Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Operační zesilovače a obvody pro analogové zpracování signálů.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Operační zesilovače a obvody pro analogové zpracování signálů."— Transkript prezentace:

1 Operační zesilovače a obvody pro analogové zpracování signálů

2 Osnova přednášky Proč operační zesilovač ? Základní vlastnosti OZ Ideální a reálný operační zesilovač Základní funkční zapojení operačních zesilovačů Typy operačních zesilovačů podle způsobu použití Spektrum aplikací operačních zesilovačů Programovatelné zesilovače

3 Proč operační zesilovač ? Nejčastěji používaný elektronický prvek, historicky první byl realizován s elektronkami v roce 1938 Zpravidla se označením myslí rozdílový (diferenční) operační zesilovač (dále OZ) Byl nejprve určen k analogové realizaci matematických operací Základní obvodový prvek pro zpracování analogových signálů (součet,rozdíl,negace, integrace,derivace,generace různých časových průběhů) V analogových systémech je ekvivalentem mikroprocesoru u systémů digitálních

4 Aplikace - analogové počítače Název odvozený od elektronických obvodových bloků provádějících určité operace (sčítání,násobení,integraci,derivaci atd) se ss signály Analogové počítače mx" + bx' + kx = F(t)

5 Operační zesilovače Mají vysoké požadavky na vlastnosti stejnosměrných obvodových bloků. Pokročilá polovodičová technologie vedla k integraci prvku, umožnila např. teplotní stabilizaci čipu,kombinací bipolárních a unipolárních prvků (BIFET technologie) a dosažení optimálních parametrů. OZ se blíží svými vlastnostmi ideálním zesilovačům Univerzální využití v analogové elektronice s použitím vnější sítě obvodových prvků a zpětných vazeb.

6 Základní funkční schéma

7 Funkce vstupů + -

8 Rozdílový zesilovač Přenos ss signálů-možnost ovlivnění posunem ss pracovního bodu Symetrické zapojení pro kompenzaci – tzv. diferenciální stupeň Základní zapojení pro tzv. operační zesilovače Základní parametry zesilovače: zesílení,vstupní a výstupní odpor, kmitočtová a fázová charakteristika,drift,výkon aj stabilita Převodní charakteristika Zesílení rozdílného napětí

9 Ideální převodní charakteristika rozdílového zesilovače U vst U výst -U B +U B U ofs U ofs – vstupní ofsetové napětí A –zesílení - udává směrnice přímky saturační napětí

10 Zesílení souhlasného napětí Common-mode rejection ratio (CMMR) Činitel potlačení souhlasného napětí, důležitý parametr,charakterizující kvalitu operačního zesilovače, typicky (t.j. 80dB)

11 Příklad základního zapojení bipolárního vícestupňového zesilovače s galvanickou vazbou mezi stupni,velmi vhodnou pro možnost integrace Lze použít jako zesilovač stejnosměrných i střídavých signálů Integrované operační zesilovače

12 Ideální operační zesilovač

13 Idealizované „poruchové“ vlastnosti zesilovače –“součtový” signál nemá vliv,reaguje jen na „rozdílový“ signál –Vyrovnaná kmitočtová a fázová charakteristika –Hodnota ofsetu a driftu se blíží nule

14 Reálné operační zesilovače R i, A, Rs +/- - konečné R o, U d, I vst - nenulové parametry závisejí na –f … A(f),  f), SR slew-rate –t... drift, šum- dle technologie –T… okolní teplota, příkon –U nap –výrobní technologii

15 Dynamické vlastnosti OZ rychlost přeběhu SR (slew-rate) –omezuje A(f) pro velký signál doba náběhu –ustálení na 1% (settling time) stabilita zesilovače –B.. stupeň zpětné vazby –vztah mezi A(f) a  f) –při  o se mění zpětná vazba na kladnou   zesílení open-loop

16 Zapojení neinvertujícího zesilovače Zesílení : nemění polaritu velký vstupní odpor – v případě použití FET transistorů na vstupu je řádu Ohmů elektrometrický zesilovač Záporná zpětná vazba – zesílení určuje opět pouze poměr resistorů R 0 a R 1 zvláštní případy: –diferenciální zesilovač –sledovač Charakteristické vlastnosti :

17 Zapojení invertujícího zesilovače Zesílení : Princip virtuální nuly - sčítací bod, virtuální 0 (napětí E i > 0,R vst se blíží nekonečnu) záporná zpětná vazba zesílení je jednoznačně určeno poměrem rezistorů R 0 ku R 1,mění polaritu,vstupní odpor je dán R 1 Sčítání vstupních napětí Charakteristické vlastnosti :

18 Kompenzace rušivých vlivů

19 OZ v BIFET technologii

20 Provedení pouzder OZ

21 Rozdělení operačních zesilovačů podle použití –standardní (..741) levné –precizní (OP177) trimované laserem –přístrojové (AD624) pevné/nastavitelné zesílení –výkonové, vysokonapěťové AD A –vysokofrekvenční (video...) AD MHz podle technologie –bipolární –unipolární –kombinované např.BIFET velký počet typů podle požadovaných vlastností výhodná provedení 1,2,4 OZ v jednom pouzdře

22 Aplikační spektrum Voltmetr s neinvertujícím zapojením OZ

23 Rozdílový zesilovač Často využíván k zesilování napětí na můstku

24 Můstek s OZ

25 Komparátor Základní zapojení operačního zesilovače (bez vnější sítě obvodových prvků) Rozhraní mezi analogovými a digitálními obvody Obvod,který zajišťuje „rozhodnutí“, které ze 2 analogových vstupních napětí je větší. Výstupem je logická hodnota reflektující relativní hodnoty na vstupu. Ideální převodní charakteristika Aplikace : TTL převodník

26 Schmittův klopný obvod (trigger) zapojení velmi podobné neinvertujícímu zesilovači kladná zpětná vazba-poměrem R 2 / R 1 je dána tzv. hystereze, jejímž důsledkem je,že výstup SKO se mění teprve tehdy,když vstupní úroveň překročí napěťovou hysterezi nutnou pro zpětný přechod pouze 2 stabilní stavy: Eo = +/- Usat - tvarovače Napěťová hystereze

27 Schmittův klopný obvod Komparátor je zdrojem chyb při zpracování skutečného signálu vlivem šumu či rušivého signálu V horní část obrázku je průběh vstupního signálu. V prostřední po zpracování komparátorem. Pokud zde místo komparátoru použijeme SKO s vhodně zvolenou úrovní hystereze, dostaneme správnou odezvu – spodní obrázek

28 Sčítací zesilovač

29 D/A převodník se sčítacím zesilovačem 2 základní obvodové prvky : sčítací zesilovač a spínače U digitálně-analogového převodníku využíváme vlastnosti operačního zesilovače, u kterého je zesílení určeno zpětnou vazbou

30 Sledovač Používá se jako měnič impedance : Velmi vysoký vstupní odpor mění na velmi Malý výstupní odpor Kde A o je zesílení bez Zpětné vazby

31 Zdroj referenčního napětí s velmi nízkým výstupním odporem

32 Usměrňovače a detektory diodový usměrňovač s OZ výhodný k usměrnění malých napětí (prahové napětí diody se v tomto zapojení zmenší v poměru A zisku OZ) nevýhoda-omezený kmitočtový rozsah využití v přístrojové technice (multimetry) a při zpracování signálů

33 Logaritmické zesilovače

34 Převodníky U/I a I/U Detekce světelného záření Fotodioda v zapojení převodník I/U

35 Nízkofrekvenční zesilovač

36 Aplikace s frekvenčně závislou zpětnou vazbou Integrátor

37 Integrátor zapojení pro analogové počítače využití: odezva na ss a stř signály kmitočtová charakteristika má charakter dolní propustikmitočtová charakteristika má charakter dolní propusti aktivní filtry analogové „středování” šumuanalogové „středování” šumu dolní propust pro digitalizaci signáludolní propust pro digitalizaci signálu funkční generátory analogové časovací obvody

38 Průběhy výstupního napětí

39 Analogově/digitálního převod Převodník využívající dvojnásobné analogové integrace Analogový signál transformuje na časový interval, který se digitalizuje.Základním obvodem je analogový integrátor. Ke vstupu integrátoru se nejprve na přesně stanovený časový interval t 1 přivede analogový signál U x > 0. Poté se na vstup integrátoru připne referenční napětí U ref opačného znaménka než U x. Komparátor určuje okamžik, kdy výstupní napětí integrátoru je rovno nule. Časový interval mezi okamžikem připojení napětí U ref na vstup integrátoru a překlopení komparátoru označíme t 3. Časové intervaly t 1 a t 3 měříme jako násobky přesného hodinového intervalu t 2. Časový interval t 3 je úměrný převáděnému analogovému signálu U x a snadno jej vyjádříme v číslicové formě pomocí hodinových impulsů a čítače. A1 A2 CLK

40 Derivační obvod

41 elektronická derivace –potlačení šumu “1/f” (filtr „hornopropust“) elektronická integrace –potlačení šumu v horní kmitočtové části (filtr „dolnopropust“) kombinací integračního a derivačního obvodu (filtr pásmová propust) dosáhneme zúžení pásma filtrace signálů Integrační a derivační článek je základem tzv. aktivních filtrů

42 Aktivní dolní propust

43 Aktivní horní propust

44 Převodníky napětí-kmitočet Obsahuje integrátor,přesný proudový zdroj a komparátor – v okamžiku dosažení přepnutí komparátoru je přepnut proudový zdroj, který nadávkuje přesné množství náboje

45 OZ s integrovaným koncovým stupněm Přesný lineární výkonový zesilovač

46 Integrovaný výkonový OZ Vnitřní uspořádání Zapojení pouzdra

47 Aplikace v servozesilovači

48 Funkční generátory Vhodným spojením integrátoru a Schmittova klopného obvodu lze realizovat generátor (trojúhelníkového a obdélníkového) tvaru impulsů. Demo verze programu Multisim7 je na

49 Digitální potenciometry Přímé adresování sepnutí „jezdce“ potenciometru

50 Programovatelné zesilovače Digitálním potenciometrem

51 Programovatelné zesilovače Přímé adresování s krokem

52 Programovatelné zesilovače S využitím D/A převodníku a násobičky

53 Programovatelný aktivní filtr Využívá digitálních potenciometrů

54

55 Základní vlastnosti a parametry V návaznosti na číslicové obvody je třeba zajistit kompatibilitu s jednotlivými logickými skupinami (např. TTL kompatibilita předpokládá, že“1“ je + 5V a „0" je < 0,8V) Rychlost odpovědi typicky 40 až 100 ns, nejrychlejší i několik ns Chyby : Vstupní ofsetové napětí - (ideálně 0), udává jak je posunut rozhodovací bod vzhledem ke skutečné 0 hodnotě V 1 – V 2 (obvykle jednotky mV) interval neurčitosti (ani T ani F), nepřímo uměrný zesílení použitého OZ (obvykle desítky µV) Interval neurčitosti

56 Funkční měniče dioda jako exponenciální měnič logaritmický zesilovač teplotní nestability ….


Stáhnout ppt "Operační zesilovače a obvody pro analogové zpracování signálů."

Podobné prezentace


Reklamy Google