Programy CAD w praktyce inŜynierskiej
advertisement
Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej Programy CAD w praktyce inŜynierskiej dr inż. Piotr Pietrzak [email protected] pok. 54, tel. 631 26 20 www .dmcs.p.lodz.pl Łódź, 2010 Plan wykładu • Wzmacniacze operacyjne i pomiarowe (parametry, podstawowe konfiguracje układowe, symulacje) – 7 godz. • Aktywne filtry analogowe – 4 godz. • Systemy pomiarowe – 0,5 godz. • Multipleksery i klucze analogowe – 0,5 godz. • Przetworniki A/C i C/A – 1 godz. • Wybrane problemy zasilania układów elektronicznych – 1 godz. Wzmacniacze operacyjne Literatura Horowitz P., Sztuka elektroniki, Cz. 1, WKŁ Warszawa1999 Tietze U., Schenk C., Układy półprzewodnikowe, WNT Warszawa 1997 Górecki P., Wzmacniacze operacyjne: zastosowania, Wyd. BTC Warszawa 2002 podstawy, aplikacje, Coughlin R. F., Operational Amlifiers and linear Integrated Circuits, PRENIICE HALL 1987 Linear Design Seminar, ANALOG DEVICES 1994 Ogólna struktura systemów kontrolno-pomiarowych MONITORING/NANDZÓR/STEROWANIE AKWIZYCJA DANYCH POMIAROWYCH Kondycjonowanie Wzorzec pomiarowy Przetwarzanie analogowo cyfrowe Pamięć programu Czujniki Nadzorowany obiekt Układ sterowania Kryteria stanu, wartości graniczne Bufor danych Układy przetwarzania i analizy informacji pomiarowej Układy kontroli i porównywania z wielkościami zadanymi Pamięć danych Wynik porównania (alarmy) Użytkownik Wzmacniacze operacyjne Funkcje wzmacniacza w systemie POZYTYWNE • • • • • Wzmocnienie sygnału Dopasowanie poziomów napięć Dopasowanie impedancji Porównywanie sygnałów Realizacja operacji matematycznych na sygnałach analogowych (np. sumowanie, całkowanie, różniczkowanie, logarytmowanie) • Automatyczna regulacja wzmocnienia • Modulacja • Generacja sygnałów • • • • NEGATYWNE Ograniczenie pasma przenoszenia Zmiana fazy sygnału (jego składowych częstotliwościowych) Wprowadzanie zakłóceń własnych (szumy, U0, I0 Iwej, Rwyj) Zmiana parametrów wzmacniacza w funkcji czasu, temperatury i napięcia zasilania Pojęcia podstawowe Skala decybelowa (1) W pomiarach dynamicznych, ze względu na dużą rozpiętość mierzonych wartości, wygodnie jest posługiwać się względną skalą logarytmiczną, tzw. skalą decybelową [dB]. Początek skali decybelowej (0dB) stanowi umowna wartość, przyjęta za poziom odniesienia. xPWR [dB ] L = 10 log x0 PWR L - poziom wyrażony w decybelach XPWR - kwadrat wartości skutecznej sygnału (proporcjonalny do energii rozważanego procesu) XPWR - przyjęty poziom odniesienia Przyjmuje się, że poziom wyrażony w decybelach jest wynikiem logarytmowania wielkości fizycznych wprost proporcjonalnych do energii procesu (np. energia drgań). W przypadku proporcjonalności pomiędzy energią a kwadratem danej wielkości fizycznej (np. wartość skuteczna sygnału), powyższa zależność przyjmuje postać: xRMS L = 20 log x0 RMS [dB ] Pojęcia podstawowe Skala decybelowa (2) W celu umożliwienia korzystania z ujednoliconej skali decybelowej dla różnego typu wielkości, zdefiniowano dla nich charakterystyczne poziomy odniesienia. Przemieszczenie Prędkość Przyspieszenie Siła Energia x Ld = 20 log [dB ] x0 v Lv = 20 log [dB ] v0 a La = 20 log [dB ] a0 P LP = 20 log [dB ] P0 E LE = 10 log [dB ] E0 x0 = 10 −11 m v0 = 10 −8 m s a0 = 10 −5 m s 2 P0 = 10 −6 N E0 = 10 −12 J Poziom ciśnienia akustycznego (gazy) p L p = 20 log [dB ] p0 p0 = 2 ⋅10 −5 Pa Poziom ciśnienia akustycznego (ciecze) p L p = 20 log [dB ] p0 p0 = 10 −6 Pa Poziom mocy akustycznej Poziom natężenia dźwięku Poziom gęstości energii N LN = 10 log a [dB ] N0 I LI = 10 log a [dB ] I0 ε L = 10 log [dB ] ε0 N 0 = 10 −12 W I 0 = 10 −12 W m 2 ε 0 = 10−12 J m 3 Pojęcia podstawowe Odstęp mocy sygnału od mocy szumu S/N (ang. Signal to Noise Ratio) Odstęp mocy sygnału od mocy szumu (ang. Signal to Noise Ratio, S/N, SNR) określa ile razy moc sygnału użytecznego jest większa od mocy szumów. Na stosunek S/N wpływ ma poziom sygnału na wejściu elementu aktywnego i jego współczynnik szumów, który powinien być podany w dokumentacji technicznej wraz z informacją, czy jest to wartość maksymalna, międzyszczytowa, czy skuteczna. Dla przykładu, Polska Norma mówi że minimalna wartość stosunku S/N dla telewizji powinien wynosić 43 dB a dla radiofonii UKF–FM 55 dB. Wzmacniacze operacyjne Budowa i zasada działania Wzmacniacz operacyjny jest różnicowym wzmacniaczem prądu stałego o bardzo dużej wartości wzmocnienia dla sygnału różnicowego doprowadzonego do jego wejść. Podstawowe założenia: • jeżeli w obwodzie wzmacniacza operacyjnego występuje ujemne sprzężenie zwrotne, wówczas sygnał na wyjściu wzmacniacza przyjmuje wartość, dla której różnica napięć na wejściach wzmacniacza jest równa zeru • rezystancja wejściowa wzmacniacza jest nieskończenie duża, dzięki czemu prądy wejściowe wzmacniacza są równe zeru U+ U- I+=0 I-=0 Uwe Uwy Uwy = A Uwe = A (U+- U-) Wzmacniacze operacyjne Budowa wewnętrzna Wzmacniacze operacyjne najczęściej monolitycznych układów scalonych. realizowane są w postaci Wzmacniacze operacyjne Sprzężenie zwrotne (1) Zewnętrzne elementy elektroniczne włączone pomiędzy wyjście a wejście wzmacniacza operacyjnego stanowią tzw. sprzężenie zwrotne. Sposób realizacji sprzężenia zwrotnego ma zasadniczy wpływ na parametry układu elektronicznego wykorzystującego wzmacniacz operacyjny. Vo = A ⋅ (Vs − βVo ) A Vo = ⋅Vs 1 + Aβ ( Vok +1 = A ⋅ Vsk +1 − βVok Jeśli sprzężenie zwrotne ma charakter dodatni, to wzmacniacz operacyjny nigdy nie osiągnie stanu równowagi napięć na jego wejściu. W przypadku sygnałów o wysokich częstotliwościach, przesunięcie fazowe może być tak duże, że ujemne sprzężenie zwrotne będzie miało dla tych sygnałów charakter sprzężenia dodatniego. ) Wzmacniacze operacyjne Sprzężenie zwrotne (2) Dzięki odpowiedniej realizacji sprzężenia zwrotnego, możliwa jest realizacja: • Wzmacniaczy liniowych • Wzmacniaczy nieliniowych – dla sprzężenia zwrotnego o parametrach zależnych od amplitudy sygnału • Wzmacniaczy korekcyjnych – dla sprzężenia zwrotnego o parametrach zależnych od częstotliwości sygnału • Źródeł prądowych o bardzo dużej impedancji wyjściowej • Źródeł napięciowych o bardzo małej impedancji wewnętrznej • Generatorów Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz odwracający (1) R2 R1 IN 6 INOUT 5 7 OUT IN+ UIN+ = 0 → UIN- = 0 Stąd: UR2 = UOUT UR1 = UIN UOUT/R2 = - UWE/R1 UOUT/ UWE = - R2 /R1 = NG Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz odwracający (2) model Wzmacniacze operacyjne - podstawowe układy pracy Wzmacniacz nieodwracający R1 R2 6 6 INOUT IN 5 7 INOUT OUT IN 5 7 IN+ IN+ UIN- = UIN UOUT/ UWE = 1+R2 /R1 = NG UIN- = UOUTR1/(R1+R2) OUT Wzmacniacze operacyjne - parametry Model błędów WEJŚCIOWE NAPIĘCIE NIEZRÓWNOWAŻENIA (OFSET) NAPIĘCIOWE ŻRÓDŁO SZUMÓW IMPEDANCJA WEJŚCIOWA IMPEDANCJA WYJŚCIOWA RZECZYWISTA CHARAKTERYSTYKA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA PRĄD WEJŚCIOWY ŻRÓDŁO PRĄDOWE SZUMÓW Wzmacniacze operacyjne - parametry Wzmacniacze dla układów kondycjonowania sygnału Wzmacniacze operacyjne - parametry Niezrównoważenie wzmacniacza • Wejściowe napięcie niezrównoważenia (ang. Input Offset Voltage, VOS) [µV, mV] • Prąd wejściowy (polaryzacji) (ang. Input Bias Current, IB) [pA, nA] • Wejściowy prąd niezrównoważenia (ang. Input Offset Current, IOS) [pA] • Temperaturowy współczynnik zmian wejściowego napięcia niezrównoważenia (ang. vs. Temperature) [µV/°C] • Temperaturowy współczynnik zmian prądu wejściowego (ang. vs. Temperature) [pA/°C] Wzmacniacze operacyjne - parametry Model niezrównoważenia wzmacniacza Parametr NG (Noise Gain) oznacza wzmocnienie układu dla małych sygnałów napięciowych podanych na jego wejście. Wartość NG jest równa wzmocnieniu sygnału dla układu pracującego w konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego. RTI (total offset voltage referred to input) – całkowite napięcie niezrównoważenia na wejściu układu RTO (total offset voltage referred to output) – całkowite napięcie niezrównoważenia na wyjściu układu Wpływ prądu niezrównoważenia na wartość napięcia niezrównoważenia można zminimalizować poprzez zastosowanie rezystora R3 o wartości odpowiadającej R1||R2 Wzmacniacze operacyjne - parametry Źródła szumów Szumami elektrycznymi nazywa się każdy niepożądany sygnał zakłócający odczyt informacji zawartej w sygnale użytecznym. Powyższa definicja pozwala zaliczyć do szumów wszystkie sygnały, które pojawią się na wyjściu układu z przyczyn nieprzewidzianych przez konstruktorów aparatury. Mogą to być zarówno sygnały okresowe, stałe jak i stochastyczne. Występowanie zjawiska szumów elektrycznych wynika bezpośrednio z: • istnienia ładunku elementarnego, a w związku z tym z nieciągłością przepływu ładunku; • z istnieniem określonej energii, jaką przenoszą nośniki ładunku umieszczone w sieci krystalicznej przewodnika – w wyniku istnienia fluktuacji ładunku, w przewodnikach znajdujących się w niezerowej temperaturze obserwuje się przypadkowe zmiany napięcia na elementach oporowych (nazywanych szumem termicznym). Wzmacniacze operacyjne - parametry Źródła szumów Szumy Johnsona (termiczne) spowodowane są fluktuacją gęstości nośników prądu płynącego przez elementy elektroniczne o niezerowej rezystancji, czego wynik stanowią fluktuacje napięcia obserwowanego na ich zaciskach U n = 4kTRB k - stała Boltzmana (1,38*10 J/K) R - rezystancja (om) T - temperatura (K) B - pasmo przenoszonych częstotliwości (Hz) Dla temperatury 25ºC podana zależność upraszcza się do postaci U’n = 1/8* RB Szumy termiczne określają dolną występowania szumów w układzie. granicę Wartość skuteczna szumów termicznych może zostać określona w sposób zadawalający. Wartość chwilowa może być określona tylko w sensie prawdopodobieństwa. Wzmacniacze operacyjne - parametry Źródła szumów Szumy śrutowe typu SCHOTTKY (SHOT) wywołane są fluktuacjami prądu związanymi z nieciągłością ładunku podczas jego przenoszenia przez barierę potencjału (przypadkowa emisja elektronów lub dziur). Powstawanie dodatkowych stanów energetycznych powodują także defekty sieci krystalicznej w półprzewodniku. Is = 5.7 * 10 * IZ * B IZ - prąd złącza (pA) B - pasmo przenoszonych częstotliwości (Hz) Szumy śrutowe występują w elementach półprzewodnikowych i lampach elektronowych. Jest to szum biały - gęstość widmowa mocy szumu jest stała. Wartość chwilowa ma rozkład normalny. Wzmacniacze operacyjne - parametry Źródła szumów Szumy wybuchowe (Burst Noise, Popcorn Noise) mogą występować zarówno w wyniku występowania zanieczyszczeń oraz niedoskonałości materiału, z którego wykonany został element elektroniczny, jak i z powodu zakłóceń zewnętrznych, np. wyładowania atmosferyczne. Szumy o niezdefiniowanym rozkładzie prawdopodobieństwa. Parametrem maksymalna napięcia. opisującym jest wartość skoków Amplituda zwykle 2 do 100 razy amplitudy szumów cieplnych. Wzmacniacze operacyjne - parametry Źródła szumów Szumy typu 1/F (nadmiarowe) są związane z niedoskonałą strukturą elementów półprzewodnikowych, są to szumy których gęstość mocy rośnie w miarę obniżania częstotliwości sygnału. Poziom szumów typu 1/f jest uwarunkowany procesem wytwarzania przyrządów półprzewodnikowych, z procesem technologicznym oraz z materiałami zastosowanymi do wytwarzania tych przyrządów. Szumy typu 1/F są definiowane poprzez gęstość widmową mocy szumu w funkcji częstotliwości (krzywa typu 1/F). Jej wartość jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości (szum różowy). Gęstość widmowa napięcia szumów jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka częstotliwości. Pierwszy zakres: Ef1=k*ln(F2/F1) k – gęstość spektralna szumu dla częstotliwości 1Hz Drugi zakres: Ef2 = e* (F2 - F1) e – gęstość spektralna szumu powyżej częstotliwości granicznej (dla której gęstość widmowa mocy szumu 1/f jest równa gęstości widmowej mocy szumu białego) Wzmacniacze operacyjne - parametry Szumy (1) • Współczynnik gęstości szumów napięcia wejściowego (ang. Input Voltage Noise Density, en) [nV/√Hz] • Współczynnik gęstości szumów prądu (ang. Current Noise Density, en) [fA/√Hz] Vnw – współczynnik gęstości szumów FL – dolna częstotliwość mierzonego sygnału FH – górna częstotliwość mierzonego sygnału FC – częstotliwość graniczna szumu 1/f Dla precyzyjnych wzmacniaczy bipolarnych FC jest mniejsza od 1Hz, dla wzmacniaczy z tranzystorami FET na wejściu wynosi kilkaset herców, a dla wzmacniaczy szybkich może sięgać nawet kilku tysięcy herców. Wzmacniacze operacyjne - parametry Szumy (2) Dla: Dla wyższych częstotliwości równanie na skuteczną wartość napięcia szumów (RMS) przyjmuje postać: Jeżeli FH >> FL : Dla bardzo niskich częstotliwości, gdy FC >> (FH – FL): Wzmacniacze operacyjne - parametry Model szumów wzmacniacza Model zakłada występowanie w sprzężeniu zwrotnym jedynie rezystorów. Jeśli oprócz rezystancji sprzężenie zawiera elementy reaktancyjne (najczęściej pojemności), poziom szumów zmienia się wraz z częstotliwością!!! RTO RTI Wzmacniacze operacyjne - parametry Wpływ wartości rezystancji źródła sygnału na sygnał szumu Dla wzmacniacza OP27 pracującego w konfiguracji układu nieodwracającego: • współczynnik gęstości szumów napięciowych: 3nV/√ √Hz, • współczynnik gęstości szumów prądowych: 1pA/√ √Hz, w temperaturze 25°C Pogrubione obramowanie oznacza składnik dominujący w sygnale szumów
