Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

2009 2014 Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer Operasjonsforsterkere 27.03.2014INF 1411 1.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "2009 2014 Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer Operasjonsforsterkere 27.03.2014INF 1411 1."— Utskrift av presentasjonen:

1 Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer Operasjonsforsterkere INF

2 Dagens temaer Ideel operasjonsforsterker Operasjonsforsterker-karakteristikker Differensiell forsterker Opamp-kretser Dagens temaer er hentet fra kapittel INF

3 INF Historikk Operasjonsforsterkeren ble oppfunnet på 1940-tallet og implementert med radiorør Virkemåten er stort sett uendret Som for øvrig for elektronikk har Mindre størrelse Lavere effektforbruk Lavere pris Bedre pålitelighet De første opamp’er var bygget med diskrete komponenter, dagens ofte integrert med annen elektronikk

4 INF Enkel opamp-modell Skjematisk tegnes en opamp slik vist i figur b) Siden opamp er en aktiv enhet, trengs ekstern strømforsyning og kalibreringssignaler En opamp kan ses på som en enkel forsterker med følgende sammenheng mellom input og output (A er gain eller forsterkning):

5 INF Karakteristikker til en ideel opamp En ideell operasjonsforsterker har følgende egenskaper: Input-motstanden R i =∞ Output-motstanden R o =0 Spenningsforsterkningen A v = ∞ Båndbredden= ∞ V 0 =0 når V 1 =V 2, uavhengig av størrelsesordenen til V 1

6 INF Oppbygging av opamp De fleste opamp’er har et differensielt steg først, etterfulgt av en spenningsforsterker (klasse A) og tilslutt en push-pull forsterker (klasse B)

7 INF Differensiell forsterker De fleste opamp’er har et differensielt steg først, etterfulgt av en spenningsforsterker (klasse A) og tilslutt en push-pull forsterker (klasse B) Differensielle forsterkere («Diffamp») har fordeler sammelignet med andre forsterker, bla, undertrykker de «commom-mode» støy (støy som er tilstede i begge input- signalene Diffamps kan designes både med BJT og FET; sistnevnte brukes hvis veldig høy inngangsmotstand er påkrevet

8 INF Differensiell forsterker (forts) Input er i single-ended modus R C1 R C2 RERE +V C C -V EE Q1Q1 Q2Q2 Ved emitterne er signalet halvparten av input. Signalet ved kollektoren til Q 1 er invertert. Signalet ved kollektoren til Q 2 er ikke-invertert. Virkemåte når det ene input-signalet er koblet til jord («single- ended mode»)

9 INF Differensiell forsterker (forts) Når begge input er koblet til signaler, og de er ute av fase kalles det for differensiell modus R C1 R C2 RERE +V CC  V EE Q1Q1 Q2Q2 Inputs out of phase Input ute av fase Hver av output- signalene er større enn input-signalene

10 INF Differensiell forsterker (forts) Når begge input er koblet sammen, eller de er i fase, opererer diffampen i common-mode Hver av output-signalene er større enn input-signalene R C1 R C2 RERE +V CC  V EE Q1Q1 Q2Q2 Input er i fase Når input-signalene er i fase, kansellerer de hverandre og output ligger rundt 0 volt

11 INF Implementasjon (741-type) Strømspeil Differensiell forsterker Klasse A gain steg Spenningsnivå- skifter Utgangssteg Strømspeil

12 INF Negativ tilbakekobling Tilbakekobling er en utbredt teknikk i bla kontrollsystemer og forsterkere for å bedre linearitet Brukt på en diffamp fører negativ tilbakekobling til at de to input- signalene alltid er i fase, men forskjellen i amplitude mellom dem forsterkes opp Hvis et input-signal hadde blitt koblet til jord og det andre til en ekstern kilde, ville små variasjoner ført til et stort output-signal (metning)

13 INF Spørsmål Nevn to regler som gjelder for en ideel opamp? Hvilke tre deler består en opamp av? Hva er fordelen med en differensiell forsterker (diffamp)? Nevn grunner til at båndbredden ikke er uendelig Nevn grunner til at forsterkningen A ikke kan være uendelig Hvor stor input-motstand har en ideel opamp Hvor stor output-motstand har en ideell opamp

14 INF Opamp med negativ feedback For å forstå virkemåten til en krets med negativ tilbakekobling brukes en inverterende forsterker::

15 INF Inverterende forsterker (forts.) Ønsker å finne utgangssignalet v out som funksjon av v in Setter opp KVL for kretsen:

16 INF Inverterende forsterker (forts.) Ved å anta at begge terminalene har samme spenning (virtuell jord) får vi at Har nå to ligninger med to ukjente og dette gir:

17 INF Inverterende forsterker (forts.) A er gitt av forholdet mellom R f og R 1 : Ser på oppførselen med v in =5sin(3t)mV, R 1 =4.7kΩ, R f =47k Ω Dette gir v out =-50sin(3t)mV

18 INF Ikke-inverterende forsterker Hvis man ikke ønsker invertert output, kan man benytte en ikke- inverterende forsterker Bruker KCL for å finne v out som funksjon av v in :

19 INF Ikke-inverterende forsterker(forts) Ser på oppførselen med v in =5sin(3t)mV, R 1 =4.7kΩ, R f =47k Ω Dette gir v out =-55sin(3t)mV Merk forskjellen i A mellom inverterende og ikke- inverterende forsterker. En inverterende forsterker har A>0, mens en ikke- inverterende har A ≥ 1

20 INF Spenningsfølger En annen mye brukt konfigurasjon er spenningsfølgeren (buffer) Spenningsfølgeren brukes blant annet for å elektrisk isolere input fra output

21 INF Praktiske opamp’er Ved å ta utgangspunkt i den enkle opamp-modellen kan man sette opp hvordan en fysisk opamp avviker fra en ideel

22 INF Praktiske opamp’er (forts) Denne modellene har tre parametre som klassifiserer opampen: Inngangsresistansen R i Utgangsresistansen R o Forsterkningen A For en fysisk opamp er R i typisk MΩ eller større Utgangsmotstanden R o er noen få Ohm Forsterkningen (open-loop, dvs opamp’en alene) er vanligvis fra 10 5 og større Spesialiserte opamp’er kan ha helt andre verdier

23 INF Fra den enkle modellen kan man utlede de to ideelle opampreglene (repetisjon): Det er ingen spenningsforskjell mellom inngangsterminalene Det går ingen strøm inn i inngangsterminalene Utgangsspeninngen er gitt av Hvis A er svært stor, vil derfor v d bli svært liten, siden v out ikke kan være høyere enn spenningsforsyningen Praktiske opamp’er (forts)

24 INF Hvis utgangsmotstanden R o er større enn 0, vil output- spenningen v out synke når utgangsstrømmen i out øker En ideell opamp bør derfor ha R o =0 I praktiske kretser er det viktig at utgangsmotstanden i forhold til lastmotstanden er så liten som mulig slik at det ikke blir spenningsfall som i sin tur er for mye avhengig av utgangsstrømmen Praktiske opamp’er (forts)

25 INF Common-mode rejection Utgangsspenningen er proporsjonalt avhengig av spenningsforskjellen mellom inngangsterminalene I en ideell opamp’en vil en felles spenningskomponent ikke påvirke utgangssignalet: I en fysisk opamp vil en felles spenningskomponent påvirke utgangssignalet Common-mode forsterkning (gain) er definert som der v oCM er utgangsspenningen når inngangen er v 1 =v 2 =v CM

26 INF Common-mode rejection Common-mode rejection ratio CMRR er definert som forholdet mellom gain i differensiell og common modi CMRR oppgis ofte på decibelskala (logaritmisk) I decibel vil en dobling av CMRR innebære en økning på 6

27 INF Metning (saturation) Metning er et ikke-lineært fenomen som opptrer når økning av inngangsspenningen ikke lenger gir økning i utgangsspenningen Utgangsspenningen fra en opamp kan aldri overstige forsynings-spenningen (forsterkningen er derfor i praksis begrenset) Transistorene som driver utgangen i opamp’en har konstant spenningsfall som gjør at maks utgangsspenning ligger under maks forsyningsspenning

28 INF Metning (forts.) Når opamp’en er i metning, opererer den utenfor det lineære området. Overgangen fra lineært område til metning er ikke nødvendigvis symmetrisk, dvs Den positive og negative metningsspenningen er heller ikke alltid like, dvs

29 INF Input offset-spenning Hvis inngangsterminalene er koblet sammen vil v d =0, og dermed v out =0, hvis opamp’en er ideell I praksis vil imidlertid v out ≠ 0 når v d =0 Denne effekten kalles for input offset spenning Opamp’er er utstyrt med to ekstra terminaler slik at offset spenningen kan justeres til 0

30 INF Slew rate Slew rate er et mål på hvor raskt utgangssignalet klarer å endre seg når inngangssignalet endrer seg Slew rate måles i volt per sekund på utgangen Ulike opamp’er har ulike slew rates Opamp’er som har høy maksimal output-spenning vil typisk ha lav slew-rate Slew rate vil bestemme hva som er opamp’ens båndbredde, dvs anvendelige frekvensområde

31 INF Slew rate (forts)

32 INF Spørsmål Hva menes med common mode? Hva menes med differensiell mode? Hva menes med CMRR? Hva menes med slew rate? Hva menes med metning? Hva er mulige årsaker til slew rate? Hvis opamp’en ikke er i metning, hvilket område opererer den i da?


Laste ned ppt "2009 2014 Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer Operasjonsforsterkere 27.03.2014INF 1411 1."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google