Liniowe układy scalone - degra.pb.bialystok.pl
advertisement
Liniowe układy scalone Wykład 3 Układy pracy wzmacniaczy operacyjnych całkujące i różniczkujące Cechy układu całkującego ● ● ● ● Zamienia napięcie prostokątne na trójkątne lub piłokształtne (stała czasowa układu) Zastosowanie wzmacniacza operacyjnego pozwala osiągnąć napięcie piłokształtne o dużym współczynniku liniowości Napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do całki z napięcia wejściowego i odwrócone w fazie Zastosowanie: w generatorach funkcyjnych, przetwornikach a/c Wzmacniacz całkujący (1) Poprzez zastosowanie we wzm. odwr.impedancji 1 Z 1= R oraz Z 2= sC otrzymujemy układ integratora Z − punkt masy pozornej Napięcie na kondensatorze jest równe U O dU o I 2 t =C dt I 1= I 2 UI dU O =C R dt t −1 U O t= ∫ U t dtU O 0 RC 0 I U O 0−napięcie początkowe na C w chwili t =0 U O s 1 Funkcja przejścia : =− U I s RCs Wzmacniacz całkujący z sumowaniem ● Inaczej: Integrator sumujący t U O t= −1 U 1U 2...U n dt ∫ CR 0 Wzmacniacz całkujący z układem RC w pętli sprzężenia zwrotnego ● ● Zastosowanie R3 ogranicza wzmocnienie przy m.cz. i poprawia stabilność punktu pracy układu Funkcja przejścia: U O s −R3 1 = U I s R1 1R3 Cs 1 f 2 R3 C Inne układy integratorów (1) t R1 −1 U O t = ∫ U dt R U I CR1 0 I 2 Wzmacniacz całkujący różnicowy t U O t = 1 U I2 U I1 dt ∫ CR 0 Wzmacniacz z podwójnym całkowaniem ● ● Elementy dobrane w ten sposób aby następowało dwukrotne całkowanie z tą samą stałą czasową Filtr dolnoprzepustowy U O t= 4 U I dt 2 ∫∫ CR Wzmacniacz całkujący nieodwracający (1) ● Funkcja przejścia U O s 1 1RCs = U I s 1 R1 C 1 s RCs ● Przy doborze jednakowych stałych czasowych R1 C 1=RC U O s 1 = U I s RCs Wzmacniacz całkujący nieodwracający (2) ● Funkcja przejścia R1 R2 1 Cs U O s R2 R1 R2 =1 U I s R1 1R 2 Cs ● Zakres częstotliwości R1 R2 1 f 2 R 2 C 2 R1 R2 C Ustawienie początkowych warunków pracy integratora ● ● Przy zamkniętym K2 a otwartym K1 układ wzm. Odwracającego Ustawiamy napięcie początkowe U O= ● t −1 U O t = U I t dtU O 0 ∫ R1 C 0 ● −R f U ZZ R2 Otwieramy K2, zamykamy K1 – mamy integrator Oba klucze otwarte – układ utrzymuje punkt napięcia wyjściowego Ustawienie warunków początkowych integratora (2) ● ● Czas pamiętania zależy od upływności kondensatora (w układzie rzeczywistym też od prądów wejściowych wzmacniacza) Integrator pracuje tak jak układ próbkujący z pamięcią Charakterystyka częstotliwościowa integratora ● Pasmo przenoszenia integratora jest mniejsze niż wzmacniacza operacyjnego – ze względu na kondensator Właściwości elementów układu integratora ● ● ● ● ● ● Jeżeli przez kondensator będzie płynął nawet mały prąd to integrator będzie pracował jako wzmacniacz Kondensatory powinny mieć prąd upływu znacznie mniejszy niż wejściowy prąd polaryzujący wzmacniacza operacyjnego Dla długich czasów trwania przebiegu całkowania zaleca się kondensatory polistyrenowe i teflonowe Dla krótkich czasów całkowania zaleca się kondensatory poliestrowe lub mikowe Wzmacniacz operacyjny powinien mieć bardzo mały prąd i napięcie niezrównoważenia Wzmacniacz operacyjny powinien mieć dość dużą wartość dopuszczalnego napięcia wyjściowego Praktyczny integrator z kompensacją ● ● Kompensacja wejściowego prądu polaryzującego – wartość prądu kompensującego dobieramy potencjometrem tak, aby była równa wejściowemu prądowi polaryzującemu Kompensacja temperaturowa – współczynnik cieplny diody powinien być równy współczynnikowi zmian termicznych wejściowego prądu polaryzującego Cechy układu różniczkującego ● ● ● ● Zamienia napięcie prostokątne na impulsowe W układzie różniczkującym napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do pierwszej pochodnej napięcia wejściowego i odwrócone w fazie Różniczkowanie jest tym skuteczniejsze (impulsy bardziej szpilkowe) im stała czasowa ładowania i rozładowania kondensatora jest mniejsza Zastosowanie – układy wyzwalania przerzutników bistabilnych i monostabilnych, w układach sterowania Wzmacniacz różniczkujący Poprzez zastosowanie we wzm. odwr. impedancji 1 Z 1= oraz Z 2 =R 2 sC otrzymujemy układ różniczkujący Z2 U O s K =− czyli =−R 2 Cs Z1 U I s Układ realizuje rózniczkowanie sygnału wejściowego dU I U O=−R2 C dt W celu zmniejszenia wpływu prądów polaryzujących R2 =R3 ● Układ idealny – wzmocnienie powinno wzrastać proporcjonalnie do częstotliwości – praktycznie tylko w pewnym zakresie częstotliwości (co zależy od własności częstotliwościowych wzmacniacza operacyjnego Wady układu różniczkującego (1) ● ● ● Duża wrażliwość na szumy wysokiej częstotliwości Pojemnościowy charakter impedancji wejściowej, niekorzystny ze względu na pojemnościowe obciążenie sygnału Skłonność do oscylacji – wynika z charakteru sprzężenia zwrotnego Wzmacniacz różniczkujący charakterystyka W układzie idealnym – wzmocnienie rośnie w pełnym zakresie częstotliwości W praktycznym – wzmocnienie ograniczone charakterystyką wzmacniacza Wzmacniacz różniczkujący (2) ● ● ● ● U O s −R2 C 1 s = U I s 1R1 C 1 s1 R2 C 2 s Unika się wad układu (1) R1- zmniejsza wpływ pojemności na wejściu C2 – zmienia ch-kę częstotliwościową pętli sprzężenia zwrotnego – poprawia stabilność Impedancja ma charakter pojemnościoworezystancyjny Wzmacniacz różniczkujący (2) charakterystyka Wzmacniacz różniczkujący (3) ● ● ● Impedancja wejściowa ma charakter całkowicie rezystancyjny Z I =R1∥R 2 Mniejszy wpływ szumów Układ realizuje różniczkowanie przy: f ● Dobre właściwości szumowe są spowodowane całkowaniem szumów w pierwszym stopniu wzmacniającym 1 2 R1 C wówczas −R1 R3 U O s= CsU I s R2 −R1 R3 dU I U O t = C R2 dt Wzmacniacz różniczkujący (4) ● ● Stała czasowa rózniczkowania :CR R R22 R R=2R 2 R3 jeżeli R3 ≪R 2 Układ o dużej stałej czasowej Trudno jest zbudować układ dużej stałej czasowej- ze względu na upływność kondensatorów o dużych pojemnościach i pojemności pasożytnicze rezystorów ● Stosujemy układ typu T ● Dla stabilnej pracy: R 4=R R Wzmacniacz różniczkujący (5) ● ● Stała czasowa rózniczkowania :C R R 2 2 C1 C R= 2C1 C 2 Układ o małej stałej czasowej Trudno jest zbudować układ o malej stałej czasowej – wpływ pojemności montażowych, niemożliwość stosowania rezystorów o małej wartości w pętli sprzężenia zwrotnego w obawie przed przekroczeniem dopuszczalnego prądu wyjściowego WO ● Stosujemy układ typu T ● Dla stabilnej pracy: R2=R3 Wzmacniacz różniczkujący w układzie nieodwracającym ● Wartość R3 powinna być dość mała aby zwiększyć szybkość dU I U O =n1 R2 C dt R2 R3 ≪ n n f R3 C Wzmacniacz różniczkujący z sumowaniem ● Układ realizuje sumowanie napięcia zróżniczkowanego i wzmocnionego dU I R2 U O =− R2 C U I dt R3 Wzmacniacz różniczkujący różnicowy ● R1 – w celu zmniejszenia charakteru pojemnościowego impedancji wejściowej d U I2 −U I1 U O =R2 C dt 1 0 f R2 C Układy praktyczne wzmacniaczy różniczkujących Max. zmiany Uwe: ±10V, max. Szybkość zmian napięcia na wyj. ±0,1V/us Błąd różniczkowania: 289 uV/us, co odpowiada błędowi ok.290 mV na wyjściu układu Działa jako wzm. różniczkujący dla f < 29 kHz
