Temat i plan wykładu Wzmacniacze operacyjne. Wprowadzenie 2. Podstawowe parametry i układy pracy 3. Wzmacniacz odwracający i nieodwracający 4. kład całkujący, różniczkujący, różnicowy 5. Konwerter prąd-napięcie 6. Zastosowanie wzmacniaczy w fotowoltaice
Cele wykładu Celem wykładu jest przedstawienie: zasad działania i parametrów wzmacniaczy operacyjnych, sposobów wykorzystania ich przy realizacji układów analogowych i wybranych układów impulsowych, analizy i projektowania prostych układów metodami elementarnymi, korzystania z kart katalogowych i not aplikacyjnych w celu dobrania odpowiednich komponentów do projektowania. ELEKTONIKA Jakub Dawidziuk sobota, 6 czerwca 202
Symbol graficzny, oznaczenia, obudowa
Napięcia wejściowe i wyjściowe Dozwolony zakres napięć wejściowych i wyjściowych +/- z
Wyprowadzenia, podłączenie napięć zasilających od +/-5 V do +/-5 V Występuje grupa wzmacniaczy operacyjnych zasilanych pojedynczym napięciem, np. +3,3 V.
Podstawowe parametry wzmacniacza idealnego i rzeczywistego nieskończona wartość impedancji wejściowej WE = (-0 5 MΩ), nieskończona wartość wzmocnienia różnicowego A = (0 5-0 7 ), zerowa wartość impedancji wyjściowej WY = 0 (50-200 Ω), nieskończone pasmo przenoszonych częstotliwości (-00 MHz), brak zjawisk niepożądanych (niestabilność, niezależność od zmian napięcia zasilania, itp.), idealny wzmacniacz operacyjny po załączeniu napięć zasilających i podłączeniu wejść do wspólnego potencjału zerowego powinien mieć również zerowe napięcie wyjściowe i zerowe prądy wyjściowe, wzmacniacz rzeczywisty nie spełnia tych wymagań, ale ich odchyłki są nieznaczące z punktu widzenia praktycznego.
Model idealnego wzmacniacza operacyjnego we wy we = wy = 0 A = wzmacniacz nie nasyca się
Model rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego we wy we = in wy = 0 A = 0 6 wzmacniacz nasyca się
Jednak w praktyce
Jednak w praktyce nasycenie
Nasycenie wzmacniacza The MAX4040 MAX4044 family of micropower op amps operates from a single +2.4V to +5.5V supply or dual ±.2V to ±2.75V supplies and have rail-to-rail input and output capabilities.
Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza
Przykładowa charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza odwracającego o wzmocnieniu 0 (niebieski wykres) i 00 (czerwony wykres)
Sprzężenie zwrotne -oddziaływanie skutku jakiegoś zjawiska na jego przyczynę jemne Dodatnie - wzmocnienie, Zmniejsza: - wrażliwość na zmiany parametrów elementów składowych układu, - zniekształcenia nieliniowe. Powoduje zmianę impedancji wejściowej i wyjściowej oraz charakterystyk częstotliwościowych. Zwiększa wzmocnienie. Destabilizuje. Jest stosowane w generatorach i układach regeneracyjnych. We wzmacniaczach może wystąpić jako efekt pasożytniczy.
Sprzężenie zwrotne i jego wpływ na parametry wzmacniacza-ujemne
Sprzężenie zwrotne dodatnie A f
Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych Wzmacniacze operacyjne pracują najczęściej w układach z zewnętrznym ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Sprzężenie polepsza własności wzmacniacza: zmniejsza nieliniowość charakterystyk i niezrównoważenie, poszerza pasmo częstotliwości, poprawia stałość parametrów, umożliwia dobór wzmocnienia. W układach z otwartą pętlą (lub z dodatnim sprzężeniem zwrotnym) wzmacniacze operacyjne pracują jako komparatory, tzn. w jednym z dwóch stanów nasycenia.
Wzmacniacz odwracający (0) I WE ID I 2 A 2 WY I I WY WE WE I 2 WE A, ID WY 2, I 2 WY WE WY F K 2 3 = 2
Wzmacniacz odwracający - bilans
Wzmacniacz odwracający
Wzmacniacz odwracający
Sumator ze WO I F I I 2 F wy 2 2 2 2 F wy u 2 F WY 2 (0)
Sumator, przykład symulacyjny
Sumator audio - mikser
Wzmacniacz nieodwracający (0) ID A 2 wy WY WE K M WY 2 2
WO nieodwracający, przykład symulacyjny
Wtórnik napięciowy (0) ID WE A WY K WY 2 WE K 0, WE G 2
Wtórnik napięciowy
Konwerter I/ I WY I WY
Konwerter I/, przykład symulacyjny WY I
Konwerter I/ - zastosowanie I WY I WY
Wzmacniacz różnicowy (0) 2 WY 2 2 _ + 2 2 WY 2 2 2 2 WY 2 2 2 2 WY u
Wzmacniacz różnicowy u WY 2 2
Wzmacniacz całkujący - integtator WE ID C WY WE d dt WY WY dwy C dt C C t 0 WE WE dt C 0
Wzmacniacz całkujący - integrator
Wzmacniacz całkujący - integrator
Wzmacniacz różniczkujący C WE ID WY I I C d C dt WY WE WY C d dt WE
Wzmacniacz różniczkujący
Wzmacniacz różniczkujący
Temat i plan wykładu Komparatory napięcia. Wprowadzenie 2. Budowa komparatorów napięcia 3. Podstawowe parametry i układy pracy 4. Komparator nieregeneracyjny i regeneracyjny 5. Przerzutniki Schmitta 6. Detektory zera
u we EF GND + CC - CC u wy Zasada działania komparatora napięcia Jednobitowy przetwornik AC Pojawienie się różnicy napięć rzędu ułamka mv między wejściami komparatora wywołuje skokową zmianę poziomu napięcia na wyjściu, poziom napięcia wyjściowego jest wysoki albo niski, zależnie od znaku różnicy napięć wejściowych, jeżeli napięcie wejściowe podane na końcówkę odwracającą (-) komparatora jest mniejsze od napięcia podawanego na końcówkę nieodwracającą (+), to napięcie wyjściowe przyjmuje poziom wysoki (H), jeżeli napięcie wejściowe podane na końcówkę odwracającą (-) komparatora jest większe od napięcia podawanego na końcówkę nieodwracającą (+), to napięcie wyjściowe przyjmuje poziom niski (L).
u we EF GND + CC - CC u wy Zasada działania komparatora nieregeneracyjnego u we EF 0 0 u wy t HO LO t
Komparator regeneracyjny odwracający u we F u wy EF Zadaniem rezystora F jest spowodowanie powstania dwóch poziomów napięcia progowego, którego wartości będą zależały od stanu wyjścia komparatora.
Wyznaczenie progów przełączania i histerezy 0 0 0 0 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 min max min max min max
u we his u wy komparatora nieregeneracyjnego EF t HO LO u wy komparatora regeneracyjnego t HO LO t
Komparator z otwartym kolektorem np.+5v czas odpowiedzi: ns, μs 0,5-5kΩ wy OC zasilanie: symetryczne, asymetryczne OC-open collector Przykłady komparatorów: LM 3-szybki LM 339, CP 40-OC TLC 393-CMOS NE 529-dwie bramki, światłowodowe przekazywanie danych, przetwornik A/C MAX 92-wewnętrzne napięcie odniesienia, programowalna histereza, wyjście TTL/CMOS
Modulator szerokości impulsu (PWM)
Wyłącznik zmierzchowy
Przerzutnika Schmitta, progi przełączania i szerokości pętli histerezy ph pl H F wy max wy min ph F F pl wy max wy min
Przebiegi napięć w odwracającym przerzutniku Schmitta
Detektory przejścia przez zero Detektor przejścia przez zero wytwarza sygnał wyjściowy zmieniający stan za każdym razem, gdy wartość analogowego sygnału wejściowego przekracza poziom zerowy. kład taki jest szczególnie przydatny przy analizie widma częstotliwościowego sygnału, gdyż przetwarza sygnał analogowy w ciąg impulsów prostokątnych o szerokościach zależnych od częstotliwości. W ten sposób następuje redukcja szumów i zniekształceń sygnału badanego, a dalszą analizę można łatwo przeprowadzić metodami cyfrowymi.
Detektor przejścia napięcia przez zero
Zastosowanie detektorów przejścia przez zero Systemy przetwarzania i obróbki danych analogowych, układy pamięci analogowych, badanie korelacji sygnałów. Należy stosować szybkie komparatory, aby opóźnienie sygnału wyjściowego w stosunku do chwili przejścia przez zero było małe, i jednocześnie o dobrej dokładności, aby błąd określenia poziomu zerowego był mały. W detektorach przejścia przez zero często stosuje się zamiast komparatora napięcia wzmacniacz operacyjny.
Przerzutnik astabilny Mogą być użyte wzmacniacze operacyjne lub komparatory: przerzutnik astabilny, generator relaksacyjny, muliwibrator. u C C 2 wy u wy u wy CC t 2 u C CC i Δt Δt 2 - CC t 2 CC
ezystancja wejściowa 5 A, A2 20, 5k, 2 50 k I I2 IWE WE WE I WE WE I ID I 2 A 2 WY A ID WE WE WY I I WE WE 2 WY ID WE 3 = 2 WY A WE IWE WE IWE 2 A WE IWE A 2 2 WE A A WE2 5000,25 5000,25 5000 0,25 % zmiana rezys tancji 00% 0,005% 5000 5000
Pomiar rezystancji ogniw elektrochemicznych
Pomiar różnicy napięć termopar
Wyprowadzenia, podłączenie napięć zasilających, zabezpieczenia
Przesterowanie wzmacniacza odwracającego Sygnał na wejściu wzmacniacza (niebieski) i przesterowany sygnał wyjściowy (czerwony),wzmocnienie wynosi 0, z =+/- 5 V.
Elektrokardiografia system pomiarowy EKG