Liniowe układy scalone - degra.pb.bialystok.pl
advertisement
Liniowe układy scalone Układy wzmacniaczy operacyjnych z elementami nieliniowymi: prostownik liniowy, ograniczniki napięcia, diodowe generatory funkcyjne układy logarytmujące i alogarytmujące, układy mnożące i dzielące. Prostownik liniowy ● ● ● Umieszczenie diod w pętli sprzężenia zwrotnego powoduje, że przewodzą one nawet przy małych wartościach napięcia W prostowniku konwencjonalnym do przewodzenia diody potrzebne jest 0,6 – 0,7 V Dioda element nieliniowy – prostownik liniowy Prostownik liniowy ● ● ● ● ● ● R1=R2=R3, D1, D2 – diody krzemowe o bardzo małym prądzie wstecznym Zakładamy UI ujemne, wtedy na WY wzmacniacza napięcie jest dodatnie D1 – spolaryzowana wstecznie, przez D2 płynie prąd, czyli UO=-UI Jeżeli UI jest dodatnie to napięcie wyjściowe wzmacniacz jest ujemne co powoduje odcięcie D2. Ponieważ jeden zacisk R3 dołaczony jest do masy pozornej, więc UO=0 R2 i D1 utrzymują symetrię układu zapobiegając nasyceniu wzmacniacza przy dodatnich połówkach sygnału wyjściowego Ograniczniki napięcia ● ● ● ● ● Używają nieliniowych elementów w układzie sprzężenia zwrotnego – diody, tranzystory, diody Zenera Służą do kształtowania przebiegów napięciowych (np. prostokątnych przez usunięcie górnej lub dolnej części przebiegu wejściowego) Wadą zwykłych ograniczników jest mała skuteczność – dioda nie ma zerowej rezystancji przewodzenia i nieskończonej zaporowej Lepsze rezultaty – ograniczniki ze sprzężeniem zwrotnym W ogranicznikach ze sprzężeniem zwrotnym szeregowy lub równoległy układ ograniczający zapewnia skokową zmianę współczynnika sprzężenia zwrotnego – czyli wzmocnienia z zamkniętą pętlą Ogranicznik napięcia z diodą półprzewodnikową ● ● ● Prosty szeregowy ogranicznik diodowy D zaczyna przewodzić, gdy UI przekroczy wartość napięcia potrzebnego do przewodzenia diody Napięcie wyjściowe jest ograniczone do wartości: R3 R3 U m = U R 1 UF R2 R2 Ogranicznik napięcia z diodą półprzewodnikową ● Wzmocnienie bez ograniczenia jest równe: RF Auf =− R1 ● Z ograniczeniem: R F R3 Auf = R F R3 R1 ● Nachylenie ch-ki przenoszenia lub wzmocnienie w obszarze ograniczanym może zbliżyć się do zera, jeśli R3 << R1 Ogranicznik napięcia z diodami Zenera ● ● ● Wartości napięć przy których występuje ograniczenia są ustalone przez napięcie Zenera i UF na diodzie Układ działa prawidłowo jeżeli rezystancja rT (w kier. przew.) jest pomijalna w porównaniu z RF Diody powinny mieć małą rezystancję rz (dynamiczną) aby uniknąć zniekształceń ch-ki w miejscu ograniczania Ogranicznik napięcia z diodami Zenera ● Wada - błędy spowodowane termicznymi zmianami napięcia Zenera, dużym prądem upływowym diody oraz jej dużą pojemnością ograniczającą szybkość działania Ogranicznik napięcia z diodami Zenera z możliwością regulacji ● Regulację napięcia ograniczenia uzyskuje się doprowadzając do diody Zenera część napięcia wyjściowego z potencjometru R Regulacja od : ±U F U Z do: wartości napięcia nasycenia Ogranicznik napięcia z mostkiem diodowym ● ● ● ● Dioda Zenera stale przewodzi Ograniczanie napięć (+) - przy przewodzeniu D1 i D3 a napięć (-) przy przewodzeniu D2 i D4 Ponieważ ta sama dioda powoduje obcinanie w obu kierunkach, więc można uzyskać lepszą symetrię chki niż w poprz. układach Poprawa szybkości działania – dzięki ciągłemu przewodzeniu diody Zenera nie następuje ładowanie i rozładowywanie jej dużej pojemn., a jedynie małych pojemności D1 - D4 Obcinanie następuje przy ∣U Omax∣=U Z 2U F U Z −napięcie Zenera ● Dobra stabilność termiczna progu U F −napięcie na diodzie w kier. przew. obcinania - dzięki wzajemnej kompensacji napięć UZ i UF Ogranicznik napięcia z mostkiem diodowym o dużej dokładności ● ● ● ● E 1 R 2 R6 U Omax = R2 R6 R2 R 4R4 R6 −E 2 R 2 R6 U Omin= R2 R6 R2 R5R5 R6 ● W obszarze liniowym wszystkie diody przewodzą, wzmocnienie równe - R2 / R1 Ograniczenie od góry – diody D1 i D4 odcięte Ograniczenie od dołu – D2 i D3 odcięte Wtórnik W2 uniezależnia wartości napięć ograniczających od zmian obciążenia układu Diody Zenera – zabezpieczają przed przeciążeniem Diodowe generatory funkcyjne ● ● ● ● ● ● Zadanie: wytwarzanie przebiegów (krzywych) aproksymowanych Zastosowanie liniowej aproksymacji odcinkowej do żądanego przebiegu Dokładność zależy od liczby zastosowanych odcinków Całą krzywą w postaci łamanej tworzy się przez sumowanie poszczególnych odcinków wytwarzanych oddzielnie, tzn. każdy z odcinków ma odpowiednie napięcie określające punkt załamania i nachylenie Podstawowy element- ogranicznik diodowy Zastosowanie: linearyzacja charakterystyk (np. termistorów), generacja przebiegów o określonym kształcie, wykonywanie niektórych operacji arytmetycznych na sygnałach analogowych Diodowy generator funkcyjny z ograniczeniem równoległym Diodowy generator funkcyjny z ograniczeniem równoległym ● Nachylenia: RF RF N 1=− 2R 1 R3 RF R F RF N 2=− 2R 1 2R 2 R3 RF R F N 3=− 2R 2 R3 Diodowy generator funkcyjny z ograniczeniem szeregowym Diodowy generator funkcyjny z ograniczeniem szeregowym ● Nachylenia: RF RF N 1=− R 2 R5 −R F N 2= R5 RF RF N 3 =− R1 R5 Układ logarytmujący ● ● Połączenie wzmacniacza operacyjne go z elementem o chce wykładniczej umieszczonym w pętli sprzężenia zwrotnego Element nieliniowy: dioda, tranzystor lub diodowe generatory funkcyjne aproksymujące funkcje wykładniczą ● Najczęściej stosuje się tranzystor krzemowy ● Równanie Ebersa-Molla: I C =0 I EO e qU BE kT −1 − I CO e qU BE kT −1 IEO, ICO – zwrotne prądy nasycenia złącza kolektorowego i emiterowego α0 – współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w układzie wspólnej bazy Układ logarytmujący ● ● Napięcie między bazą a kolektorem jest utrzymewane na poziomie bliskim 0 Zakładając UBC≈0 oraz α0≈1 i napięcie UBE > 100mV uzyskuje się zależność: I C =I EO e ● ● Zmiana napięcia wyjściowego: ok. 60 mV na dekadę qU BE kT Obowiązyje w zakresie prądów od pA do setek μA W układzie UO = - UBE, a prąd kolektora IC= II, wstawiając do powyżdzego, mamy II kT U O ≈− ln q I EO Układ logarytmujący - cechy ● ● ● Zakres zależności logarytmicznej jest ograniczony: – z góry do takich wartości prądu wejściowego, przy których zaczynają mieć znaczący wpływ spadki napięć na rezystancji obszaru bazy i emitera – Z dołu wartością napięcia wyjściowego nie mniejszą od 100 mV (z założeń) Zamiast sygnału prądowego można doprowadzić sygnał napięciowy przez rezystor o odpowiedniej wartości – ogranicza to dynamiczny zakres logarytmowania z powodu błędu wywołanego napięciem niezrównoważenia Wady: – Zbyt małe zmiany napięcia wyjściowego przy zmianie prądu wejściowego – Silna zależność sygnału wyjściowego od temperatury Układ logarytmujący z kompensacją ● ● ● ● R2 U BE1=U BE2 −U O R1 R2 ● Dodatkowy tranzystor kompensujący T2 Dzięki sprzężeniu zwrotnemu realizowanemu przez W2 prąd kolektora T2 jest równy prądowi odniesienia IR IR kT U BE2= ln q I EO2 Ponieważ na wejściu (-) W2 jest potencjał bliski zero, więc IR można uzyskać za pomoca rezystora dołaczonego do +UZZ R1 i R2 dobrane tak, aby dzielnik nie był obciążony prądem bazy T2, więc Układ logarytmujący z kompensacją ● Poniważ napięcie między bazą a emiterem T1: II kT U BE1= ln q I EO1 ● Podstawiając wartości UBE1 i UBE2 można wyznaczyć UO R1 R2 kT I I I EO2 U O =− ln R2 q I R I EO1 ● Przy zastosowaniu symetrycznej pary tranzystorów T1 i T2 R1R 2 kT I I U O =− ln R2 q IR ● ● Eliminacja wpływu zmian termicznych prądów na napięcie wyjściowe Większy stosunek zmian napięcia wyjściowego: dla R1= 15,7 R2, mamy 1 V na dekadę Układ alogarytmujący ● Realizuje funkcję wykładniczą ● Napięcie wyjściowe U O ≈ RI EO e qU BE kT Układ alogarytmujący z kompensacją ● ● ● ● Przy podanych wartościach elementów: −U I U O =10 Wzmacniacz W1 w połączeniu z T1 steruje emiter tranzystora T2 prądem proporcjonalnym do napięcia wejściowego Prąd kolektora T2 zmienia się wykładniczo w funkcji zmiany napięcia baza-emiter We wzm. W2 prąd ten jest przetwarzany na napięcie T1 i T2 powinny być parą symetryczną Układy mnożące i dzielące ● ● ● Były podstawowymi elementami maszyn analogowych – czasami nadal stosowane Można je stosować jako układy automatycznej regulacji wzmocnienia i detektory fazy Metody mnożenia: – Metoda logarytmowania i alogarytmowania – Metoda kwadraturowa – Metoda modulacji szerokości i amplitudy impulsów – Metoda sterowanego podziału prądów Metoda logarytmowania i alogarytmowania U X U Y =alog log U X log U Y przy czym U X 0, U Y 0 Metoda logarytmowania i alogarytmowania – przykład praktyczny układu jednoćwiartkowego ● ● ● ● ● Realizuje mnożenie i dzielenie W1, W2, W3 układy logarytmujące W4- układ alogarytmujący T4 właczono w taki sposób że UBE4 jest proporcjonalne do (UBE1+UBE2-UBE3) a więc do wartości (lnUX+lnUY-lnUZ) Prąd kolektora T4 jest proporcjonalny do iloczynu UX i UY dzielonego przez UZ Układ mnożący jednoćwiartkowy - dalej ● W4 jest konwerterem prąd napięcie dającym UO U X UY U O =k UZ ● k jest wsp. proporcjonalności R8 R11 k= R1 R4 ● ● ● T1 i T3 oraz T2 i T4 – powinny być parami symetrycznymi Zaleta – dobra stabilność termiczna wynikająca z wzajemnej kompensacji zmian cieplnych tranzystorów Potencjometr R13 – do symetryzacji punktów pracy tranzystorów Metoda kwadraturowa ● Metoda kwadraturowa (quarter-square) jest oparta na przekształceniu: 2 U X U Y U X −U Y U X U Y= − 4 4 2 Metoda modulacji szerokości amplitudy ● ● ● Uzyskuje się przebieg prostokątny o szerokości półokresów dodatniego i ujemnego modulowanej jednym z napięć wejściowych i o amplitudzie zależnej od wartości drugiego napięcia wejściowego Wartość średnia takiego przebiegu jest proporcjonalna do iloczynu napięć wyjściowych Najdokładniejsza – 0,01 % - 0,1 % przy częstotliwości granicznej ok. 200 Hz Metoda sterowanego podziału prądów ● ● ● ● inaczej metoda doboru stosunków prądów (current rationing) Korzysta się tu z własności różnicowych symetrycznych par tranzystorów bipolarnych Metoda najszybsza – 10 MHz przy dokładności 0,5 – 2 % Dla porównania: metoda log-alog: dokładność 0,1 – 0,5 % przy częstotliwości granicznej 250 kHz
