wykład nr 6 - wzmacniacze operacyjne i komparatory
TRANSCRIPT
Temat i plan wykładu
Wzmacniacze operacyjne
1. Wprowadzenie
2. Podstawowe parametry i układy pracy
3. Wzmacniacz odwracający i nieodwracający
4. Układ całkujący, różniczkujący, różnicowy
5. Konwerter prąd-napięcie
6. Zastosowanie wzmacniaczy w fotowoltaice
Celem wykładu jest przedstawienie:
ELEKTRONIKA – Jakub Dawidziuk sobota, 16 czerwca 2012
Cele wykładu
• zasad działania i parametrów wzmacniaczy operacyjnych,
• sposobów wykorzystania ich przy realizacji układów analogowych i wybranych układów impulsowych,
• analizy i projektowania prostych układów metodami elementarnymi,
• korzystania z kart katalogowych i not aplikacyjnych w celu dobrania odpowiednich komponentów do projektowania.
Symbol graficzny, oznaczenia, obudowa
Napięcia wejściowe i wyjściowe
Dozwolony zakres napięć wejściowych i wyjściowych +/- Uz
Wyprowadzenia, podłączenie napięć zasilających
od +/-5 V do +/-15 V
Występuje grupa wzmacniaczy operacyjnych zasilanych pojedynczym napięciem, np. +3,3 V.
Podstawowe parametry wzmacniacza idealnego i rzeczywistego
• nieskończona wartość impedancji wejściowej RWE = (1-105 MΩ), • nieskończona wartość wzmocnienia różnicowego AU = (105-107), • zerowa wartość impedancji wyjściowej RWY = 0 (50-200 Ω), • nieskończone pasmo przenoszonych częstotliwości (1-100 MHz), • brak zjawisk niepożądanych (niestabilność, niezależność od zmian napięcia zasilania, itp.), • idealny wzmacniacz operacyjny po załączeniu napięć zasilających i podłączeniu wejść do wspólnego potencjału zerowego powinien mieć również zerowe napięcie wyjściowe i zerowe prądy wyjściowe, • wzmacniacz rzeczywisty nie spełnia tych wymagań, ale ich odchyłki są nieznaczące z punktu widzenia praktycznego.
Model idealnego wzmacniacza operacyjnego
Rwe Rwy
Rwe = ∞ Rwy = 0 A = ∞ wzmacniacz nie nasyca się
Model rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego
Rwe Rwy
Rwe = Rin Rwy = R0 A = 106 wzmacniacz nasyca się
Jednak w praktyce
Jednak w praktyce…nasycenie
Nasycenie wzmacniacza
The MAX4040–MAX4044 family of micropower op amps operates from a single +2.4V to +5.5V supply or dual ±1.2V to ±2.75V supplies and have rail-to-rail input and output capabilities.
Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza
Przykładowa charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza odwracającego o wzmocnieniu 10 (niebieski
wykres) i 100 (czerwony wykres)
Sprzężenie zwrotne -oddziaływanie skutku jakiegoś zjawiska na jego przyczynę
Ujemne Dodatnie
Zmniejsza:
- wzmocnienie,
- wrażliwość na zmiany parametrów elementów składowych układu,
- zniekształcenia nieliniowe.
Powoduje zmianę impedancji wejściowej i wyjściowej oraz charakterystyk częstotliwościowych.
Zwiększa wzmocnienie.
Destabilizuje. Jest stosowane w
generatorach i układach
regeneracyjnych.
We wzmacniaczach – może
wystąpić jako efekt pasożytniczy.
Sprzężenie zwrotne i jego wpływ na parametry wzmacniacza-ujemne
Sprzężenie zwrotne dodatnie
Af
∞
Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych
Wzmacniacze operacyjne pracują najczęściej w układach z zewnętrznym ujemnym sprzężeniem zwrotnym.
Sprzężenie polepsza własności wzmacniacza:
• zmniejsza nieliniowość charakterystyk i niezrównoważenie,
• poszerza pasmo częstotliwości,
• poprawia stałość parametrów,
• umożliwia dobór wzmocnienia.
W układach z otwartą pętlą (lub z dodatnim sprzężeniem zwrotnym) wzmacniacze operacyjne pracują jako komparatory, tzn. w jednym z dwóch stanów nasycenia.
Wzmacniacz odwracający (0)
R2
A
R3=R1||R2
UID R1
I1
I2
1WE
1
2U
WE
WY
2
WY
1
WE
F
WY2
WE1
21
IDWY
RR
R
RK
U
U,
R
U
R
U
R
UI,
R
UI
II
AUU
UWY
UWE
Wzmacniacz odwracający - bilans
Wzmacniacz odwracający
Wzmacniacz odwracający
Sumator ze WO
FIII 21
F
wy
2
2
1
1
R
U
R
U
R
U
2
2
1
1Fwy
R
U
R
URu
21F
WY UUR
RU RRR 21
(0)
Sumator, przykład symulacyjny
Sumator audio - mikser
Wzmacniacz nieodwracający (0)
R2 U1 Uwy
A
R1
UID
MR
R
R1K
U
U
RR
RUUU
WE
1
2U
1
WY
21
1WY1
WO nieodwracający, przykład symulacyjny
Wtórnik napięciowy (0)
UWE UWY
A UID
GR
1K
R,0R
R
R1K
U
U
WE
U
12
1
2U
WE
WY
Wtórnik napięciowy
Konwerter I/U
UWY
R I IRUWY
Konwerter I/U, przykład symulacyjny
IRUWY
Konwerter I/U - zastosowanie
UWY
R IRUWY
I
U
Wzmacniacz różnicowy (0)
R2
UWY
R1
R1 U2
R2
U_
U+
121
2WY
21
22
21
1WY21
21
2
2
WY
1
1
UUR
Ru
RR
RUU
RR
RURUU
R
U
R
UU
R
UU
R
UU
Wzmacniacz różnicowy
121
2WY UU
R
Ru
Wzmacniacz całkujący - integtator
UWE UWY
R
UID
C
t
0
CWEWY
WEWY
WYWE
0UdtURC
1U
URC
1
dt
dU
dt
dUC
R
U
Wzmacniacz całkujący - integrator
Wzmacniacz całkujący - integrator
Wzmacniacz różniczkujący
UWE UWY
R
UID
C
dt
dURCU
R
UI
dt
dUCI
WEWY
WYR
WEC
Wzmacniacz różniczkujący
Wzmacniacz różniczkujący
Temat i plan wykładu
Komparatory napięcia 1. Wprowadzenie
2. Budowa komparatorów napięcia
3. Podstawowe parametry i układy pracy
4. Komparator nieregeneracyjny i regeneracyjny
5. Przerzutniki Schmitta
6. Detektory zera
• Pojawienie się różnicy napięć rzędu ułamka mV między wejściami komparatora wywołuje skokową zmianę poziomu napięcia na wyjściu,
• poziom napięcia wyjściowego jest wysoki albo niski, zależnie od znaku różnicy napięć wejściowych,
• jeżeli napięcie wejściowe podane na końcówkę odwracającą (-) komparatora jest mniejsze od napięcia podawanego na końcówkę nieodwracającą (+), to napięcie wyjściowe przyjmuje poziom wysoki (H),
•jeżeli napięcie wejściowe podane na końcówkę odwracającą (-) komparatora jest większe od napięcia podawanego na końcówkę nieodwracającą (+), to napięcie wyjściowe przyjmuje poziom niski (L).
+UCC
-UCC
uwe
UREF uwy
GND
Zasada działania komparatora
napięcia Jednobitowy
przetwornik AC
+UCC
-UCC
uwe
UREF uwy
GND
uwy
t
UHO
ULO
uwe
t
UREF
0
0
Zasada działania komparatora nieregeneracyjnego
Komparator regeneracyjny odwracający
RF uwe uwy
R
UREF
Zadaniem rezystora RF jest spowodowanie powstania dwóch poziomów napięcia progowego, którego wartości będą zależały od stanu wyjścia komparatora.
Wyznaczenie progów przełączania i histerezy
00
00
LHF
H
LwyHwy
wywyF
pLpHH
F
FREF
F
wypL
F
FREF
F
wypH
UURR
RU
UUUU
UURR
RUUU
RR
RU
RR
RUU
RR
RU
RR
RUU
minmax
minmax
min
max
uwy komparatora nieregeneracyjnego
t
UHO
ULO
uwy komparatora regeneracyjnego UHO
t ULO
uwe
t
UREF
Uhis
Komparator z otwartym kolektorem
np.+5V
wy OC
R 0,5-5kΩ
Przykłady komparatorów:
LM 311-szybki
LM 339, CP 401-OC
TLC 393-CMOS
NE 529-dwie bramki, światłowodowe przekazywanie danych, przetwornik A/C
MAX 921-wewnętrzne napięcie odniesienia, programowalna histereza, wyjście TTL/CMOS
czas odpowiedzi: ns, μs
zasilanie: symetryczne, asymetryczne
OC-open collector
Modulator szerokości impulsu (PWM)
Wyłącznik zmierzchowy
Przerzutnika Schmitta, progi przełączania i szerokości pętli histerezy
minmax
min
max
wywyF
pLpHH
F
wypL
F
wypH
UURR
R
UUU
RR
RUU
RR
RUU
Przebiegi napięć w odwracającym przerzutniku Schmitta
Detektory przejścia przez zero
Detektor przejścia przez zero wytwarza sygnał wyjściowy zmieniający stan za każdym razem, gdy wartość analogowego sygnału wejściowego przekracza poziom zerowy. Układ taki jest szczególnie przydatny przy analizie widma częstotliwościowego sygnału, gdyż przetwarza sygnał analogowy w ciąg impulsów prostokątnych o szerokościach zależnych od częstotliwości. W ten sposób następuje redukcja szumów i zniekształceń sygnału badanego, a dalszą analizę można łatwo przeprowadzić metodami cyfrowymi.
Detektor przejścia napięcia przez zero
Zastosowanie detektorów przejścia przez zero
•Systemy przetwarzania i obróbki danych analogowych,
• układy pamięci analogowych,
• badanie korelacji sygnałów.
Należy stosować szybkie komparatory, aby opóźnienie sygnału wyjściowego w stosunku do chwili przejścia przez zero było małe, i jednocześnie o dobrej dokładności, aby błąd określenia poziomu zerowego był mały. W detektorach przejścia przez zero często stosuje się zamiast komparatora napięcia wzmacniacz operacyjny.
Przerzutnik astabilny
R2 R1
wy
C R
uC
uwy
Mogą być użyte wzmacniacze operacyjne lub komparatory:
przerzutnik astabilny, generator relaksacyjny, muliwibrator.
uwy
i
t
UCC
-UCC
t
uC
CCURR
R
21
1
CCURR
R
21
1
Δt1 Δt2
Rezystancja wejściowa
R2
A
R3=R1||R2
UID R1
I1
I2
UWY
UWE
RWE
k50R,k5R,102A,A 215
21
WE21 III
WE
WEWE
I
UR
WY21WEWE URRIU
IDWY AUU
ID1WEWE URIU
1WEWEWY RIUAU 1WEWE21WEWE RIUARRIU
A1
RR
A1
RA1RR 2
121
WE
25,5000R 2WE
%005,0%1005000
25,0
5000
500025,5000cjitanrezyszmiana%
Pomiar rezystancji ogniw elektrochemicznych
Pomiar różnicy napięć termopar
Wyprowadzenia, podłączenie napięć zasilających, zabezpieczenia
Sygnał na wejściu wzmacniacza (niebieski) i przesterowany sygnał wyjściowy (czerwony),wzmocnienie wynosi 10, Uz=+/- 15 V.
Przesterowanie wzmacniacza odwracającego
Elektrokardiografia – system pomiarowy EKG