rezystancja wejściowa (R 1 R 2 = ) Zerowa rezystancja wyjściowa (R O =0) Zerowe prądy wejściowe (I we1, I we2 = 0) Nieskończenie duży prąd wyjściowy (I O = ) Zerowe napięcie wyjściowe przy zerowej wartości różnicowego napięcia wejściowego (U D = 0) Wzmocnienie idealnie różnicowe (CMRR = ) Nieskończenie szybka zmiana napięcia wyjściowego (SR= ) Niezależność od temperatury

Wzmacniacz operacyjny Budowa wewnętrzna na przykładzie µa741 http://www.righto.com/2015/10/inside-ubiquitous-741-op-amp-circuits.html https://en.wikipedia.org/wiki/operational_amplifier

Wersja pesymistyczna R 1 R 2 R R O 0 G I we1, I we2 0 U D 0 13 Czym ograniczone jest G?

Parametry rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego Wzmocnienie napięciowe (G) G = 10 5 10 7 V 100 140 db V Impedancja wejściowa : 2 10 MΩ Prądy wejściowe I we1, I we2 = 10 fa 10 na Impedancja wyjściowa: R O = 20 75 Ω Pasmo przenoszenia: 100 khz, 1 MHz, 10 MHz,. Wejściowe napięcie niezrównoważeni U D = 1 μv 1 mv Wzmocnienie idealnie różnicowe CMRR = 100 140 db Nieskończenie szybka zmiana napięcia wyjściowego (Slew Rate) 14 SR = 0,1 100 V μs Niezależność od temperatury: ppm/ C

Układ wzmacniacza odwracającego Otwarta pętla SZ: U d = U O G 0 Zakładając: I 1 = I 2 Wówczas: U I = U O R 1 R 2 To wzmocnienie: G = R 2 R 1 = U O U I Z punkt masy pozornej: I 3 0

Układ wzmacniacza nieodwracającego Dla I 1 = I 2 wówczas: U I R 1 = U O U I R 2 Przyjmując że: U d 0 Wzmocnienie wynosi: G = U O U I G = R 2 + R 1 R 1 = 1 + R 2 R 1

Porównanie wzmacniacza nieodwracającego i odwracającego Wzmacniacz NIEodwracający Wzmacniacz odwracający Dla jednakowych wartości R1 i R2 wzmocnienie G wzm. układu nieodwracającego jest większe o 1 w porównaniu do wzm. układu odwracajacego, Rezystory R1 i R2 we wzmacniaczu nieodwracajacym tworzą dzielnik dla sygnału sprzężenia zwrotnego Dla jednakowych wartości R1 i R2 wzmocnienie wzm. układu nieodwracającego jest większe o 1 w porównaniu do wzm. układu odwracajacego, Rezystory R1 i R2 we wzmacniaczu odwracajacym tworzą dzielnik dla sygnału sprzężenia zwrotnego i sygnału wejściowego Dla wzm. odwracającego impedancja wejściowa jest równa rezystancji R1 a dla wzm. nieodwracajacego rezystancji wewnętrznej wzmacniacza.

Układ wzmacniacza odwracającego Dla dużych wzmocnień G: R duże: 100 kω, 1 MΩ, 10 MΩ Ograniczenie pasma przenoszenia Zwiększenie stałych czasowych Zakładając: I 1 = I 2 Wówczas: U I = U O R 1 R 2 To wzmocnienie: G = R 2 R 1 = U O U I

Układ wzmacniacza odwracającego G = R 2 R 1 = U O U I 19 https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad8510_8512_8513.pdf

Układ wzmacniacza odwracającego Dla dużych wzmocnień G: R duże: 100 kω, 1 MΩ, 10 MΩ Ograniczenie pasma przenoszenia Zwiększenie stałych czasowych Zakładając: I 1 = I 2 Wówczas: U I = U O R 1 R 2 To wzmocnienie: G = R 2 R 1 = U O U I

Układ wzmacniacza odwracającego potencjometryczny Dla dużych wzmocnień: R małe wartości Nie ogranicza pasma przenoszenia 21 Wzmocnienie wynosi: G = R 2 R 1 1 + R 4 R 2 + R 4 R 3

Układ wzmacniacza różnicowego (odejmującego) Odejmowanie sygnałów: o mostka Wheatstone'a o Termopary o rezystora pomiarowego Rezystancja wejściowa zależna od rezystorów R 1 i R 2 Problem ze zmianą wzmocnienia U O = R 1 R 2 + R 3 R 4 R 4 R 1 U 2 R 3 R 1 U 1

Układ wzmacniacza różnicowego (odejmującego) Odejmowanie sygnałów: o mostka Wheatstone'a o Termopary o rezystora pomiarowego Rezystancja wejściowa zależna od rezystorów R 1 i R 2 Wymaga kompensacji błędu spowodowana wej. prądami polaryzacji U O = R 3 R 1 U 2 U 1 R 1 R 2 = R 3 R 4 R 1 R 2 R 1 + R 2 = R 3R 4 R 3 + R 4

Wzmacniacz sumujący Jaki warunek musi zostać spełniony dla uzyskania wartości algebraicznej sumy? A co z: R 4 =? U O = R U 1 R 1 + U 2 R 2 U n R n R 4 = R R 2 R n

Wzmacniacz sumujący i odejmujący R 1 = R 2, oraz R 3 = R 4 U O = R 6 2R 6 + R 3 1 + 2R 5 R 1 U 3 + U 4 R 5 R 1 U 1 + U 2

Przykład praktyczny mikroskop sił atomowych

Przykład praktyczny głowica OBD

Wtórnik napięciowy Co wspólnego mają oba układy? Rezystancja wejściowa zależna od rezystorów R 1 i R 2

Układ całkujący (integrator) G = 1 jωr 1 C I 2 = C du O dt Dla: I 2 = I 1 wówczas: t U 1 R = C du O dt Całkując po obu stronach: U O t = 1 RC U 1 t dt + U 0 (0) Napięcie na kondensatorze U O t dla t = 0 0 jω?

Układ całkujący (integrator) 10n R = 1 kω C = 10n 200n 1µF G = 1 jωr 1 C 1µF

Układ całkujący (integrator) I 2 = C du O dt Dla: I 2 = I 1 wówczas: U 1 R = C du O dt G = R 2 R 1 1 jωr 2 C t U O t = 1 RC U 1 t dt + U 0 (0) Napięcie na kondensatorze U O t dla t = 0 0

Układ całkujący (integrator) R1 = 1 kω R2 = 1 kω G = 1 C = 10n 200n 1µF G = R 2 R 1 1 jωr 2 C 1µF 10n

Układ całkujący (integrator) R1 = 1 kω R2 = 10 kω G = 10 C = 10n 200n 1µF 1µF 10n G = R 2 R 1 1 jωr 2 C

1µF R1 = 1 kω C = 10n 200n 1µF 10n G = 1 jωr 1 C

Zastosowanie układu całkującego Układ całkujący: Jako filtr dolnoprzepustowy Zmiana sygnału prostokątnego na trójkątny Wygładza sygnał wejściowy Odwraca działanie układu różniczkującego Układy operacji arytmetycznych Stosowany w przetwornikach A/C W regulatorach PID

Układ różniczkujący G = R 2 Cjω Duża wrażliwość na szum o dużej f Pojemnościowy charakter impedancji wejściowej Skłonność do oscylacji U O t = R 2 C du 1 dt

Układ różniczkujący 44 kv!! R1 = 1 kω C = 10n 200n 1µF 1µF G = 1 jωr 1 C 10n

Układ różniczkujący 100 V! 1µF R 1 = 1 kω R 2 = 100kΩ C = 10n 200n 1µF 10n G = 1 jωr 1 C

Zastosowanie układu różniczkujacego Układ różniczkujący: Jako filtr górnoprzepustowy Zmiana sygnału prostokątnego na szpilki Generuje szpile napięciowe Odwraca działanie układu całkującego Układy operacji arytmetycznych W regulatorach PID

Zastosowanie układu całkującego i różniczkującego sygnał wyjściowy Sygnał wejściowy

Zastosowanie układu całkującego i różniczkującego - zastosowanie 1µF R1 = 1 kω R2 = 100 kω C1 = 10n 200n 1µF C2 = 100 nf 10n Zastosowanie: filtr

Zastosowanie układu całkującego i różniczkującego - zastosowanie 1µF C2 R1 = 1 kω R2 = 1 kω C1 = 10n 200n 1µF C2 = 1µF 10n Zastosowanie: filtr

Zastosowanie układu całkującego i różniczkującego - zastosowanie 1µF 10n R1 = 1 kω R2 = 1 kω C1 = 100 nf C2 = 10n 200n 1uF Zastosowanie: filtr

Zastosowanie układu całkującego i różniczkującego w reg. PID Regulator PID Cyfrowe Analogowe Ciągłe Dyskretne Czym jest regulator PID?

Zastosowanie układu całkującego i różniczkującego w reg. PID falki

Konwerter prąd na napiecie Bardzo mała rezystancja wejściowa U O = I 1 R OPA129

Konwerter prąd na napiecie Dlaczego 10 fa? U O = I 1 R OPA827 R= 100 MΩ δ = 4 k B T R

Konwerter prąd na napiecie - zastosowanie STM obrazowanie AFM pomiar prądu CAFM, CP-AFM

Konwerter prąd na napiecie - zastosowanie CAFM, CP-AFM PPP-CONT-Pt

Konwerter prąd na napiecie - zastosowanie Datasheet: COMPARISON OF NOISE PERFORMANCE BETWEEN A FET TRANSIMPEDANCE AMPLIFIER AND A SWITCHED INTEGRATOR

Konwerter prąd na napiecie Układy: Liniowe Logarytmujace (dioda, tranzystor) Całkujące

Wzmacniacz pomiarowy

Wzmacniacz pomiarowy Przypomnienie: Układ wzmacniacza różnicowego (odejmującego) Co wspólnego mają oba układy? Rezystancja wejściowa zależna od rezystorów R 1 i R 2

Wzmacniacz pomiarowy Wzmacniacz instrumentacyjny Zamknięta pętla spżęrzenia zwrotnego Regulacja G przez zmianę R G Nie nadaje się do budowy układu całkującego i różniczkującego Są stosowane do wzmacniania bardzo małych sygnałów różnicowych o Termopary, mostki, czujniki, tensometry Wysoki CMMR

Wzmacniacz pomiarowy Wzmacniacz instrumentacyjny AD8221 PGA203 INA103

AD8221 zastosowanie

Przykładowe pytania Omów (narysuj) i opisz konwerter I/U (ograniczenie pasma, szum, dynamika, etc..), w jakich rozwiązaniach jest stosowany, jakie inne rozwiązania mogą być wykonane? Wymień główne parametry idealnego wzmacniacza operacyjnego. Omów (narysuj) i opisz różnice między układem odwracającym a nie odwracającym.

65 Dziękuję za uwagę