Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 9. Operační zesilovače Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 9. Operační zesilovače Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc."— Transkript prezentace:

1 ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 9. Operační zesilovače Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc

2 Operační zesilovač Základní vlastnosti Nejrozšířenější analogový integrovaný obvod Schématická značka Signálové svorky: 1, 2, 3 Symetrický vstup, nesymetrický výstup: U out = A D (U 1 - U 2 ) + A C (U 1 + U 2 )/2 Rozdílový zisk A D  ; Potlačení suhlasného signálu: CMRR = |A D /A C | >> 1; Vstupní odpor vysoký: R in > 10 4  (10 14  ) Výstupní odpor nízký: R out  100  (10  ) Napájení: svorky 4, 5 U CC  (2V) 5 V – 28 V (200V) + -U CC +U CC U out U1U1 U2U Ideální OZ: A D   ; A C  0; R in  ;  R out  0

3 Základní aplikace OZ Neinvertující zesilovač U out = A D.(U 1 – U 2 ) U out – U 2 = I 1 R 1 U 2 = I 2 R 2 ; U in - U 1 =I 3 R 3 I 1 = I 2 + I 4 ; U 1 = I 3 R in ; U 2 = I 4 R in U in + U out U1U1 R1R1 +U CC R3R3 I1I1 I2I2 I3I3 U2U2 R 2 = R 3 I4I4 R2R2 -U CC

4 Základní aplikace OZ Neinvertující zesilovač U in + U out R1R1 R2R2 R2R2 Pro ideální OZ: A   R in   Zisk neinvertujícího zesilovače s ideálním OZ: A neinv0 = 1+R 1 /R 2 > 0 ! Neinvertující zesilovač má kladný zisk  nemění směr změny napětí. (jestliže stoupá U in, stoupá také U out )

5 Základní aplikace OZ Invertující zesilovač U out = A D.(U 1 – U 2 ) U out – U 2 = I 1 R 1 U 1 = -I 3 R 3 ; U 2  –  U in =I 2 R 2 I 1 = I 2 + I 4 ; U 1 = I 3 R in ; U 2 = I 4 R in U in + U out U1U1 R1R1 +U CC R3R3 I1I1 I2I2 I3I3 U2U2 R 2 = R 3 I4I4 R2R2 -U CC

6 Základní aplikace OZ Invertující zesilovač Pro ideální OZ: A   R in   Zisk invertujícího zesilovače s ideálním OZ: A inv0 = -R 1 /R 2  0  stoupá-li U in, klesá U out U in + U out R1R1 R2R2 R2R2

7 Základní aplikace OZ Invertující a neinvertující zesilovače U in + U out R1R1 R2R2 R2R2 U in + U out R1R1 R2R2 R2R2 Invertující zesilovačNeinvertující zesilovač Zisk závisí pouze na poměru odporů R 1 a R 2 ! Důvod používání: • Hodnotami odporů R 1, R 2 lze nastavit zisk v širokém rozsahu podle potřeby • Zisk nezávisí na konkrétních parametrech OZ, na teplotě, na kmitočtu!!

8 Další vlastnosti OZ Nelineární vlastnosti Napěťový průběh rozdílového zesílení U 1 – U 2 U out +U CC -U CC +U inmaxD -U inmaxD +U max -U max ADAD • Při velmi nízkých vstupních rozdílových napětích U 1 – U 2 roste výstupní napětí U out lineárně se vstupním v poměru A D •Jakmile se U out přiblíží hodnotě  U CC, jeho růst se zpomalí a nakonec se výstup zalimituje při U out =  U max, U max  U CC • Pro lineární operace lze pak použít jen rozsah vstupního napětí  U inmaxD, kde U inmax = U max /A D  (U CC – 2)/A D  10 – 20 mV

9 Další vlastnosti OZ Nelineární vlastnosti Napěťový průběh součtového zesílení • Při velmi nízkých vstupních součtových napětích (U 1 + U 2 )/2 roste výstupní napětí U out lineárně se vstupním v poměru A C •Jakmile dosáhne U in hodnoty několika Voltů, výstupní napětí rychle vroste a nakonec se zalimituje při U out =  U max, U max  U CC • Lineární operace jsou omezeny jen na rozsah vstupního napětí  U inmaxC, kde U inmaxC >> U inmaxD ! U 1 –U 2 U out +U CC -U CC +U inmaxC -U inmaxC +U max -U max ACAC

10 Další vlastnosti OZ Mezní kmitočet Modelový průběh rozdílového zesílení: • Zisk neinvertujících i invertujících zesilovačů obecně závisí na kmitočtu – je omezen křivkou A D (  ). • Čím nižší zisk A(0) je nastaven, tím širší je pásmo BW  jeho využití • Kmitočet f T, na němž je A D = 1 se nazývá tranzitní (mezní) kmitočet Důsledky f |A  10k k M10M100M f  = 2  /  A D (0) fTfT Samotný OA Různé neinvert. zesil. BW f  = 1/(2  ); pro kmitočty f >> f  : A D (f)  f T /f

11 Další vlastnosti OZ Mezní kmitočet – reálný stav Obecný průběh rozdílového zesílení: f |A  10k k M10M100M f1f1 A C (0) fTfT f2f2 f3f3 Závislost |A D (f)  má více zlomů a v blízkosti f T strmě klesá Průběh fáze přenosu:

12 Další vlastnosti OZ Stabilita OZ Zisk invertujícího zesilovače: Nežádoucí stav: Podmínkou stability obvodů s OZ se zápornou zpětnou vazbou je aby: |Arg  A D  |   /2 Toho lze dosáhnout tzv. korekcí kmitočtového průběhu A D.

13 Další vlastnosti OZ Kmitočtová korekce Kmitočtová korekce se provádí přidáním dominantní integrační kapacity zpravidla do koncového stupně zesilovače Příklad způsobu provedení Výsledný průběh zisku korigovaného zesilovače -U CC U in +U CC R1R1 R2R2 T1T1 T2T2 T3T3 T4T4 U out CKCK f |AD|AD 10k k M10M100M ff fTfT fKfK f TK Korigovaný zesilovač Nekorigovaný zesilovač

14 Další vlastnosti OZ Rychlost přeběhu Veličina nazvaná rychlost přeběhu (výstupního napětí) SR (z angl. Slew Rate) vyjadřuje dynamické vlastnosti zesilovače v nelineárním režimu (při velkém rozkmitu výstup. napětí). Doba náběhu  n a zotavení  r nezávisejí na amplitudě Strmost nárůstu výstupního napětí: roste až U 0 dosáhne maximálního rozkmitu výstupního napětí 2U max. Zde dosáhne tato strmost maximální hodnoty (dále se už nemění): Odezva na pravoúhlý impulz v lineárním režimu t t nn rr Vstupní impulz Odezva na výstupu 90% 10% 100%

15 Další vlastnosti OZ Vstupní klidový proud I 0+ + I 0- Má-li zesilovač pracovat v okolí nulového vstupního napětí v lineárním režimu, musí vstupními tranzistory protékat proudy a proto musí také jejich bázemi téci bázové proudy – vstupní klidové proudy I 0+, I 0-. Vstupní klidový proud: I B = (I 0+ + I 0- )/2 (V případě dokonalé symetrie: I 0+ = I 0- = I B ) Důsledky: Klidový proud: Při nestejných impedancích vnějších vstupních obvodů se těmito proudy vytvářejí nestejná napětí na obou vstupech  rozvážení zesilovače Protiopatření: Při zapojování OZ se na obou vstupech používají stejné zatěžovací impedance Z 1 = Z 2 Z1Z1 + Z2Z2

16 Další vlastnosti OZ Proudová nesymetrie Nedokonalá symetrie diferenciálního vstupního obvodu OZ má za následek, že proudy: I 0+  I 0-. Proudová nesymetrie:  I 0 = I 0+ - I 0- Je to určitá míra vnitřní nesymetrie obvodu, která způsobuje rozvážení obvodu, i když je na vstupech nulové napětí. Důsledky: Obvod dává nenulové napětí na výstupu i když je na vstupech nula  rozvážení zesilovače Protiopatření: Impedance Z 1 a Z 2 na vstupech OZ se volí tak, aby platilo: I 0+ Z 1 = I 0-.Z 2 Z1Z1 + Z2Z2 Vstupní klidové proudy jsou funkcí teploty, času a napájecího napětí. Pomalá změna vstup. klid. proudů a proudové nesymetrie se nazývá drift.

17 Další vlastnosti OZ Napěťová nesymetrie Nedokonalá symetrie diferenciálního vstupního obvodu OZ má také za následek, že při zkratování obou vstupů na společný vodič, není na výstupu nulové napětí. Pro dosažení nulového výstupního napětí je nutno do jednoho vstupu vložit zdroj malého napětí U 0. Této hodnotě se říká napěťová nesymetrie. Důsledky: Obvod dává na výstupu nenulové napětí i když je na obou vstupech uzemněn  rozvážení zesilovače Protiopatření: Na vstup je nutno připojit zdroj napětí –U 0, které tuto napěťovou nesymetrii vykompenzuje Pomalá změna vstupní napěťové nesymetrie v důsledku změny teploty, změny napájecího napětí nebo stárnutí se nazývá drift. Z1Z1 + Z2Z2 -U 0

18 Další vlastnosti OZ Vliv napájecího napětí Vliv napájecího napětí na výstupní napětí se popisuje činitelem potlačení změny napájecího napětí SVR (Supply Voltage Rejection): Příčinou vlivu napájecího napětí na výstupní napětí OZ může být: a) nedokonalé potlačení souhlasného napětí – při nesymetrické změně napájecího napětí: b) nedokonalá symetrie obvodů – při symetrické změně napájecího napětí:

19 Další vlastnosti OZ Šum Náhodné rušivé signály, které nejsou způsobeny užitečným signálem a které se k signálu přičítají . Vliv šumu na výstupní napětí lze vyjádřit pomocí tzv. náhradních zdrojů šumu na vstupech OZ: + UNUN I N+ I N- R N- R N+ Zdroje U N, I N+, I N- jsou zpravidla nekorelované, pak lze sčítat kvadráty jejich napětí a proudů. Pokud je zesilovač připojen ke zdrojům napětí (s nízkým vnitřním odporem) : Příčin šumu je celá řada. Každý fyzikální proces, který je zdrojem šumu (fluktuací napětí a proudů) má obecně odlišné vlastnosti – zejména závislost na kmitočtu.

20 Další vlastnosti OZ Zdroje šumu Vlastnosti šumu se charakterizují zejména: a) Spektrální hustotou šumu u 2 (f), i 2 (f). Pro střední kvadratickou hodnotu v každém pásmu kmitočtů  f 1, f 2 > pak platí: b) Statistickými vlastnostmi (např. rozložením hustoty pravděpodobnosti amplitudy) Nejčastější typy šumu u OZ (i u jiných IO): 1.Tepelný šum: u 2 (f) = 4kTR= konst., i 2 (f) = 4kT/R = konst. kde: T je teplota v K, k je Boltzmannova konst., R je vnitřní odpor zdroje šumu. 2. Výstřelový šum: i 2 (f) = 2eI 0 = konst. , u 2 (f) = i 2 (f)R 2 = konst., kde: I 0 je velikost proudu, který je zdrojem výstřelového šumu, e je elementární náboj 3. Blikavý šum: u 2 (f)   1/f, i 2 (f)  1/f

21 Další vlastnosti OZ Kmitočtová závislost šumu f [Hz] u 2 [nV 2 / Hz] i 2 [pA 2 / Hz] i2i2 u2u2 Bipolární obvody f [Hz] u 2 [nV 2 / Hz] i 2 [pA 2 / Hz] u2u2 i2i2 Unipolární obvody Souhrnné vstupní šumové napětí – spektrální hustota

22 Další aplikace OZ Kmitočtově závislé zesilovače Integrující zesilovač Vycházíme ze zapojení invertujícího zesilovače, kde jsme odpory nahradili obecnými impedancemi: U in + U out Z1Z1 R Z2Z2 Zvolíme Z 1 = 1/(j  C), Z 2 = R  Ideální integrátor U in + U out 1/j  C R R t t U in U out

23 Další aplikace OZ Kmitočtově závislé zesilovače Derivující zesilovač U in + U out Z1Z1 R Z2Z2 Zvolíme Z 1 = R 1, Z 2 = 1/(j  C)  Ideální derivační článek t t U in U out U in + U out 1/j  C R R1R1

24 Další aplikace OZ Nelineární zesilovače Logaritmický zesilovač U in + U out Z1Z1 R Z2Z2 Zvolíme Z 1 = D 1, Z 2 = R  Nutno si uvědomit, že vztahy, odvozené pro invertující zesilovač platí pouze v lineárním režimu, tedy pro malé odchylky nap. a proudů: U in + U out R R D1D1 IDID I1I1 Využití: zmenšuje dynamiku signálu – vhodný zejména pro signály s velmi vysokým dynamickým rozsahem

25 Další aplikace OZ Nelineární zesilovače Logaritmický zesilovač U in + U out R R D1D1 U in + U out R R D1D1 U in U out -U T.ln(U in ) U in U out U T.ln(-U in ) pro U in > 0 pro U in < 0 Nevýhodou uvedeného řešení je velká teplotní závislost přenosu. Proto se používají složitější zapojení s tranzistory.


Stáhnout ppt "ELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY 9. Operační zesilovače Prof. Ing. Pavel Bezoušek, CSc."

Podobné prezentace


Reklamy Google