wykład nr 6 - wzmacniacze operacyjne i komparatory

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