View
11
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
OPERACIONI POJAČAVAČ
• Naponski komparatori
• Regenerativni komparatori (Šmitov komparator )
• Precizni usmerači
• Relaksacioni oscilatori
• Multivibratori
Primene OP u nelinearnim kolima
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
• Multivibratori
• Detektori maksimalnog signala
12/10/2016 1
Primene OP u nelinearnim kolima
Komparator
• Naponski komparator je kolo koje poredi amplitude dva napona. Izlazni
napon može da ima jednu od dve moguće vrednosti zavisno od toga koji je od
dva ulaza na višem potencijalu.
•Komparator realizovan primenom operacionog pojačavača može da radi u
otvorenoj petlji (bez povratne sprege) ili koristi pozitivnu povratnu spregu. U
oba kola izlazni napon odgovara pozitivnom ili negativnom zasićenjuoba kola izlazni napon odgovara pozitivnom ili negativnom zasićenju
operacionog pojačavača.
• Dve moguće konfiguracije Op-amp komparatora su:
• invertujuća konfiguracija u kojoj se ulazni signal dovodi na invertujući
ulazni terminal.
• neinvertujuća konfiguracija u kojoj se ulazni signal dovodi na
neinvertujući ulazni terminal.
Primene OP u nelinearnim kolima
• U Op-amp komparatoru bez povratne sprege ulazni signal se dovodi na
jedna od ulaza dok se za drugi ulaz priključuje referentni napon.
• Komparator sa operacionim pojačavačem u otvorenoj petlji funkcioniše
korektno ukoliko su promene ulaznog signala dovoljno brze i ukoliko u
ulaznom signalu nema suviše šuma. U suprotnom ovo kolo praktično osciluje
između dva režima zasićenja. Jedna od načina da se ovaj problem prevaziđe
je da se uvede pozitivna povratna sprega.
Primene OP u nelinearnim kolima
Komparator
Komparator upoređuje napon signala na
jednom ulazu sa naponom na drugom
ulazu koji je poznat i naziva se referentni
napon.
satrefin VVVV −=⇒< 0
satrefin VVVV =⇒> 0
OPERACIONI POJAČAVAČ
Invertujući komparator
Primene OP u nelinearnim kolima
=−
−==−=⇒=+
satoutsat
satoutsat
outin
VVzaR
RV
VVzaR
RV
R
RVVV
2
1
2
1
2
10
• Ovim kolom se konvertuje proizvoljni talasni oblik u pravougaoni. Ulazni napon
menja stanje na izlazu OP svaki put kada kada njegova vrednost prelazi prag okidanja.
Neinvertujući Šmitov komparator
2
Primene OP u nelinearnim kolima
outVRR
RV ⋅
+=+
21
1
−=+
−
=+
=+
=⇒=
satoutsat
satoutsat
outinindiff
VVzaRR
RV
VVzaRR
RV
RR
RVVV
21
1
21
1
21
1_ 0
Invertujući Šmitov komparator
Op-amp komparator sa histerezisom (Šmitov triger)
Šmitov triger konvertujeproizvoljni analogni signalu diskretni signal. Tipičnaprimena ovog kola jeeliminisanje šuma izsignala koji se koristi udigitalnim kolima.
Op komparator sa histerezisom (Šmitov triger)
Za realizaciju Šmitovog trigera upotrebljen je operacioni pojačavač. Napon pozitivnog i nagativnog zasićenja operacionog pojačavača iznose +VCC=12 V i –VCC=12 V,respektivno. Ukoliko se zahteva da napon histerezisa projektovanog kola iznosi 2 V odrediti vrednosti otpornika u povratnoj sprezi u slučaju:
a) Neinvertujućeg Šmitovog trigera
b) Invertujućeg Šmitovog trigera
1. Zadatak 2. Čas
a) b)
Naponski komparatori
• Standardni operacioni pojačavači mogu se upotrebiti za realizacijukomparatora. Medjutim, oni su optmizovani za rad linearni režim radai za rad za kola koja sadrže negativnu povratnu spregu.• Namenski naponski komparatori se razlikuju u odnosu nastandardne operacione pojačavače po izlaznom stepenu. Izlaznistepen naponskih komparatora sadrži prekidačne tranzistore da bi senapon napon mogao da se menja što većom brzinom.• Neka od komercijalni integrisanih kola naponskih komparatorsa su :LM311, LM393, LM339.LM311, LM393, LM339.
• Integrisana kola naponskihkomparatora najčešće na izlazu imajutranzistorski prekidač koji konvertujeanalogni u digitalni signal. Ovaj prekidačje realizovan u konfiguraciji sa otvorenimkolektorom ili otvorenim drejnom.
Relaksacioni oscilatori
• Elektronski oscilator mogu se podeliti u dve opšte kategorije: harmonijski oscilatori i relaksacioni oscilatori. Relaksacioni oscilatori generišu na izlazu signal koji nije sinusnog talasnog oblika već nekog drugog talasnogoblika. Najčešće se koriste oscilatori pravouganog ili testerastog talasnog oblika. • Jedan od čestih primena u OP je generator pravouganog talasnog oblika. On se sastoji od invertujućeg Šmitovog trigera i RC kola. U RC kolu se praktično dobija integral izlaznog izlaznog napona. Napon na kondenzatoru je praktično ulazni signal za invertujući Šmitov komparator. U ovom kolu praktično dolazi do naizmeničnog punjenja i pražnejnja kondenzatora preko otporniak R koji je naizmeničnog punjenja i pražnejnja kondenzatora preko otporniak R koji je povezan sa izlazom.
( ) ( )( ) ( )
−=
⋅=
⋅−= −RC
t
CCccc
cCCc
eVtv
dt
tdvCi
tiRVtv
1
The relaxation oscillator
Napon na inverujućem ulazu je jednak naponu na kondenzatoru i može se izraziti na sledeći način:
• Napon na kondenzatoru će promeniti vrednostiod gornjeg praga okidanja (-βVSS) do donjegpraga okidanja u toku vremenskog intervala ∆t1:
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) RC
t
cccc
ccc
etvVVtv
dt
tdvCi
tiRtvVtv −−−=
⋅=
⋅−−=
000
00
praga okidanja u toku vremenskog intervala ∆t1:
• Napon na kondenzatoru će promeniti vrednostiod donjeg praga okidanja (βVSS) do donjeg pragaokidanja (-βVSS) u toku vremenskog intervala ∆t2:
• Period oscilacija iznosi:
Isprojektovati relaksacioni oscilator čija je frekvencija oscilovanja f0=10 kHz. Pretpostaviti da posedujemo sledeće komponente: C=6.8 nF and R=10 kΩ. Napon na izlazu se menja u opsegu od Vsn=-12 V do Vsp=12V.
2 Zadatak 2 Čas
OPERACIONI POJAČAVAČ
Idealna dioda (precizni ispavljač)
Obična dioda ima pad napona direktne polarizacije Vγ oko 0,6V. Ovo kolo se ponaša
kao dioda sa Vγ=0 V.
inoutin VVA
VV =⇒>
0
χ
0=⇒< outin VV
Vχ
Linearni režim rada-dioda vodi i uspostavlja senegativna povratna sprega
Negativno zasićenje dioda ne vodi i OP je bez 0
0
=⇒< outin VA
Vdioda ne vodi i OP je bez povratne sprege
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Sadržaj
Karakteristike realnog operacionog pojačavačaa. Uticaj konačnog pojačanjab. Propusni opsegc. Ulazna naponska razdešenostd. Struje polarizacije i ulazna strujna razdešenost
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
d. Struje polarizacije i ulazna strujna razdešenoste. Faktor potiskivanja srednje vrednosti signalaf. Faktor potiskivanja napona napajanjag. Ulazna otpornosth. Izlazna otpornosti. Maksimalna brzina odziva (Slew rate)j. Maksimalni izlazni naponk. Maksimalna izlazna struja
Analogna elektronska kola 15
Ogran ičen ja OP
Statička ograničenja OP
• Ulazni ofset napon
• Struja polarizacije i ulazni ofset struje
• Faktor potiskivanja srednje vrednosti signala
• Faktor potiskivanja promene napona napajanja
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLAAnalogna elektronska kola 16
napajanja
• Maksimalni napon na izlazu
Dinamička ograničenja OP
Frekvencijski odziv u otvorenoj petlji
Ulazna i izlazna impedansa
Vremenski odziv (maksimalna brzina odziva na izlazu)
RR
Uticaj konačnog pojačanja u otvorenoj petlji na inverujući pojačavač
α∙ vin Komponenta signala koja se direktno prenosi od ulaza do ulaza osnovog pojačavača.
β∙ vo Komponenta signala koja se prenosi od izlaza do ulaza osnovog pojačavača.
Analogna elektronska kola 17
021
1
21
2012
vRR
Rv
RR
Rvvv inin ⋅
++⋅
+=⋅+⋅= βα
12vAov ⋅−=
21
10
21
20
0
0
11
RR
RA
RR
RA
A
A
gv
ov
Ar
+⋅+
+⋅−
=⋅+
⋅−==
βα
osnovog pojačavača.
21
212
0 RR
R
vv
v
oin +=
==α
21
1
0
12
0 RR
R
vv
v
in +=
==β
Realna amplitudska karakteristika OpAmp 741
OP AMP L IM ITAT IONS Finite bandwidth effects
Jedno od najozbiljnijih ograničenja OP je činjenica da pojačanje u otvorenoj petlji iima visoku vrednosti samo za veoma niske frekvencije reda nekoliko Hz. Nakon granične frekvencije pojačanje opada što prouzrokuje degradaciju performansi ukupnog kola.
dBj
AjA
3/1
0)(ωω
ω+
=
Ao je DC pojačanje u otvorenoj petlji
f3dBf1
Ao je DC pojačanje u otvorenoj petlji
f3db je frekvencija dominantnog pola
( )
+=
=
23/1
0log20][)(
)(log20][)(
dB
AdBjA
jAdBjA
ωωω
ωω
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Efekat konačnog propusnog opsega
dB
dBAjA 3
3for 0)( ωω
ω
ωω >>≈
2
3
1
0)(
+
=
dB
AjA
ωω
ω
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
fT=ωωωω1/2ππππ, frekvencija jediničnog pojačanja ili
Proizvod pojačanje propusni opseg (GB)
f3dBfT
19
TdBA ωω == 30GB
ω
dBT AjA 30for 1)( ωωω ==
dBT AdBjA 30for 0][)( ωωω ==
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Efekat konačnog propusnog opsega
)1(1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
BAj
BA
A
j
BA
j
A
BA
AA
g
g
gr
−⋅+
⋅−
=
+
⋅−
+
=⋅−
=
ωω
ωω
ωω
U kolu sa negativnom povratnom spregom dobija se:
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA20
Proizvod jednosmernog pojačanja i granične frekvencije ostaje stalan i jednak je frekvenciji jedinčnog pojačanja.
trrg AA ωωω =⋅=⋅0
gω
( )ABgr −= 1ωω( )AB
AAr −
=1
0
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Definicija: Napon koji treba dovesti između ulaznih priključaka tako da napon na izlazu bude jednak nuli.
Uzrok: Ovo je posledica nepodešenosti ulaznog pojačavača(diferencijalnog pojačavača). Kada se ulazi kratkospoje napon na izlazu nije jednak nuli.
Tipična vrednost: 1mV<VOS<5mV.
Ulazna naponska razdešenost (naponski ofset)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Modeliranje: Naponski ofset modelira se jednosmernim generatorom na invertujućem ili neinvertujućem ulazu.
Realni pojačavač
Idealni pojačavač
Analogna elektronska kola 21
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Ulazna naponska razdešenost (naponski ofset)
Naponski ofset jednak je razlici napona na emitorskih spojeva tranzistora u diferencijalnom paru: Vio=Vbe1-Vbe2
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLAAnalogna elektronska kola 22
O P A M P L I M I TAT I O N S : voltage offset
Interna kompenzacija
Ulazna naponska razdešenost
Neka kola inegrisana kola OP sadrže dva pina kojima se omogućavaeliminacija naonskog ofseta. Nulovanje ofseta se primenjuje upotrebompotenciometra koji je svojim srednjim izvodom povezan za negativno napajanje.
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Unutrašnja kompenzacija
Ulazna naponska razdešenost (naponski ofset)
Podešavanje se obavlja se tako što se:• implementira željeno kolo• ulazni priključak kola poveže sa referentnim• podešava potenciometar dok se na izlazu ne dobije nulta vrednost napona.Napon se meri veoma osetljivim voltmetrom.
Praksa je da se podešavanje ofseta obavlja nakon što je kolo radilo nekoliko sati.
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLAAnalogna elektronska kola 24
Praksa je da se podešavanje ofseta obavlja nakon što je kolo radilo nekoliko sati.
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Spoljašnja kompenzacija
Ulazna naponska razdešenost (naponski ofset)
Spoljašnja kompenzacijaInvertujućeg pojačavača
Spoljašnja kompenzacijaneinvertujućeg pojačavača
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLAAnalogna elektronska kola 25
R1>> R3R1 >> R3, Ra Ra >> R2
R2 treba da ima malu vrednost, desetak oma, da promena otpornosti potenciometra nebi uticala na otpornost izmedju ulaza i mase. Iz istog razloga R1 treba da bude što veće.
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Definicija: Struja razdešenosti na ulazu predstavlja razliku izmeđuulaznih struja polarizacija, Ios=IB1- IB2.
Uzrok: Ulazne struje su jednosmerne struje polarizacije bipolarnihtranzistora u diferencijalnom pojačavaču. Ove struje su kod MOSFEToperacionih pojačavača zanemarive. Strujni ofset nastaje zbognemogućnosti izrade dva tranzistora sa identičnim karakteristikama.
Ulazne struje polarizacije i strujni ofset (strujna razdešenost na ulazu)
Tipične vrednosti za bipolarni O.P. Modeliranje
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
100nA 2
21 ≤+
= BBB
III
10nA 21 ≤−= BBOS III
Analogna elektronska kola 26
Tipične vrednosti za bipolarni O.P. Modeliranje
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Uzrok: Ulazne struje su jednosmerne struje polarizacije bipolarnihtranzistora u diferencijalnom pojačavaču. Ove struje su kod MOSFEToperacionih pojačavača zanemarive. Strujni ofset nastaje zbognemogućnosti izrade dva tranzistora sa identičnim karakteristikama.
Ulazne struje polarizacije i strujni ofset (strujna razdešenost na ulazu)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLAAnalogna elektronska kola 27
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Uticaj ulaznih struja polarizacije na izlazni napon invertujućeg pojačavača
221 RIRIV BBOSI ≅=
Treba uočiti da velika ulazna
otpornost zahteva veliku vrednost
R nakon čega je potrebno
IB1 R2
R10
Ulazne struje polarizacije i strujni ofset (strujna razdešenost na ulazu)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
R1 nakon čega je potrebno
povećati i vrednost R2.
Što je veća vrednost R2 veći je
uticaj strujne razdešenosti na
izlazni napon, VOSI!
VOSI
0V
Analogna elektronska kola 28
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Efekat strujnog ofseta može se umanjniti izborom odgovarajuće vrednosti otpornika R3.
13212 / RRIII BB −=I2
R2
R1IB2R3/R1 2232 RIRIV BOSI +−=
Ulazne struje polarizacije i strujni ofset (strujna razdešenost na ulazu)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
VOSI
R3
IB2
-IB2R3
[ ])/1(
za
1232
21
RRRRIV
III
BOSI
BBB
+−=
==
Analogna elektronska kola 29
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Da bi se umanjio ofset struje potrebno je
21
12
12
23
/1 RR
RR
RR
RR
+=
+=
1
2/
2/
III
III OSBB
−=
+=
Ulazne struje polarizacije i strujni ofset (strujna razdešenost na ulazu)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
2
2 2/
RIV
III
OSOSI
OSBB
=
−=
Izlazni napon pod dejstvo strujnog ofseta, VOSI , umanjen je za red veličine s obzirom da je IOS << IB
Analogna elektronska kola 30
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Da bi se umanjio uticaj struja polarizacije, otpornik koji se vezuje zaneinvertujući ili invertujući ulaz treba da bude jednak DC ulaznoj otpornosti nadrugom ulazu.
Ulazne struje polarizacije i strujni ofset (strujna razdešenost na ulazu)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Potrebno je da R3 =R1 || R2
Analogna elektronska kola 31
OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA
Isprojektovati neinvertujući pojačavač sa sledećimspecifikacijama: pojačanje u zatvorenoj petlji 5, greškapojačanja 1%, širina propusni opseg u zatvorenoj petlji BW=50kHz. Odrediti pojačanje i širinu propusnog opsegaoperacionog pojačavača koji bi se upotrebio u ovom kolu ?
3. Zadatak 2. Dan
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA17/10/2018 32
Recommended