UE_WBOL04_Wzm oper-zastos liniowe
advertisement
Wzmacniacz operacyjny – zastosowania liniowe Wrocław 2009 1 wzmocnienie różnicowe Pole wzmocnienia 3dB częstotliwość graniczna kUD [dB] -3dB 20dB/dek 0 dB fcA fT 2 Tłumienie sygnału wspólnego + U OUT = U inS CMRR[V / V ] UinS 3 Wejściowe napięcie niezrównoważenia Współczynnik temperaturowy wej. nap. niezrównoważenia U0 U OUT = 0 + U0=0 U OUT = kuDU 0 + 4 Prąd polaryzacji Wejściowy prąd niezrównoważenia Współczynnik temperaturowy wej. prądu. niezrównoważenia U R = I B1 R + U R = I B2 R U OUT = (I B1 − I B 2 )RkuD = I 0 RkuD 5 Rezystancje wejściowe i wyjściowa + rCM rout rD rCM U OUT = (I B1 − I B 2 )RkuD = I 0 RkuD 6 Zakres napięć wejściowych i wyjściowych rail-to-rail +VCC + UinS -VCC 7 Szybkość narastania napięcia wyjściowego (slew-rate) Szerokość pasma mocy dU = 2πfU max dt dU dU out > SR = dt dt Ck dU dU out < SR = dt dt + SR = dU out = 2πfU out max dt SR = fP 2πU out max Wzmacniacz operacyjny Zasilacz 1 N + -E - Zasilacz 2 + +E -E WY P +E Elementy elektroniczne wykład – wzmacniacze operacyjne http://qe.ita.pwr.wroc.pl/~zue/elementy_elektroniczne.html 8 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz operacyjny WO dzięki swej uniwersalności znajdują powszechne zastosowanie do realizacji różnorodnych układów analogowych szczególnie: - układów automatyki, - układów sterowania, - układów pomiarowych. Za pomocą WO można realizować liniowe i nieliniowe operacje na sygnałach analogowych, np.: sumowanie, całkowanie, różniczkowanie, przesuwanie fazy, przetwarzanie napięcie-prąd lub prąd-napięcie, precyzyjne prostowanie, filtrowanie sygnałów ... Wzmacniacz odwracający R2 R1 Dla idealnego WO: KUR = ∞ -E rwer = rwes = ∞ Uwe +E Uwy wtedy: U we = I we = U wy KUR = U wy ∞ =0 U we U we = =0 rwer ∞ 9 Wzmacniacz odwracający R2 R1 I we = Iwy Iwe U we R1 I wy = U wy R2 I we = − I wy Uwe Uwy U U we = − wy R1 R2 Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza: KU = U wy U we =− R2 R1 Wzmacniacz odwracający Uwzględniając, że KUR ≠ ∞: R2 R1 Uwe KU = − -E +E Uwy R1 f g = f p1 1 + KUR R1 + R2 R2 1 R R1 1 + 1 + R2 KUR R1 Rwe = R1 1 ≈ R1 KU 1+ KUR Rwy = Rwy 0 R1 + R2 K ≈ Rwy 0 U R1 (1 + KUR ) + R2 KUR Rwy0 - rezystancja wyjściowa WO, fp1 – pierwszy biegun częstotliwości górnej WO (fT = fp1KUR – pole wzmocnienia) 10 Wzmacniacz odwracający Parametry WO – wejściowe napięcie niezrównoważenia Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz odwracający Parametry WO – wejściowe napięcie niezrównoważenia Różnica zmian napięć UBE w funkcji temperatury pomnożona przez KUR wpływa na wartość Uwy. U 0 = U BE1 − U BE 2 U0 (ang.input offset voltage) – kilka mV 11 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz odwracający IB1 Parametry WO – wejściowy prąd polaryzacji + IB2 - R1 β 01 ≠ β 02 Uwy R2 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz odwracający R2 R1 Kompensując wejściowy prąd polaryzacji należy dodać do układu rezystor Rd o wartości: -E +E Uwe Uwy Rd Rd = R1 R2 R1 + R2 12 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz nieodwracający Rd R 1 R KU = 1 + 2 ≈ 1+ 2 R1 R1 1 + R1 + R2 KUR R1 +E -E Uwe Uwy R2 R1 Rwe = Rwe 0 Rwy = Rwy 0 KUR R1 f g = f p1 1 + KUR R1 + R2 W celu kompensacji wejściowych prądów polaryzacji: Rd = R1 R2 R1 + R2 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz nieodwracający Wtórnik napięciowy Rd R 1 R KU = 1 + 2 ≈ 1+ 2 R1 R1 1 + R1 + R2 KUR R1 +E -E Uwe Uwy R2 R1 Kiedy KU = 1 ?? Rd Uwe +E -E Uwy R2 f g = fT 13 Komparator Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Sumator odwracający R1N R13 R2 R12 -E R11 UweN Uwe3 Uwe2 +E Uwe1 Uwy Rd U wek R R R R = −U we1 2 + U we 2 2 + U we 3 2 + ... + U weN 2 R11 R12 R13 R1N k =1 R1k N U wy = − R2 ∑ 14 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Sumator odwracający U wek R R R R = −U we1 2 + U we 2 2 + U we 3 2 + ... + U weN 2 R11 R12 R13 R1N k =1 R1k N U wy = − R2 ∑ R11 = R12 = R13 = .... = R1N = R1 dla: Napięcie wyjściowe przybiera postać: U wy = − R2 (U we1 + U we 2 + U we 3 + ... + U weN ) R1 Rezystor Rd minimalizujący wpływ wejściowych prądów polaryzacji: Rd = R2 R11 R12 R13 ... R1N Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Wyjście niesymetryczne R + R2 R4 R − U we1 2 U wy = U we 2 1 R1 R3 + R4 R1 R2 -E R1 gdy: R1 = R3 a R3 +E Uwe1 Uwy Uwe2 R4 U wy = R2 = R4 to: R2 (U we 2 − U we1 ) R1 Rwe1 ≈ R1 Rwe 2 = R3 + R4 R f g = f p1 1 + 1 KUR R2 Wpływ wejściowego prądu polaryzacji jest zminimalizowany gdy: R1 R2 = R3 R4 15 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Wyjście symetryczne +E R U wyr = 1 + 2 2 U wer R1 -E R2 Uwer R1 Uwyr Rwe = 2 Rwe 0 R2 -E +E Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy – precyzyjny Wzmacniacz pomiarowy R R U wy = 1 + 2 2 4 U wer R1 R3 Rwe = 2 Rwe 0 Regulacja wzmocnienia układu odbywa się zazwyczaj przez zmianę wartości rezystora R1. ep01/2010s57 16 Wzmacniacz różnicowy – precyzyjny Wzmacniacz pomiarowy zamiast masy można przyłączyć korekcyjne napięcie niezrównoważenia R 2R U out = (U in 2 − U in1 )1 + 1 + 1 R2 RG Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ całkujący – integrator Analiza w dziedzinie czasu Iwy R C I we = -E Iwe U we (t ) R I wy = I C = C dU wy (t ) dt I we = − I wy +E Uwe Uwy Rd=R U wy (t ) = − gdzie U0 jest warunkiem początkowym dla t = 0: 1 U we (t )dt + U 0 RC ∫ U 0 = U wy (t = 0) = Q0 C a Q0 jest ładunkiem zgromadzonym w kondensatorze C w czasie t = 0. 17 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ całkujący – integrator Analiza w dziedzinie czasu Iwy R C I we = -E Iwe U we (t ) R I wy = I C = C dU wy (t ) dt I we = − I wy +E Uwe Uwy Rd=R U wy (t ) = − 1 U we (t )dt + U 0 RC ∫ Ostatecznie napięcie wyjściowe dane jest równaniem: U wy = − U we t + U0 R1C Napięcie wyjściowe jest liniową funkcją czasu. Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ całkujący – integrator Analiza w dziedzinie częstotliwości Iwy R C K U (s ) = − -E Iwe 1 sRC +E Uwe Uwy Rd=R Jeżeli uwzględnimy skończone wzmocnienie i skończoną częstotliwość górną WO: KU ( s ) = − KUR s s 1 + 1 + s1 s2 18 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ całkujący – integrator Analiza w dziedzinie częstotliwości |Ku(jω)| (log) idealny integrator ω1 = − s1 = wzmacniacz operacyjny 1 KUR RC KUR 1 ω1 ω2 rzeczywisty układ całkujący ω2 = 2πf p1 ω4 ω3 = ω3 ω 1 RC (log) ω4 = − s2 = 2πKUR f p1 -20dB/dek Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ całkujący – integrator Zakres poprawnego całkowania Zakres poprawnego całkowania w dziedzinie częstotliwości: ωmin = 1 << ω << 2πKUR f p1 = ω max KUR RC co odpowiada w dziedzinie czasu warunkowi: ti min = 1 << ti << 2πRCKUR = ti max f p1 KUR 19 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ całkujący – integrator stratny R2 C R1 -E K U (s ) = − +E Uwe R2 1 R1 1 + sR2C Uwy Rd=R1||R2 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ całkujący – integrator stratny |Ku(jω)| (log) ω1= 2πf p1 KUR wzmacniacz operacyjny K'UR ω2 = 1 R2C ω3 = 1 R1C integrator stratny ω4 1 ω1 ω2 ω3 ω (log) ω4 = 2πKUR f p1 -20dB/dek 20 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ całkujący – integrator stratny Zakres poprawnego całkowania Zakres poprawnego całkowania w dziedzinie częstotliwości: ωmin = 1 << ω << 2πKUR f p1 = ωmax R2C co odpowiada w dziedzinie czasu warunkowi: ti min = 1 KUR f p1 << t1 << 2πR2C = ti max Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ różniczkujący Analiza w dziedzinie czasu Iwy C R I we = C -E Iwe +E Uwe Uwy dU we (t ) dt I wy = U wy (t ) R I we = − I wy Rd=R U wy (t ) = − RC dU we (t ) dt 21 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ różniczkujący Analiza w dziedzinie częstotliwości R Iwy C KU ( s ) = − sR1C -E Iwe +E Uwe Uwy Rd=R Jeżeli uwzględnimy skończone wzmocnienie i skończoną częstotliwość górną WO: KU ( s ) = − s KURω p1ωd s 2 + s (ω p1 + ωd ) + (KUR + 1)ω p1ωd Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ różniczkujący Analiza w dziedzinie częstotliwości |Ku(jω)| (log) ω1 = ωd = wzmacniacz operacyjny KUR idealny układ różniczkujący rzeczywisty układ różniczkujący +20dB/dek ω2 = ω p1 = 2πf p1 ω3 = ωmax = 1 ω1 ω2 ω3 ω4 1 RC 2πKUR f p1 R1C ω (log) ω4 = KURω2 Warunek poprawnego różniczkowania: ω << ωmax 22 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ różniczkujący Zastosowania: głownie automatyka – regulatory D, PD PID. Wady układu: - długie czasy narastania - skłonność do oscylacji - mała impedancja wejściowa dla w. cz. - duże wyjściowe napięcie szumów Dlatego bardzo często stosuje się zmodyfikowaną strukturę wzmacniacza różniczkującego. Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ różniczkujący – zmodyfikowany R C1 C R1 -E +E Uwe Uwy Rd=R 23 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ różniczkujący – zmodyfikowany |Ku(jω)| (log) wzmacniacz operacyjny ω1 = 1 RC ω2 = 1 R1C ω3 = 1 RC1 KUR zmodyfikowany układ różniczkujący +20dB/dek ω 1 ω1 ω2 ω3 (log) Warunek poprawnego całkowania: ω << ω 2 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Przesuwnik fazy R2 R1 -E U wy U we C =− 1 − sCR3 1 + sCR3 +E Uwe Uwy R3 Dla zmian wartości rezystancji R3 od 0 do ∝ można regulować przesunięcie fazowe od 1800 do 0. 24 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Przetwornik prąd – napięcie (I/U) R -E U wy = − I we R +E Iwe Uwy Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Przetwornik napięcie – prąd(U/I) +UCC R IL = U cc − U we R -E +E Uwe RL -UCC 25 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Przetwornik napięcie – prąd(U/I) RL R Uwe -E IL = +E U we R Przetwornik napięcie – prąd(U/I) U in R1 IL = U in R2 − R3 U + U out = in R2 = R3 R R1 R1 R3 1 26 Tradycyjny wzmacniacz operacyjny napięciowo - napięciowy R U out = U in 1 + 2 R1 Zastosowanie: •wzmacniacze sygnałowe m.cz. Wady: •mała częstotliwość, •kłopoty ze stabilnością przy obciążeniu reaktancyjnym, Zalety: •małe niezrównoważenie, •duża dokładność, •mały dryft Wzmacniacz transimpendacyjny prądowo - napięciowy R U out = U in 1 + 2 R1 Zastosowanie: •sterowniki linii transmisyjnych Wady: •kłopoty ze stabilnością przy obciążeniu reaktancyjnym, Zalety: •szerokie pasmo (500MHz), •duży SR. 27 Wzmacniacz transkonduktacyjny napięciowo - prądowy R U out = U in 1 + 2 R1 Zastosowanie: •sterownie obciążeń pojemnościowych Wady: •dopasowanie do konkretnego obciążenia, Zalety: •małe niezrównoważenie, •mały dryft •dobra odpowiedź impulsowa przy obciążeniu pojemnościowym, Wzmacniacz prądowy prądowo - prądowy + R U out = U in 1 + 2 2 R1 Uin - R2 R1 Zastosowanie: •filtry aktywne w.cz. •wzmacniacze diod laserowych, •sterowniki linii Wady: •dopasowanie do konkretnego obciążenia, Zalety: •duża szerokość pasma, •duży SR, 28 Wzmacniacz z autozerowaniem prądowo - prądowy Zastosowanie: •wzmacniacze małych sygnałów, •przedwzmacniacze czujnikowe Wady: •b. mała częstotliwość pracy, Zalety: •b. małe napięcie niezrównoważenia. Podsumowanie •parametry idealnego wzmacniacza operacyjnego, •parametry wzmacniacza rzeczywistego (definicje, wartości typowe), •zastosowanie (schemat i zasada działania): •wzm. odwracający i nieodwracający, •wzm. pomiarowy, •układ różniczkujący i całkujący, •przesuwnik fazy •przetwornik U/I •Inne wzmacniacze (rodzaje, zastosowanie, wady, zalety): •napięciowo-napięciowy, •napięciowo-prądowy, •prądowo-napięciowy, •prądowo-prądowy, •z autozerowaniem 29
