Lineární aplikace OZ Invertující zapojení operačního zesilovače:

Prezentace na téma: "Lineární aplikace OZ Invertující zapojení operačního zesilovače:"— Transkript prezentace:

1 Lineární aplikace OZ Invertující zapojení operačního zesilovače:

2 INVERTUJÍCÍ ZESILOVAČ U 0 = -( R 0 /R 1 )*U 1 VÝSTUPNÍ NAPĚTÍ MÁ OPAČNÉ ZNAMÉNKO (POSUN O 180 0 ), ROZHODUJÍCÍM ČINITELEM PRO JEHO VELIKOST JE POMĚR R0 A R1 R1 R0

3 Neinvertující zapojení operačního zesilovače:

4 NEINVERTUJÍCÍ ZESILOVAČ U 0 = (1 + R 0 /R 1 )*U 1 R0R0 R1R1 VSTUP A VÝSTUP JE VE STEJNÉ FÁZI, NELZE DOSÁHNOUT ZESÍLENÍ MENŠÍ NEŽ 1

5 Příklad: 1.Určete velikost výstupního napětí u o následujícího obvodu, jestliže je dáno: u i = + 3V R1 = 10 k  R2 = 20 k 

6 Příklad: 1.Určete velikost výstupního napětí u o následujícího obvodu, jestliže je dáno: u i = + 5V R1 = 50 k  R2 = 80 k 

7 Příklad: 1.Určete velikost výstupního napětí u o následujícího obvodu, jestliže je dáno: u 1 = + 2V u 2 = + 1V R1 = 2 k  R2 = 5 k  R3 = 10 k 

8 Nakreslete v měřítku statickou převodní charakteristiku následujícího obvodu:

9

10

11 Nakreslete v měřítku statickou převodní charakteristiku následujícího obvodu (předpokládejte, že dioda D je ideální):

12

13 Nakreslete v měřítku statickou převodní charakteristiku následujícího obvodu (předpokládejte, že Zenerova dioda D je ideální a U ZD =8V):

14 Nelineární aplikace OZ Napěťový komparátor: Zřejmě nejjednodušší aplikací OZ je tzv. napěťový komparátor. Jedná se o obvod, jehož výstup může nabývat pouze dvou diskrétních hodnot v závislosti na okamžité vzájemné hodnotě dvou vstupních signálů (obvykle bývá jeden z nich konstantní - referenční napětí U r ). Jako komparátor můžeme použít běžný OZ.

15

16

17

18 Jeho výstupní napětí bude nabývat skokově pouze dvou hodnot, nejvyšší či nejnižší možné úrovně. v závislosti na tom, který vstup OZ bude mít v daném okamžiku vyšší napětí. Tyto úrovně se blíží mezím napájecího napětí. Rozdíl je dán obvykle úbytkem napětí na zcela otevřeném příslušném výstupním tranzistoru; uvedené úrovně napětí se označují jako napětí saturační. Při výpočtech je tedy nutno si uvědomit, že úrovně saturačních napětí jsou závislé na napájecím napětí. Při běžně používaném symetrickém napájení OZ jsou i saturační napětí symetrická a v teoretických rozborech jsou označována jako saturační napětí kladné (U OS+ ) a saturační napětí záporné (U OS- ), přičemž se předpokládá U OS+ =  U OS- . Jak je z předchozího obrázku patrné, je OZ zapojen bez jakýchkoli zpětných vazeb, takže jeho zesílení je shodné s katalogovým údajem pro zesílení v otevřené smyčce. To se samozřejmě negativně odrazí na dynamických vlastnostech chování výstupu OZ při přechodu z jedné saturace do druhé. Odezva výstupu nebude tedy ideální - překlápěcí hrany výstupního obdélníkového průběhu nebudou ve skutečnosti svislé, nýbrž pouze šikmé, protože k překlopení z jedné saturace do druhé je potřeba určitá doba, v katalogových údajích označovaná jako tzv. doba přeběhu. Pozn.: na předchozím obrázku je naznačeno napájení OZ. Pokud na dalších schématech nebude, rozumí se automaticky symetrické napájení.

19 Komparátor podle předchozího obrázku může mít při praktickém použití jednu nevýhodu. Při průchodu vstupního napětí rozhodovací úrovní (tj. při shodnosti napětí na obou vstupech OZ) nelze nijak přesně stanovit při jak velkém napěťovém rozdílu mezi vstupy dojde ke změně na výstupu OZ. Praktickým důsledkem tohoto jevu je nedefinované chování výstupu komparátoru v případě, kdy na alespoň jeden ze vstupních signálů je superponován šumový signál a to i s velmi malou amplitudou, což je v technické praxi velmi běžný jev (viz následujcí obrázek, kde pro názornost U r = 0) Při průchodu vstupního signálu se superponovaným šumem komparační úrovní komparátoru dochází k náhodnému překlápění výstupu OZ mezi saturacemi po dobu dokud vstupní signál nepřekročí komparační úroveň s dostatečnou napěťovou rezervou. Tento nedostatek lze odstranit zavedením hystereze a to doplněním obvodu z prvního obrázku o kladnou zpětnou vazbu, realizovanou podle následujícího obrázku odporovým děličem R 1 a R 2. Vzniká tak celá skupina obvodů s typickou nelineární statickou charakteristikou. Tyto obvody mají dva stabilní logické stavy výstupu a překlopení do druhého stavu je závislé na polaritě, amplitudě vstupního napětí a na předchozí historii obvodu. Jedná se tedy o bistabilní klopné obvody a jsou základem pro zapojení mnohých generátorů tvarových kmitů nebo převodníků mezi analogovým, impulsním nebo číslicovým zpracováním signálů

20 Velikost hystereze h je určena součástkami R1 a R2. Zavedení referenčního napětí u r nemění hysterezi, ale celou charakteristiku posouvá. Prahová napětí U ip1(+), U ip1(-) jsou určena vztahy:

21 Obdobné chování je možno vysledovat u zapojení neinvertujícího komparátoru s hysterezí. Pro prahová napětí, určující statickou charakteristiku však platí odlišné vztahy: Při výpočtu obvodů s komparátory je nutno tyto odlišné postupy výpočtu respektovat. Existuje mnoho dalších modifikací komparátorů a jejich hlavní využití je v generátorech tvarových kmitů a převodnících z analogových signálů na impulsní a číslicové signály a naopak.

22 Předpokládejme, že U R ≠0 a protože platí: Můžeme pro proudy i 1 a i 2 psát: Dále platí: Napětí u i nahradíme prahovým napětím U ip a výstupní napětí saturačním napětím U OS Pak lze psát: Rozdělíme zlomek vlevo na dva:

23 Druhý člen zleva převedeme na pravou stranu: Na pravé straně převedeme na společného jmenovatele: Vynásobíme celou rovnici odporem R 1 : A po úpravě dostáváme:

24 Invertující komparátor s hysterezí: Neinvertující komparátor s hysterezí:

25 Spočítejte a v měřítku nakreslete statickou převodní charakteristiku následujícího obvodu. U sat =  10V R1 = 10 k  R2 = 40 k 

26 Spočítejte a v měřítku nakreslete statickou převodní charakteristiku následujícího obvodu. U sat =  15V U r = + 5V R1 = 19 k  R2 = 76 k 

27 Spočítejte a v měřítku nakreslete statickou převodní charakteristiku následujícího obvodu. Předpokládejte, že dioda D je ideální. U sat =  12V R1 = 16 k  R2 = 48 k 

28 Spočítejte a v měřítku nakreslete statickou převodní charakteristiku následujícího obvodu. Předpokládejte, že dioda D je ideální. U sat =  10V U r = + 5V R1 = 17 k  R2 = 68 k 

29 Výstup komparátoru bývá obvykle vstupem logického obvodu. V případě použití OZ může vzniknout problém s napěťovým přizpůsobením. Proto se vyrábějí obvody určené speciálně pro tyto případy, které nemají aktivní výstup; jejich výstupní obvod je obvykle obdobou výstupu logického obvodu, tzv. výstupu s otevřeným kolektorem. Nelineárních aplikací OZ je nepřeberné množství. Pro alespoň částečné seznámení s touto problematikou zde uvedeme pouze několik typických příkladů. Vážnějším zájemcům o tuto problematiku je možno doporučit opět např. literaturu [2].

30 Příklady zapojení nelineárních obvodů s OZ Zavedení kladné zpětné vazby není jedinou možností, jak navrhnout nelineární systém s OZ. Jinou možností je vložení obvodových prvků s nelineární VA charakteristikou do záporné zpětné vazby OZ. Takto vznikne množství aplikací majících charakter omezovačů, ideálních usměrňovačů, generátorů nelineárních funkcí a podobných funkcí. Dosud jsme předpokládali, že výstupní napětí OZ nabývá při nelineární aplikaci OZ pouze hodnot saturačních napětí. Pro požadované napěťové přizpůsobení k následujícím obvodům je možno použít některých typů omezovačů (tvarovačů) s OZ. Jedno z nejjednodušších zapojení omezovače využívající OZ je na následujícím obrázku. V obvodu záporné zpětné vazby OZ je zapojena dioda (v tomto případě Zenerova), umožňující nelineárním průběhem své VA charakteristiky oboustranné nesymetrické omezení amplitudy na výstupu OZ.

31 Je-li vstupní napětí u i < 0, poteče diodou v propustném směru proud (předpokládáme, že odpor diody v propustném směru je ) Naopak, při kladném napětí u i se na výstupu zesilovače objeví napětí -Uz a diodou poteče proud Zenerovo napětí U Z diody však ve velké oblasti VA charakteristiky diody zůstává téměř konstantní; to znamená, že výstupní napětí OZ bude prakticky nezávislé na změnách vstupního napětí. Požadujeme - li tedy např. symetrické omezení vstupního napěťového průběhu, použijeme ve větvi záporné zpětné vazby dvojici antisériově zapojených Zenerových diod se shodnými hodnotami UZ

32 Pomocí OZ lze realizovat např. jednocestný operační usměrňovač (je znám též pod pojmem ideální dioda). Pomocí OZ lze eliminovat odpor diody v propustném směru i napětí otevřeného přechodu. Při popisu funkce obvodu podle schéma zapojení uvedeného na následujícím obrázku nebudeme pro jednoduchost uvažovat větev se vstupem U r. Pokud je u I < 0V je výstupní napětí OZ kladné, dioda D 1 je polarizována v propustném směru a omezuje výstupní napětí OZ na hodnotu jejího prahového napětí. Dioda D 2 je polarizována v nepropustném směru a výstup obvodu (u o ) je tedy prakticky odpojen od výstupu OZ; je připojen přes rezistor R 2 k invertujícímu vstupu OZ, na kterém se udržuje virtuální nula. Překročí - li vstupní napětí rozhodovací úroveň (závislou na U r ) směrem do kladných hodnot, dioda D 1 se uzavře. Otevře se však v propustném směru polarizovaná dioda D 2 a přes ní se do obvodu záporné zpětné vazby OZ zapojí rezistor R 2. Zesílení obvodu tedy bude dáno poměrem odporů R 1 a R 2 (též směrnice přímky na statické charakteristice obvodu); na výstupu OZ bude napětí zápornější (o napětí diody D2) než na výstupu obvodu. Změnou polarity a hodnoty referenčního napětí je možno posouvat statickou charakteristiku obvodu po ose u I

33 Pro získání absolutní hodnoty vstupního signálu (dvoucestně usměrněného napětí) můžeme použít např. zapojení uvedené na následujícím obrázku. Levá část obvodu s OZ A je zapojena jako jednocestný operační usměrňovač. Pravá část obvodu s OZ B pak jako součtový zesilovač. Pro polaritu u I > 0V se na výstupu obvodu objeví (pro uvedené vzájemné poměry odporů) napětí u I se zesílením -1 v součtu s výstupem OZ A (-u I ) se zesílením -2. To znamená, že u O = u I. Pro polaritu u I < 0V je na výstupu OZ A nulové napětí, takže u O = - u I

34 Astabilní klopný obvod s OZ Astabilní klopný obvod je aktivním zdrojem kmitů s pevnou frekvencí a definovaným tvarem výstupních impulzů. V oblasti kmitočtů 0,1Hz až 100kHz je výhodné a jednoduché řešení s použitím operačních zesilovačů, které zaručí vysokou stabilitu a stálost parametrů. Lepší řešení vykazuje pouze řešení s krystalem řízenými generátory. Základem je komparátor inverujícího typu doplněný o RC obvod zapojený do invertujícího vstupu OZ.

35

36

37

38

39 Příklad zapojení klopného obvodu s OZ Jako příklad zapojení klopného obvodu s OZ si zde uvedeme jedno z možných zapojení astabilního klopného obvodu (AKO), viz následující obrázek. Základem je zapojení invertujícího komparátoru s hysterezí. Kapacitor C je nabíjen z výstupu OZ přes rezistor R 3, resp. přes paralelní kombinaci R 3 a R 4. Frekvenci kmitů obvodu, resp. periodu, lze odvodit z popisu průběhu napětí na kapacitoru. Napětí na kapacitoru má exponenciální průběh s amplitudou danou šířkou hysterezní smyčky komparátoru.

40

41 Literatura: 1.Hlinovský M., Honců J., Němeček P., Vysoký O.: ELEKTRONICKÉ SYSTÉMY - Návody ke cvičením, skriptum ČVUT FEL, Praha 2006 2.Punčochář J.: OPERAČNÍ ZESILOVAČE v elektronice, BEN – technická literatura, Praha 1999