Operační zesilovače a obvody pro analogové zpracování signálů

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 Zesílení rozdílného napětí
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

9 Ideální převodní charakteristika rozdílového zesilovače
+UB Uvýst Uofs Uvst Uofs Uofs – vstupní ofsetové napětí A –zesílení - udává směrnice přímky -UB 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 Integrované operační zesilovače
Příklad základního zapojení bipolárního vícestupňového zesilovače s galvanickou vazbou mezi stupni,velmi vhodnou pro možnost integrace Lze použít jako zesilovač stejnosměrných i střídavých signálů

12 Ideální operační zesilovač

13 Ideální operační zesilovač
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
Ri, A, Rs +/- - konečné Ro , Ud, Ivst - nenulové parametry závisejí na f … A(f), j(f), SR slew-rate t ... drift, šum-dle technologie T… okolní teplota, příkon Unap 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 j(f) při j = 180o se mění zpětná vazba na kladnou Ao .. zesílení open-loop

16 Zapojení neinvertujícího zesilovače
Zesílení : Charakteristické vlastnosti : nemění polaritu velký vstupní odpor – v případě použití FET transistorů na vstupu je řádu 1015 Ohmů elektrometrický zesilovač Záporná zpětná vazba – zesílení určuje opět pouze poměr resistorů R0 a R1 zvláštní případy: diferenciální zesilovač sledovač

17 Zapojení invertujícího zesilovače
Zesílení : Charakteristické vlastnosti : Princip virtuální nuly - sčítací bod, virtuální 0 (napětí Ei > 0,Rvst se blíží nekonečnu) záporná zpětná vazba zesílení je jednoznačně určeno poměrem rezistorů R0 ku R1,mění polaritu,vstupní odpor je dán R1 Sčítání vstupních napětí

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. Aplikace : TTL převodník Ideální převodní charakteristika

26 Schmittův klopný obvod (trigger)
zapojení velmi podobné neinvertujícímu zesilovači kladná zpětná vazba-poměrem R2 / R1 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
U digitálně-analogového převodníku využíváme vlastnosti operačního zesilovače, u kterého je zesílení určeno zpětnou vazbou 2 základní obvodové prvky : sčítací zesilovač a spínače

30 Sledovač Používá se jako měnič impedance :
Velmi vysoký vstupní odpor mění na velmi Malý výstupní odpor Kde Ao 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 propusti aktivní filtry analogové „středování” šumu dolní 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 Ux > 0. Poté se na vstup integrátoru připne referenční napětí Uref opačného znaménka než Ux. Komparátor určuje okamžik, kdy výstupní napětí integrátoru je rovno nule. Časový interval mezi okamžikem připojení napětí Uref 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 t3 je úměrný převáděnému analogovému signálu Ux 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 V1 – V2 (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 ….