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

2 2009 2014 Dagens temaer Ideel operasjonsforsterker Operasjonsforsterker-karakteristikker Differensiell forsterker Opamp-kretser Dagens temaer er hentet fra kapittel 18.1-18.6 27.03.2014INF 1411 2

3 2009 2014 27.03.2014INF 1411 3 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 4 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 5 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 6 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 7 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 8 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 9 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 10 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 11 Implementasjon (741-type) Strømspeil Differensiell forsterker Klasse A gain steg Spenningsnivå- skifter Utgangssteg Strømspeil

12 2009 2014 27.03.2014INF 1411 12 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 13 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 14 Opamp med negativ feedback For å forstå virkemåten til en krets med negativ tilbakekobling brukes en inverterende forsterker::

15 2009 2014 27.03.2014INF 1411 15 Inverterende forsterker (forts.) Ønsker å finne utgangssignalet v out som funksjon av v in Setter opp KVL for kretsen:

16 2009 2014 27.03.2014INF 1411 16 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 17 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 18 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 19 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 20 Spenningsfølger En annen mye brukt konfigurasjon er spenningsfølgeren (buffer) Spenningsfølgeren brukes blant annet for å elektrisk isolere input fra output

21 2009 2014 27.03.2014INF 1411 21 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 22 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 23 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 24 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 25 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 26 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 27 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 28 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 29 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 30 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 2009 2014 27.03.2014INF 1411 31 Slew rate (forts)

32 2009 2014 27.03.2014INF 1411 32 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