1 / 21

Operacijska pojačala

Operacijska pojačala. Česta engl. kratica: OPAMP (eng. OP erational AMP lifier )

meena
Télécharger la présentation

Operacijska pojačala

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Operacijska pojačala • Česta engl. kratica: OPAMP (eng. OPerational AMPlifier) • Najveći dio pojačala realizira se izradom svih potrebnih komponenti na jednom silicijskom čipu (“chip” –pločica ili IC – Integrated Circuit) koje tako formiraju monolitni integrirani sklop koji se sastoji od više tranzistora, dioda, otpornika • Svaki IC ima više metalih izvoda za spajanje vanjskih komponenti kojima efektivno mijenjamo ponašanje cijelog sklopa, zavisno o tome kako su spojene na IC • Jeftina, pouzdana – vrlo često korištena; uz tranzistore jedna od najčešćih komponenti u analognoj elektronici • Općenito, operacijska pojačala mogu se koristiti za jednostavnu, no kvalitenu realizaciju različitih operacija nad ulaznim signalom, npr. pojačanja, zbrajanje i oduzimanje, integriranje i deriviranje itd. (ovo zavisi o tome kako smo spojili vanjske komponente na operacijsko pojačalo).

  2. Operacijska pojačala Operacijsko pojačalo se, u pravilu, sastoji od tri (kaskadno vezana) stupnja: -I stupanj: diferencijalno pojačalo koje omogućava dva ulazna signala (napona), te veliki ulazni otpor i inicijalno naponsko pojačanje signala - II stupanj:vrlo veliko pojačanje - III stupanj: osigurava mali izlazni otpor i veliki hod izlaznog naponskog signala

  3. Operacijska pojačala • Idealno operacijsko pojačalo trebalo bi imati ove osobine: • beskonačno veliko (diferencijalno) naponsko pojačanje • beskonačno velik ulazni otpor • izlazni otpor jednak nuli • prijenos svih frekvencija (mala izobličenja ulaznog signala)

  4. Operacijska pojačala • Realno operacijsko pojačalo – osnovna svojstva: • Vrlo veliko (diferencijalno) naponsko pojačanje AV (104..109) • Vrlo velik ulazni otpor (106..1012) • Malen izlazni otpor (101..102) • Ograničen opseg prijenosa frekvencija zavisan o pojačanju sklopa • Vidimo da su ulazni i izlazni otpori relativno slični emiterskom sljedilu. • Diferencijalno naponsko pojačanje AV samog pojačala se ponekad zove i “pojačanje otvorene petlje” (ponekad oznaka AV0). Ovo je pojačanje samog OPAMP-a, bez iskakvih dodatnih komponenti. No, u pravilu se operacijsko pojačalo koristi kao dio složenijeg sklopa, u kojem se koristi negativna povratna veza (“zatvorena petlja” sa izlaza na ulaz). • Čitav sklop koji koristi operacijsko pojačalo redovito se dizajnira tako da je ukupno naponsko pojačanje sklopa AV (unatoč istoj oznaci, ovo je različito od pojačanja samog OPAMP-a) bitno manje. Razlog je negativna povratna veza (NPV) - o ovome više kasnije.

  5. Operacijska pojačala • S obzirom na jako veliko naponsko pojačanje, moglo bi se zaključiti da za npr. ulazni napon od 1V na izlazu tipičnog operacijskog pojačala dobijemo desetke tisuća V ili više • To, naravno, nije tako - svako pojačalo ograničeno je naponom napajanja, te izlazni napon ne može biti veći od ovoga. • Uobičajeno je maksimalni izlazni napon malo niži od napona istosmjernog napajanja. • Npr. pojačalo priključeno na pozitivni istosmjerni napon od + 15 V i negativni -15 V, moći će na izlazu proizvesti napon u naponskom opsegu od npr. ± 13 V. • Ako izlaz operac. pojačala dosegne ovaj maksimalni napon, kažemo da je u zasićenju.U zasićenju, izlaz OPAMP-a se ne mijenja bez obzira na daljnje povećanje ulaza. Najčešće operacijsko pojačalo ne radi u zasićenju, što znači da ulazni napon na samom OPAMP-u mora biti vrlo malen – gotovo 0 (ovo se postiže “automatskim” smanjenjem ul. napona pomoću NPV)

  6. Operacijska pojačala Simbol i (vrlo gruba skica) korištenja B1 – invertirajući ulaz, B2 – neinvertirajući ulaz Nadomjesna shema: Napon offseta (pomaka) → sada U1 predstavlja napon koji OPAMP “vidi” (i pojačava) na ulazu

  7. Operacijska pojačala • Napon offseta • Ukoliko je ulazni napon (tj. razlika potencijala između invertirajućeg i neinvertirajućeg ulaza) pojačala nula (npr. kratko spojimo ulaze), izlazni napon, iako to očekujemo (Uizl=AvUul), nije nula. → offset (pomak) – zbog nesavršenosti realnih komponenti ono što OPAMP pojačava nije UUL nego U1, tj. Uizl = AVU1 • Ova (štetna) pojava može se predstaviti malim (virtualnim) naponskim izvorom spojenim serijski (unutar skopa) sa stvarnim ulazima – ovaj napon na ulazu je tzv. napon offseta (Uoff) • Npr. ako se na ulaze dovede razlika od točno Uul = Uoff , na izlazu je će biti nula (poništen offset, jer U1 = Uoff – Uoff= 0) • Često se integriranom sklopu stoga dodaju posebni ulazi (priključci, izvodi, “pinovi”) za poništavanje napona offseta, kojim se, uz pomoć promjenjivog otpornika namiješta izlazni napon što bliže 0 kada se postavi Uul= 0 (tj. kada se kratko spoje invertirajući i neinvertirajući ulaz).

  8. Operacijska pojačala Tipične izvedbe operacijskih pojačala

  9. Operacijska pojačala • Analiza sklopova sa operacijskim pojačalima • Općenito, sklopovi sa operacijskim pojačalima analiziraju se, uz uobičajene Ohmov i Kirchhoffove zakone, korištenjem • 2 “zlatna pravila”: • (*) Pravilo 1: ulazni otpor oba ulaza operacijskog pojačala je beskonačan – posljedica: nema ulaznih struja • (**)Pravilo 2: invertirajući i neinvertirajući ulaz su uvijek na istom potencijalu Pri analizi, pretpostavlja se IDEALNO OPAMP (dakle, nema napona offseta, beskonačno diferencijalno pojačanje, itd.)

  10. Operacijska pojačala • Pravilo 1 (*) posljedica je 2. osnovnog svojstva idealnog operacijskog pojačala • Pravilo 2 (**) ispunjeno je za spojeve koji imaju negativnu povratnu vezu (NPV), kojom se naponsko pojačanje namjerno smanjuje (većina spojeva sa operac. pojačalima je ovakva). • Negativnom povr. vezom dio izlaznog napona “vrati” se nazad na invertirajući (-) ulaz. Drugim riječima, izlazni napon utječe na razliku potencijala ulaza operacijskog pojačala na način da ga to više smanjuje što izlaz više raste. Svako povećanje izlaznog napona uzrokuje rast potencijala invertirajućeg ulaza U_ , i samim tim smanjenje ulaznog napona op.pojačala ( U+-U_ ). Izlazni napon stoga sve sporije raste, ulazni napon se još smanjuje itd. sve dok se izlazni napon potpuno ne zaustavi na točno tolikoj vrijednosti da je gotovo U_=U+, tj. da je ulazni napon samog (realnog) op.pojačala gotovo nula. Realno, radi ogromnog pojačanja samog OPAMP-a postoji vrlo mala razlika između invertirajućeg i neinvertirajućeg ulaza (za idealno OPAMP ne, nego 0). • Ukratko: Idealno operacijsko pojačalo “podešava” napon izlaza sve dok nema razlike potencijala na ulazima (tj. da je ulazni napon 0) – ovo “podešavanje” se, pomoću NPV, događa vrlo brzo (praktično trenutno). Kada razlika potencijala između ulaza nebi bila 0, idealno OPAMP bi dalo beskonačan napon na izlazu!

  11. Uiz U- Sklopovi s operacijskim pojačalom Neinvertirajuće pojačalo zbog (*): Rul→∞ , pa nema ulazne struje u (–) ulaz, stoga: (prisjetimo se naponskog djelila): zbog (**): U-=U+=Uul pa: U ovoj grani nema nikakve struje zbog (*) Naponsko pojačanje se bira otpornicima R1 i R2

  12. Sklopovi s operacijskim pojačalom Invertirajuće pojačalo Prema 2. Kirch. i Ohmovom zakonu: Zbog (**): U-=U+=0 pa: Zbog (*) te po 1. Kirch. zakonu: I1=-I2 pa: Naponsko pojačanje je negativno → okretanje faze (kada je ulazni napon pozitivan, izlazni je negativan) – izlaz invertira ulaz

  13. Sklopovi s operacijskim pojačalom Naponsko sljedilo Ovo “pojačalo” je zapravo specijalni slučaj neinvertirajućeg pojačala kojemu je otpor R1 nula, a otpor R2 beskonačan.Stoga je naponsko pojačanje: Nema pojačanja – izlazni napon je točno isti kao ulazni (slijedi ga). Sklop međutim ima praktično beskonačan ulazni otpor i vrlo mali izlazni otpor – koristi se kao izvrstan transformator impedancije (sjetimo se emiterskog sljedila).

  14. Sklopovi s operacijskim pojačalom Sumator (zbrajalo) (Slična analiza kao kod invertirajućeg pojačala) Prema 2. Kirch. zakonu i Ohmovom zakonu: Zbog (**): U-=U+=0 pa:

  15. Sklopovi s operacijskim pojačalom Sumator (zbrajalo) Zbog (*) te po 1. Kirch. zak.: I3=-(I1 +I2) pa: Uul3 Općenito, za više ulaza: Izlazni napon je pojačana suma ulaznih napona sa faktorom pojačanja -R2 / R1

  16. I2 I1 I2 R1 R2 I1 I3 UR1 UR2 Uul2 Uizl U-=? I3 Sklopovi s operacijskim pojačalom Diferencijalno pojačalo Vodeći računa o (*), te prema 1. K.Z.: -I1=I2, pa:

  17. I3 R1 R2 Uul1 U+=? Sklopovi s operacijskim pojačalom Diferencijalno pojačalo Vodeći računa o (*), imamo samo jednostavno naponsko djelilo: Prema (**); U+=U- , tj. (2)=(1): Izlazni napon je pojačana razlika ulaznih napona sa faktorom pojačanja R2 / R1

  18. Sklopovi s operacijskim pojačalom Strujno-naponski pretvorik Iznos izl.napona ~ ul.struji: Iznos izlaznog napona proporcionalan je ulaznoj struji sa koeficijentom proporcionalnosti -R. Iako bi se isti efekt mogao postići spajanjem samo R na ulaz (bez OPAMP), u ovom slučaju problem bi nastao kad bi bilo što spojili na “izlaz” (paralelno sa R), jer bi se efektivno promijenila vrijednost R i samim tim napon na R. OPAMP štiti od ovoga izolirajući ulaz od izlaza (za idealno OPAMP, možemo spojiti bilo što na izlaz, i gornja relacija i dalje vrijedi)

  19. Sklopovi s operacijskim pojačalom Integrator (kao invertirajuće pojačalo, no umjesto R2 stavljen C) ?

  20. Sklopovi s operacijskim pojačalom Integrator Iznos izlaznog napona proporcionalan je integralu ulaznog napona po vremenu

  21. Sklopovi s operacijskim pojačalom Derivator Kao integrator, no pozicije R i C zamijenjene: Istim postupkom kao kod integratora: Iznos izlaznog napona proporcionalan je derivaciji (brzini promjene) ulaznog napona

More Related