Upload
others
View
13
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Osnovne komponente elektronskih uređaja
4.11.2020.
OPERACIONI POJAČAVAČ-OPAMP
OPAMP:•diferencijalni pojačavač•sa velikim pojačanjem•naponom kontrolisan naponski izvor (VCVS)
vd=v1-v2 -razlika napona na ulazuv1 – invertujući ulazv2 – neinvertujući (direktan) ulazRd - otpor na ulazuvo - napon na izlazu Ro - otpor na izlazu A - pojačanje
oznaka OPAMP
A(v2-v1)
ekvivalentna i blok šema
IDEALNI OPAMP
PRETPOSTAVKE zaidealni OPAMP:
•A = ∞
•Zul= Rd= ∞
•vo=0 kada je v1=v2
(nema ofseta)
•Ro=0
•PROPUSNI OPSEG = ∞
pojednostavljenja u projektovanju
A(v2-v1)
ekvivalentna i blok šema
pojednostavljena analiza idealnog OPAMP
U linearnom režimu rada OPAMP sa
negativnom povratnom spregom
mogu se primeniti dva pravila:
A
Pravilo 1: ulazni krajevi su
na istom naponu: vul= 0
Pravilo 2: struja na oba
ulaza pojačavača je: Iul = 0
IDEALNI OPAMP
Pretpostavke:•pojačava sve signale jednako, bez obzira na učestanost•nema fazne razlike između ulaznog i izlaznog signala
izlazni napon (vo): • generiše se na račun energije napajanja (Vcc)
ulazni napon (vul): • kontrolni signal • određuje oblik izlaznog napona (vo) u aktivnom režimu rada
vo
IDEALNI OPAMP
ULAZNA IMPEDANSA (otpornost) OPAMP
Impedansa merena između ulaznih terminala
Ulaz Kolo Izlaz
Potrebno je da bude što veća •da bi ulazna struja u pojačavač bila što manja i •da ne bi remetila (“trošila”) mernu veličinu
IZLAZNA IMPEDANSA (otpornost) OPAMP
Ulaz Kolo Izlaz
Impedansa merena između izlaznih terminala
Potrebno je da bude što manja da bi se energija:
•maksimalno “trošila” na kola koja su povezana na terminale
•minimalno uticala na rad samog uređaja.
IDEALNI I REALNI OPAMP
POJAČANJE U OTVORENOJ SPREZI
PROPUSNI OPSEG
ULAZNA IMPEDANSA
IZLAZNA IMPEDANSA
ŠUM
(V/Hz1/2 ili A/Hz1/2)
CMRR - FAKTOR POTISKIVANJA ZAJEDNIČKOG SIGNALA(pojačanje diferencijalnog signala /pojačanje zajedničkog signala)
IDEALNI 0 0
REALNI 106 1 MHz 100 M 100 1 100000
)(o VVAAVAVV
A
OPAMP- KOMERCIJALNI PRIMERI
KOMERCIJALNI OPAMP PRIMERI: karakteristike / namena
Uloga kola?
Pravilo 2: I+=0 => ako je na ulazu izvor
velikog opterećenja neće uticati na izlaz
KOLO ZA PRAĆENJE – “buffer”
II. način
V+=Vin & Pravilo 1=> V-=Vin
Vout=V- => Vout=Vin
(Vout = V- = V+ = Vin)
obezbeđuje da :Vout prati promene Vin
u određenom opsegu (istog znaka)osnovna primena:
za odvajanje pojačavačkog stepena od prethodnih elemenata ("buffer")
•V+=Vin
•V-=Vout
•Vout = A(V+-V-)
I. način
Vout=A(V+-Vout)
Vout=A/(A+1) ° V+
A>>1 => Vout=V+=Vin
° - oznaka za množenje
Neinvertujući pojačavač jediničnog pojačanja
KOLO ZA PRAĆENJE sa pojačanjem
II. Način
I1 = V-/R1 , I2 = (Vout – V-)/R2
Pravilo 1: Vin=V-
Pravilo 2: I-=0 => I1 = I2
Vout / Vin= 1 + R2/R1
Vout = A(V+- R1/(R1+R2)°Vout)
Vout=A(R1+R2)/(R1+R2+AR1)°V+
A>>1 => Vout=(R1+R2)/R1°V+
Vout=(1+R2/R1) Vin
•V+=Vin
•V-=R1/(R1+R2)°Vout
• Vout = A(V+-V-)
PRIMER:
R1=10 kΩ; R2= 47 kΩ
Vout/Vin=5.7
Neinvertujući pojačavač: modifikacija buffer-a uvođenjem dva otpornika(samo deo izlaza se vraća na ulaz).
I. Način
KOLO ZA PRAĆENJE sa pojačanjem
za Vin°A > Vcc =>Vout = Vcc
“buffer“ na izlazu daje konstantan pojačan napon
analogija
ulaz-izlaz karakteristika
Vout/ Vin=(1+R2/R1)
Naponski kontrolisan strujni izvor (VCCS)ZADATAK: Pokazati da kada se buffer sa razdelnikom (sl.1) modifikuje (sl.2) radi kao strujni izvor (VCCS-voltage controled current source).
Load-opterećenje OPAMP, R-otpornik male otpornosti.
sl.1sl.2
REŠENJE:
KOLO ZA INVERTOVANJE
Pravilo 2 => Iul=0 => I2= I1 =>
Vout /Vin = -R2/R1
•prati promene ulaznog napona •menja polaritet ulaznog napona •(ne) menja intenzitet ulaznog napona
neinvertovani ulaz – povezan za uzemljenje
bipolarno napajanje (±VCC)
unipolarno napajanje
V+=0 & Pravilo 1 => V- =0 (virtuelno uzemljenje)
I1 = (Vin - V-)/R1 = Vin/R1
I2=(V-- Vout )/R2 = -Vout/R2
pojačanje: funkcija R2 / R1
•V+=0
• Vout = A(V+-V-)
KOLO ZA INVERTOVANJE
Vout /Vin = -R2/R1
R2 u ograničenom opsegu Vin obezbeđuje da idealni OPAMP radi u linearnom režimu.
•Opseg OPAMP određen sa VCC ( R2>R1, A>1)
•Van opsega OPAMP radi kao prekidač sa dva moguća naponska nivoa približno jednaka VCC.
analogija
ulazno-izlazna karakteristika
KOLO ZA SABIRANJE
Vout = -Rf (V1/R1 + V2/R2 + … + Vn/Rn)
Za R f =Ri , i=1–n
Vout = V1 + V2 +…+Vn
Ifinvertovani ulaz -umnoženi ulazi invertora
otpornici R1-Rn definišu težinske koeficijente pojedinačnih ulaza
neinvertovani ulaz – povezan za uzemljenje
•V+=0
• Vout = A(V+-V-)
Vout ima "logaritamsku" zavisnost od Vin
u opsegu 100 pA < IC < 10 mA
LOGARITAMSKI POJAČAVAČ
Invertor: tranzistor u povratnoj grani
tranzistor: nelinearna UI karakteristika
Vout =-VBE=0.06 log (IC/IC0)IC0 10-23 A na 300 KIC= Vin /RVout =-0.06 log (Vin /R IC0)
DIFERENCIJALNI POJAČAVAČ
zajednički napon VCM :
243 VV
VCM
43 VVVD
diferencijalni napon VD :
Otpornici:
•“upareni”
•temperaturski stabilni
Pravilo 2: struja na (+) ulazu OPAMP =0=> kolo R3-R4 razdelnik napona
Pravilo 1: v+=v- => v6=v5
v6
=> OPAMP=invertor
DIFERENCIJALNI POJAČAVAČ sa jednim OPAMP
v6
Analogija: vizuelizacija ulaz/izlaz
v6=v5
AD=vo/(v4-v3)=vo/vD
AD=R4/R3
v4 = v3
•kratko spojeni (CMV-Common Mode Voltage)•zajednički izvor smetnji (common-mode)=> vCM=v3=v4 =>vo=0 idealno => ACM=0
v3 ≠ v4
CMRRdB=20 log10 AD/ACM=
DIFERENCIJALNI POJAČAVAČ
Rešenje 1 – buffer na oba ulazadiferencijalnog pojačavača
Rešenje 2 – buffer sa pojačanjem na oba ulaza diferencijalnog pojačavača
Rešenja za „razdvajanje“ impedansi ulaza i mernog sistema: primena buffer-a
Nedostatak: pojačava common-mode signal smetnji => CMRR nije poboljšan
Rešenje 3 – spojeni R2 preko R1 i eliminacija veze sa masom
Diferencijalni pojačavač
DIFERENCIJALNI POJAČAVAČ sa tri OPAMP
v1=v2
Pravilo 1: v+=v- =v1 => i=0
Pravilo 2: struja na ulazima OPAMP=0=> nema struje kroz R2
=> v3=v4=v1
AD=?
v1≠v2
v1-v2 => postoji struja kroz R1 i R2
ACM=0
iv6
Instrumentacioni pojačavač
Diferencijalni pojačavač
Rešenje 3
DIFERENCIJALNI POJAČAVAČ sa tri OPAMP
v1=v2
Pravilo 1: v+=v- =v1 => i=0
Pravilo 2: struja na ulazima OPAMP=0=> nema struje kroz R2
=> v3=v4=v1
AD=(v4-v3)/(v1-v2) = -(1+2R2/R1)
v1≠v2
v1-v2 => postoji struja kroz R1 i R2
ACM=0
iv6
Instrumentacioni pojačavač
Diferencijalni pojačavač
Rešenje 3
Vout/(V1 – V2)= - (1 + 2R2/R1)(R4/R3)
Ukupno pojačanje je proizvod pojačanja prvog i drugog stepena
INSTRUMENTACIONI POJAČAVAČ
povećanje Zul
na ulazu diferencijalnog pojačavačabuffer-i
ISPRAVLJAČ
Ispravljanje naizmeničnih napona:
• otporničko-diodne grupe
• dioda u povratnoj petlji OPAMP
0.7 V napon direktne polarizacije p-n
Vin<0 D OFF Vout=0Vin>0 D ON Vout=VinOP treba vremena da izađeiz zasićenja!
Uloga filtara je da iz ukupnog spektra ulaznog signala propuste samo deo koji je od interesa
Filtri propusnici niskih frekvencija (Low pass)
Filtri propusnici visokih frekvencija (High pass)
Filtri propusnici opsega frekvencija (Band pass)
Filtri nepropusnici opsega frekvencija (Band Stop)
FILTRI
FILTRI - podela
•Pasivni filtri (RC mreže)
•Aktivni filtri (RC elementi i OPAMP)
• Digitalni filtri (nisu uključeni u ovo predavanje)
Low pass High pass
Low pass High pass
FILTRI – prenosna funkcija
1( ) 1
1( ) 1OV jw jwC
V jw jwRCRijwC
Prenosna funkcijaH(jw), w=2fVi
Vo
H(jw)=
Low pass
w
Bodev dijagram:geometrijski prikaz amplitudske H(w)i fazne karakteristike (w) – jednostavnaanaliza karakteristika kola.
H(w) db Kompleksni domen:
(w) w
)()()( wjewHjwH
FILTRI – prenosna funkcija
Prenosna funkcijaH(jw), w=2fVi
Vo
H(jw)=
w
H(w) db Kompleksni domen:
(w)w
High pass
C
RVi VO
+
_
+
_
( )1( ) 1
OV jw jwRCRV jw jwRCRi
jwC
)()()( wjewHjwH
Bodev dijagram:geometrijski prikaz amplitudske H(w)i fazne karakteristike (w) – jednostavnaanaliza karakteristika kola.
PRIMER ELEKTRONSKOG VOLTMETRA (lab. 3)
Dekada otpornosti
Merenje električnih veličinaMerenje otpornosti I
Multimetar – ulazno kolo
Merenje struje
Merenja napona i otpornosti
Više opsega
Merenje naizmenične ili jednosmerne veličine
Ispravljač ili konvertor AC u True RMS
A/D
konvertor
MERENJE OTPORNOSTI OMMETROM
Struja u delu kola s voltmetrom je zanemariva, VM=VR Rmereno=R
MERENJE OTPORNOSTI OMMETROM
A
VRxERxE
U I
V
A
MERENJE OTPORNOSTI U/I METODOM
Naponska veza Strujna veza
Rx<<RvRx>>RA
Pogodnije za male otpornosti Pogodnije za velike otpornosti
v
x
R
UI
UR
Ax RI
UR
MERENJE OTPORNOSTI
Redna veza Paralelna veza
E
Rx
Re
V
E
Rx
Re
A
Rx<<RvRx>>RA
Pogodnije za male otpornosti Pogodnije za velike otpornosti
e
xex
U
URR
x
eex
I
IRR
POREĐENJEM
PrimerNa slici je prikazano kolo za merenje nepoznate otpornosti Rx.
Smatrati da je otpornost voltmetra mnogo veća od Rx i Re (RV>>Rx,RV>>Re, Re=20 ). Kada je prekidač u položaju 1, na voltmetru jepročitana vrednost napona U1=2 V, a kada je prekidač u položaju 2, navoltmetru je pročitana vrednost napona U2=10 V.
E
Rx
Re
V
1
2
21
1
2
21
,
,
UUfRU
UR
RR
REU
RR
REU
ex
xe
x
xe
e
?
?
1
2
1
2121
2
1
2
21
2
2
2
2
1
U
U
UUeUU
u
u
uU
uU
URu
U
fu
U
fu
Merna nesigurnost indirektnog merenja:
585.0100
585.0
02.03
100100
%05.0%,2.0,011.03
100100
22
1
21
21
1
2
1
x
U
U
R
u
VMU
u
VMU
u
a) Odrediti mernu nesigurnost merenja otpornosti Rx ako se koristi digitalni voltmetar opsega M=30 V, tačnosti opsega 0.05 i tačnosti očitavanja 0.2 .
Izraziti Rx u ovom obliku. Merena vrednost ima smisla SAMOako se napiše s kojom mernom nesigurnošću je izmerena.
Primer
b) Odrediti mernu nesigurnost merenja otpornosti Rx ako se koristi analogni voltmetar opsega M=30 V i klase tačnosti K=0.2.
77.1100
77.1
035.03
10021
x
UU
R
u
VM
K
uu
Izraziti Rx u ovom obliku. Merena vrednost ima smisla SAMOako se napiše s kojom mernom nesigurnošću je izmerena.
Primer
1
2
Rp
RV
12
?),,( 21 UURfR pV?),,( 21 UURfR pg
MERENJE ULAZNEOTPORNOSTI VOLTMETRA
(lab. vežba)
MERENJE IZLAZNE OTPORNOSTI GENERATORA (lab. vežba)