Основни усилвателни схеми с операционни усилватели

ПРОЕКТ BG051PO001--4.3.04-0042„Организационна и технологична инфраструктура за учене през

целия живот и развитие на компетенции”Проектът се осъществява с финансовата подкрепа на

Оперативна програма „Развитие на човешките ресурси”,съфинансирана от Европейския социален фонд на Европейския съюз

Инвестира във вашето бъдеще!стр. 1 от …

Основни усилвателни схеми с операционни усилватели

Презентация № 8

Технически университет – София

Факултет по електронна техника и технологии

Катедра „Електронна техника’’

дисциплина „Аналогова схемотехника” – BE30ОКС „Бакалавър” от Учебен план за студентите на специалност

Електроника, Професионално направление 5.2. Електротехника, електроника и автоматика

31





Съдържание • Инвертиращ и неинвертиращ усилвател с операционен усилвател (ОУ) тип VFOA

• Инвертиращ усилвател с операционен усилвател тип VFOA• Неинвертиращ усилвател с операционен усилвател тип VFOA• Повторител с операционен усилвател тип VFOA (буфер) • Анализ на усилвателните схеми с VFOA при високи честоти• Определяне на статични грешки на усилвателните схеми с VFOAs

• Маломощни променливотокови усилватели с ОУ тип VFOA• Инвертиращ променливотоков усилвател с VFOA• Неинвертиращи променливотокови усилватели с VFOA

• Инвертиращ и неинвертиращ усилвател с ОУ тип CFOA • Инвертиращ усилвател с операционен усилвател тип CFOA • Неинвертиращ усилвател с операционен усилвател тип CFOA

• Литература

31





Инвертиращ и неинвертиращ усилвател с ОУ тип VFOA 1

Инвертиращ усилвател с операционен усилвател тип VFOA 1.1

oUGU

GI

idU

0

FR

NR A+-

31





а) Анализ на инвертиращия усилвател за идеален ОУ.

dA

N

GG R

UI ; 0 GFo IRU

N

F

G

oF R

R

U

UA '

- Коефициент на усилване по напрежение

1, FFN ARR

GN

FGFo U

R

RIRU

За

За 0/ doininid AUUUU или inin UU .

Понеже 0inU следва, че 0 inU .

Ето защо общата точка на резисторите RF и RN и на инвертиращия вход на ОУ (точка А) се нарича виртуална нула (или фактическа нула).

31





б) Анализ на инвертиращия усилвател за реален ОУ: dA ;

d

oFGidFGo A

URIURIU

FN

oGG RR

UUI

d

oF

FN

oGo A

UR

RR

UUU

FGd

FNNo RU

A

RRRU

FGd

No RUA

RU

1

1

d

N

F

G

oF

AR

R

U

UA

1

1

1

FN

N

RR

R

;;

- коефициент на ООВ


,

31





d

'F

F'F

AA AAAA

dF

1

Относително изменение на коефициента на усилване по напрежение при

111

1

x,xx

dA

- Входно и изходно съпротивление

NiA RR и

N

F

d

o

dFN

N

ooA R

R

A

R

ARR

RR

R 1

31





Неинвертиращ усилвател с операционен усилвател тип VFOA 1.2

oUGU

idU

0

FR

NRU

+

+

+

- --

31





а) Анализ на неинвертиращия усилвател за идеален ОУ: dA или 0idU- Коефициент на усилване по напрежение

o

FN

N URR

RU

UUUU idG

N

F

N

FN

G

oF R

R

R

RR

U

UA 1'

;

31





б) Анализ на неинвертиращия усилвател за реален ОУ: dAd

oid A

UU

doo

d

odiG A

UUA

UUUU

1 ;

oU

U

d

d

G

oF A

A

U

UA

1 FN

N

o RR

R

U

U

, където

31





- Входно и изходно съпротивление

in

ddidiiCM

in

diiCM

in

iniA I

AUUR

I

UUR

I

UR ||2||2

ddiiCM ARR 1||2 и

N

F

d

o

dFNN

ooA R

R

A

R

ARRR

RR 1

/1

1 dAза

31





Чрез диференциране на формулата за коефициента на усилване от подточка б) се намира

dA

dАА

AdA U

dd

UU

където 22 1

1

1

1

dd

ddU

AA

AA

A

A

и 2

2

1 d

dU

A

AA

.

Въз основа на израза за относителното изменение на коефициента на усилване при се получава

UdA1 dA

d

d

d

d

dU

U

A

A

FA

A

AA

A 1

1

1

Анализът на горната формула показва, че при F>>1 (или ) относителното изменение на коефициента на усилване AU се определя главно от стабилността на ООВ, представено чрез относителното изменение на коефициента .

1 dA

/

31





NN

FF

RR

RR

RN

NRFRFR

N

N

S

N

NF

F

S

F

FN

NF

F R

RR

RR

RR

RR

RR

R

1

FN RR ,Производствен толеранс на елементите

Температурен коефициент

FR

S и NR

S - функции на относителна чувствителност.

Oтносително изменение на коефициента /

31





Повторител с операционен усилвател тип VFOA (буфер) 1.3

oUGU

inU

В случай, че и , формулата за коефициента на усилване по напрежение от подточка а) се опростява:

NR 0FR

1UA или oG UU

В резултат от модификацията на неинвертиращия усилвател от т. 1.2 се получава схема на повторител на напрежение или буфер с ОУ. Тази схема е аналогична на емитерния (сорсовия) повторител с един тран-зистор.

31





Анализ на усилвателните схеми с VFOA при високи честоти 1.4

В областта на високите честоти коефициентът Ad е комплексна величина, която може да се апроксимира с предавателна функция от първи ред:

p

dd

ff

j

AA

1

0

'

0

11

p

U

d

dU

ff

j

A

A

AA

, където

NF

A

ddU RRAAAdo

/1/11/1

000

0' 1 dpp Aff

- коефициент на усилване за ниски честоти

- висока граничната честота на усилвателя.

2'

0

/1 p

UU

ff

AA

- АЧХ.

31





Примерни асимптотични диаграми на АЧХ на VFOA без и със ООВ в логаритмичен мащаб

|| A

10 100 k1 k10 k100 M1 Hzf ,

'102pf

'10pfpf

'10

'10 2pp ff

20 10UA

100 UA

0dA

АЧХ на ОУ без ООВ

АЧХ на усилватели с коефи-циенти на усилване 10 и 100

1

510

410

310

210

10

1

31





Определяне на статични грешки на усилвателните схеми с VFOAs1.5

errooO UUU ,PR ioU

BI

FR

NR

+

BI

+

GU

Идеален ОУ

ОУ с отчитанена , иioU

BIBI

31





- Изходно напрежение на грешката, предизвикано от влиянието на входното напрежение на несимятрия

io

N

FUerro U

R

RU

io

1,

- Изходно напрежение на грешката, предизвикано от влиянието на поляризиращите токове

NFBPIerroRRIRU

B/1

,

и

BFNFBNIerroIRRRIRU

B/

,

31





- Общо напрежение на грешката, предизвикано от едновременното действие на входното напрежение на несиметрия и поляризиращите токове.

BBio IerroIerroUerroerro UUUU

,,,,

FN

PBBF

N

Fio RR

RIIR

R

RU

||1

За FNP RRR ||

FioN

Fioerro RI

R

RUU

1,

Извод: Включването на резистор RP = RN||RF към неинвертиращия вход на ОУ компенсира грешката от входния поляризиращ ток и намалява общата стойност на напрежението. Типичните стойности за напрежението на грешката са 1…10mV, което в много случаи може да не се взема под внимание. Когато тази величина не може да се пренебрегне, напрежението на грешката при равни други условия може да се сведе до нула, като се използва една от схема за компенсация.

31





Маломощни променливотокови усилватели с ОУ тип VFOA 2

Инвертиращ променливотоков усилвател с VFOA 2.1

ouiu

FR

NRNC

FP RR

31





- Комплексен коефициент на усилване по напрежение

f

fj

R

R

CjR

R

z

R

U

UA

bN

F

NN

F

N

F

i

oU

1

1.

1

,

където NNN CjRz /1 и NNb CRf 2/1 - ниска гранична честота

- Модул на комплексния коефициент на усилване (АЧХ)

- Фаза на комплексния коефициент на усилване (ФЧХ)

22

11

1

f

f

A

f

fR

RA

b

Uo

bN

FU

f

f

A

Agacr b

U

U arctan180Re

Imtan

, където 1/RRA FUo

31





Примерни АЧХ и ФЧХ на променливотоков усилвател с коефициент на усилване 100

UA

1,0 1 10 100 k1 k10 k100 Hzf ,1

10

100bf 1000 UA

1,0 1 10 100 k1 k10 k100 Hzf ,0

180

270

bf225

АЧХ0.7,0 UA

ФЧХ

31





Неинвертиращи променливотокови усилватели с VFOA 2.2

- Основна схема на неинвертиращ променливотоков усилвател

ouiu

0

FR

NR

NC

PC

PR

A

31





Комплексен коефициент на усилване по напрежение

f

fjR

R

CjR

R

CjR

R

U

UA

bN

F

NN

F

PP

P

i

oU

1

1.1

/11.

/1

за FNNPP RRCRC , катоNN

b CRf

2

1- ниска гранична честота.

Входно съпротивление на основната схема:

P

RFRR

idiCMPiA RFRRRRPidiCM

||2

||2|| ,

където dAF 1 и )/( FNN RRR

31





0

FR

NR

NC

PC

PR

iu

idR

ou

- Неинвертиращ променливотоков усилвател с повишено входно съпротивление

Входно съпротивление: iCMdiPiA RFRRR 2||||

31





Инвертиращ и неинвертиращ усилвател с ОУ тип CFOA 3

Инвертиращ усилвател с операционен усилвател тип CFOA 3.1

oUiU

FR

NR inIA

31






Анализът на усилвателя се извършва при условие, че съпротивлението на инвертиращия вход е : 0inR

0F

o

t

o

N

i

R

U

Z

U

R

U ,

къдетоtt

t

ttt CRj

R

CjRZ

1

1|| - проходен импеданс.

tF

URRза

t

ttF

NF

t

F

NF

i

oU CRj

A

RCRj

R

RR

ZRRR

U

UA

Ft

111

/

1

/ 0 или

)/(1 '0

p

UU

ffj

AA

, където

NFU RRA /0 F

tt

tFp R

Rf

CRf

2

1'и

31





Извод: Във формулата за граничната честота )2/(1 ttt CRf е транзитна

(гранична) честота на CFOA без ООВ. При това 'pf показва, че

ширината на честотната лента '7,0 pfB на усилвателна схема със

CFOA се определя от честотата tf и съпротивлението FR . Честотната лента 7,0B не зависи от съпротивлението NR ,

задаващо коефициента на усилване по напрежение. Възможността за независима настройка на усилване и честотна лента

в определени граници на изменение на параметрите е едно от основ-ните предимства на усилвателите със CFОA пред тези, реализирани с VFОA.

31





Примерни асимптотични диаграми на АЧХ на CFOA с ООВ в логаритмичен мащаб

|| UA

k1 k10 k100 M1 M10 M100 G1 Hzf ,1

10

210

310'102pf

'10pf

constff pp '10

'10 2

210UoA

10UoA

31





Неинвертиращ усилвател с операционен усилвател тип CFOA 3.2

oUiU

0

FR

NR

inI

idU


а) Анализ на усилвателя при условие, че съпротивлението на инверти-ращия вход е : 0inR

0

t

o

N

i

F

io

Z

U

R

U

R

UU

31






tF

URRза

t

ttF

NF

t

F

NF

i

oU CRj

A

RCRj

R

RR

ZRRR

U

UA

Ft

111

/1

1

/1 0

)/(1 '0

p

UU ffj

AA

N

FU R

RA 10 - коефициент на усилване по напрежение за ниски честоти;

F

tt

tFp R

Rf

CRf

2

1' - висока гранична честота.

Основни параметри:

31





Литература 4

1. Пандиев, И., Л. Доневска, Д. Стаменов. Аналогова схемотехника – I, глава 5, стр. 129-131,. София, Издателство на TУ-София, 2008.

2. Вълков, Ст. Аналогова електроника, глава 5, стр. 282-313, София, Техника, 2002.

3. Mancini, R. Op Amps for Everyone. Design Reference. Texas I. (slod006b.pdf), chapter 8, pp. 8-1–8-14, USA, chapter 6, pp. 6-1 – 6-8, 2002.

4. Tietze, V., Ch. Schenk. Electronic circuits. 2nd Edition, chapter 5, pp. 544–568, New York. Springer-Verlag, 2008.

5. Choosing Between Voltage Feedback (VFB) and Current Feedback (CFB) Op Amps, Analog Dev., MT-060, pp. 1–6, 2008.

6. Schmid, R., Measuring Board Parasitics in High-Speed Analog Design, Texas Instruments Inc., Application Report SBOA094, 2003.

7. Интернет страница на учебно-научно направление „Аналогова схемо-техника”: http://ecad.tu-sofia.bg/analog_circuits/.

Основна:

Допълнителна:

31

Основни усилвателни схеми с операционни усилватели

Documents