Liniowe układy scalone w technice cyfrowej
advertisement
Liniowe układy scalone w technice cyfrowej Wykład 6 Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych: konwertery prąd-napięcie i napięcie-prąd, źródła prądowe i napięciowe, przesuwnik fazowy Konwerter prąd-napięcie ● Jeśli wejściowe prądy polaryzujące wzmacniacza są równe zero to w rezystorze R jest wymuszony prąd równy prądowi wejściowemu ● W rezultacie napięcie wyjściowe UO= - II R ● Bardzo mała rezystancja wejściowa ● Układ dobrze nadaje się do współpracy z prądowymi źródłami sygnału o dużej rezystancji wewnętrznej Konwerter prąd-napięcie (uwagi) ● ● Projektując układ trzeba liczyć się z błędem spowodowanym przez wejściowy prąd polaryzujący wzmacniacza, który sumuje się algebraicznie z prądem wejściowym W przypadku przetwarzania małych prądów należy stosować wzmacniacze o bardzo małych wejściowych prądach polaryzujących Wzmacniacz prądu fotodiody ● ● ● ● ● ● ● Liniowy niskoszumowy układ o niskich napięciach zasilania C1 ustala szerokość pasma R1, R2, R5, R6 – wysokokostabilne (1%) Fotodioda ma największą czułość dla zakresu widma 400 – 1050 nm Wzmocnienie stałoprądowe = 1000 Szerokość pasma (3 dB) = 0 – 2,6 kHz Szumy: 4,2 μV Konwerter napięcie-prąd z wejściem odwracającym ● ● ● ● Prąd I1 = UI / R1 Ten sam prąd płynie przez rezystor obciążenia w pętli sprzężenia zwrotnego Prąd I1 jest niezależny od wartości rezystancji obciążenia Napięcie źródła sygnału i wzmacniacz należy dobrać tak, aby mogły dostarczyć odpowiedni prąd obciążenia Konwerter napięcie-prąd z wejściem nieodwracającym ● ● ● ● Prąd I1 = UI / R1 Ten sam prąd płynie przez rezystor obciążenia w pętli sprzężenia zwrotnego Prąd I1 jest niezależny od wartości rezystancji obciążenia Duża rezystancja wejściowa ze względu na wykorzystanie wejścia nieodwracającego Konwerter napięcie-prąd mało obciążający źródło napięcia ● ● Większa część prądu obciążenia dostarczana przez wzmacniacz – niewielka przez źródło Prąd obciążenia: UI R2 I L= 1 R1 R3 ● ● Wzmacniacz operacyjny dobiera się uwzględniając pełny przewidywany prąd obciążenia. Wzmacniacz powinien dostarczać napięcie wyjściowe: U Omax≈ I Mmax R LR 3 Rezystor R3 służy do dobrania odpowiedniej wartości prądu obciążenia Aby zminimalizować obciążenie źródła sygnału można dobrać R1 o dużej wartości Konwerter napięcie-prąd z uziemionym obciążeniem ● ● Wzmacniacz pracuje jako źródło prądowe sterowane napięciem UI Prąd obciążenia: UI R3 R F I L=− przy = R2 R2 R 1 ● ● Wartości R1 i R2 dobiera się na małe prądy, RF i R3 powinny mieć małe wartości ze względu na zminimalizowanie występujących na nich spadków napięcia Właściwy dobór stosunków rezystancji gwarantuje dużą rezystancję wewn. źródła prądowego Wzmacniacz powinien dysponować zakresem napięcia wyjściowego równym co najmniej sumie max. napięcia na obciążeniu i spadku napięcia na R3 Źródła napięciowe - ogólnie ● ● ● ● Jako źródła napięciowe zasilające stosuje się najczęściej monolityczne regulatory napięcia (specjalizowane) Źródła napięcia buduje się również z pomocą wzmacniaczy operacyjnych – Rzadko jako źródła napięcia zasilającego – Często jako źródła napięcia odniesienia o wysokiej stabilności Napięcie uzyskiwane jest z diod Zenera o wysokiej stabilności cieplnej (0,0005% / °C), o skompensowanych fabrycznie zmianach termicznych Rola wzmacniacza: wzmocnienie lub zredukowanie napięcia odniesienia na wyjściu źródła oraz zapewnienie odpowiednio dużego prądu wyjściowego Źródło napięciowe – układ podstawowy ● ● ● ● R 2R3 U O =U Z R2 R1 powinien być dobrany w taki sposób, aby prąd w diodzie Zenera był równy katalogowej wartości optymalnej, przy której współczynnik termiczny napięcia jest najmniejszy Dobór stosunku R3 i R2 decyduje o napięciu Układ jest źródłem dodatniego napięcia odniesienia Napięcie ujemne można uzyskać zmieniając polaryzację diody i dołaczając R1 do ujemnego napięcia zasilania Źródło napięcia odniesienia z układem startującym ● ● ● ● R 2R3 U O =U Z R2 Dioda zasilana przez rezystor stabilizowanym napięciem wyjściow. Dwa stany stabilne po włączeniu zasilania : UZ i 0V Aby temu zapobiec – dioda D2 połaczona z dzielnikiem rezystorowym R4, R5 tak dobranym, aby napięcie podawane na diodę D2 było mniejsze niż UZ Przy prawidłowej pracy układu D2 nie przewodzi, a przy włączaniu układu wymusza wzrost napięcia na D1 i ustawienie się układu we właściwym stanie stabilnym Źródło napięcia – przykład praktyczny ● ● ● ● Ujemne i dodatnie sprzężenie W chwili włączenia – silne sprzężenie dodatnie dzięki połączeniu wyjścia przez niewielki rezystor R1 z wejściem (+) i początkowo dużej rezystancji dyn. diody Następuje wzrost napięcia na diodzie do 6,6V – jest ona utrzymywana na wejściu (-) w wyniku działania ujemnego sprzężenia Mała rezystancja dynamiczna diody ogranicza wielkość sprzężenia dodatniego Źródło napięcia – przykład praktyczny ● ● ● ● Dzięki zasilaniu diody wyjściowym napięciem stabilizowanym osiąga się dobrą stałość prądu diody równego 2 mA Należy stosować rezystory o dużej stabilności Stosunek zmian napięcia wyjściowego do zmian napięcia zasilania = 100dB przy f=100Hz Po odwróceniu polaryzacji diody i napięć zasilających - źródło napięcia ujemnego Źródło napięcia o prądzie do 100mA ● ● ● ● ● Prąd wyjściowy jest ograniczony wartością dopuszczalnego prądu wyjściowego wzmacniacza W celu zwiększenia zakresu prądu wyjściowego stosuje się dodatkowe układy tranzystorowe T1 wzmacnia prąd wyjściowy do 100 mA T2 -zabezp. przeciwzwarciowe RO = 8,5 · 10-5Ω, zmiana napięcia wyjściowego 8,5 μV przy pełnym zakresie zmian prądu obciążenia Źródła prądowe ● ● ● Dostarczają prąd o stałej wartości niezależnej od wielkości obciążenia Stosując wzmacniacze operacyjne można uzyskać duży współczynnik sprzężenia zwrotnego – czyli dużą dokładność i dobrą stabilność termiczną źródła Zastosowanie: – Generatory przebiegów liniowych – Przyrządy do testowania tranzystorów i układów scalonych oraz pomiarów rezystancji – Przetworniki analogowo-cyfrowe Źródło prądowe w układzie nieodwracającym ● ● ● ● Konwerter napięcie-prąd do którego jako napięcie wejściowe doprowadzono napięcie odniesienia UR Obciążenie włączone jest jako element sprzężenia zwrotnego – nie może być uziemione Wzmacniacz operacyjny wymusza w obciążeniu RL prąd taki sam jak w R Wartość prądu IL musi być znacznie większa od wejściowych prądów polaryzujących wzmacniacza Źródło prądowe w układzie odwracającym ● ● Tego układu dotyczą wszystkie uwagi dotyczące układu nieodwracającego WADA obu układów: obciążenie nie podłączone do masy !!! Źródło prądowe z tranzystorem unipolarnym ● ● ● ● Na rezystorze R występuje napięcie UR Dzięki pomijalnie małej wartości prądu bramki tranzystora prądy płynące prze RL i R są takie same Jedna końcówka obciążenia może być dołączona do punktu o stałym potencjale (+UZZ) Przy innej polaryzacji można jedną końcówkę obciążenia dołączyć do masy Źródło prądowe w układzie Howlanda ● ● Umożliwia dołączenie obciążenia do dowolnego potencjału Z faktu, że między wejściami wzmacniacza utrzymywane jest napięcie bliskie zero, a wejściowe prądy polaryzujące są pomijalnie małe w stosunku do prądów I1 i I2 wynika zależność: I 1 aR1 =U 1−U O =U 2−U O =I 3 aR2 czyli I 1 R1 = I 3 R 2 Układ Howlanda - dalej I 1 R1=I 3 R2 U R1−U 1 U R2−U 2 Ponieważ I 1= oraz I 2= R1 R2 U R1−U 1 więc I 3= R2 Prąd obciążenia : U R2−U 2 U R1−U 1 U R2−U R1 I L =I 2− I 3 = − = R2 R2 R2 ● ● ● Prąd uzyskiwany ze źródła nie zależy więc od rezystancji obciążenia lecz od różnicy napięć odniesienia UR1 i UR2 W zależności od doboru tych napięć można uzyskać prąd o różnym kierunku przepływu Druga końcówka obciążenia może być podłączona do masy lub innego potencjału Układ Howlanda - raz jeszcze ● ● Źródło Howlanda jest najczęściej stosowane w układzie z jednym wejściem UR1 lub UR2 uziemionym np. przy uziemionym wejściu UR2: U R1 I L =− R2 RL 1 U O =−a U R1 1 1 R2 a [ ] ● U R1 RL R1 I O= 1 1 R1 R2 R2 Dwa ostatnie wzory dotyczą prądu i napięcia nawyjściu wzmacniacza i służą do określenia parametrów wyjściowych wzmacniacza niezbędnych do uzyskania prądu IL o określonej wartości Przesuwnik fazowy ● Zakładając, że wejściowe prądy polaryzujące są równe zero: I1 = I3 oraz I2 = I4 ● Przy K→∞, czyli przy zerowej różnicy napięć między wejściami wzmacniacza, z równości prądów wynika: U I −U U −U O = R R U I −U U = 1/ sC r U - napięcie na wejściach wzmacniacza w stosunku do masy Przesuwnik fazowy - wnioski Rozwiązując układ równań otrzymujemy: ● ● ● ● 1−s C r U O= UI 1s C r Przy zmianacz częstotliwości napęcia UI z zachowaniem stałej amplitudy – amplituda napięcia UO pozostaje stała a zmianie ulega przesunięcie fazowe Funkcja przenoszenia nie zależy od właściwości w.o. i od R (!) Gdy r = 0 układ przesuwnika staje się wzmacniaczem odwracającym o wzmocnmieniu 1 czyli przesunięcie fazy jest 180° Gdy r = ∞ i sygnał wejściowy w pełnym zakresie częstotliwości doprowadzany (oprócz f = 0) jest doprowadzany do wejścia (+) przy założeniu Rwe= ∞ wzmacniacza. Rezystor R między wejściem a wejściem (-) jest zwarty, gdyż potencjały obu wejść są równe. Ponieważ na tym R nie ma spadku napięcia – w rezystorze R w pętli nie płynie prąd i całe napięcie wyjściowe podawane jest na wejście nieodwracające – wzmocnienie = 1, przesunięcie fazy = 0
