1 / 32

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer. Operasjonsforsterkere. Dagens temaer. Ideel operasjonsforsterker Operasjonsforsterker-karakteristikker Differensiell forsterker Opamp-kretser Dagens temaer er hentet fra kapittel 18.1-18.6. Historikk .

montana
Télécharger la présentation

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer

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. Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer Operasjonsforsterkere INF 1411

  2. Dagens temaer • Ideel operasjonsforsterker • Operasjonsforsterker-karakteristikker • Differensiell forsterker • Opamp-kretser • Dagens temaer er hentet fra kapittel 18.1-18.6 INF 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 INF 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): INF 1411

  5. Karakteristikker til en ideel opamp • En ideell operasjonsforsterker har følgende egenskaper: • Input-motstanden Ri=∞ • Output-motstanden Ro=0 • Spenningsforsterkningen Av= ∞ • Båndbredden= ∞ • V0=0 når V1=V2, uavhengig av størrelsesordenen til V1 INF 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) INF 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 INF 1411

  8. Differensiell forsterker (forts) • Virkemåte når det ene input-signalet er koblet til jord («single-ended mode») +VCC SignaletvedkollektorentilQ2erikke-invertert. SignaletvedkollektorentilQ1erinvertert. RC1 RC2 Q1 Q2 RE Input er i single-ended modus Vedemitterneersignalethalvpartenav input. -VEE INF 1411

  9. Differensiell forsterker (forts) • Når begge input er koblet til signaler, og de er ute av fase kalles det for differensiell modus +VCC • Hver av output-signalene er større enn input-signalene RC1 RC2 Q1 Q2 RE Input uteavfase Inputs out of phase -VEE INF 1411

  10. Differensiell forsterker (forts) • Når begge input er koblet sammen, eller de er i fase, opererer diffampen i common-mode +VCC RC1 RC2 Når input-signaleneer i fase, kansellerer de hverandreog output ligger rundt 0 volt Q1 Q2 RE Input er i fase -VEE • Hver av output-signalene er større enn input-signalene INF 1411

  11. Implementasjon (741-type) Strømspeil Differensiell forsterker Spenningsnivå- skifter Utgangssteg Strømspeil Klasse A gain steg INF 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) INF 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 INF 1411

  14. Opamp med negativ feedback • For å forstå virkemåten til en krets med negativ tilbakekobling brukes en inverterende forsterker:: INF 1411

  15. Inverterende forsterker (forts.) • Ønsker å finne utgangssignalet vout som funksjon av vin • Setter opp KVL for kretsen: INF 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: INF 1411

  17. Inverterende forsterker (forts.) • A er gitt av forholdet mellom Rf og R1: • Ser på oppførselen med vin=5sin(3t)mV, R1=4.7kΩ, Rf=47k Ω • Dette gir vout=-50sin(3t)mV INF 1411

  18. Ikke-inverterende forsterker • Hvis man ikke ønsker invertert output, kan man benytte en ikke-inverterende forsterker • Bruker KCL for å finne vout som funksjon av vin: INF 1411

  19. Ikke-inverterende forsterker (forts) • Ser på oppførselen med vin=5sin(3t)mV, R1=4.7kΩ, Rf=47k Ω • Dette gir vout=-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 INF 1411

  20. Spenningsfølger • En annen mye brukt konfigurasjon er spenningsfølgeren (buffer) • Spenningsfølgeren brukes blant annet for å elektrisk isolere input fra output INF 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 INF 1411

  22. Praktiske opamp’er (forts) • Denne modellene har tre parametre som klassifiserer opampen: • Inngangsresistansen Ri • Utgangsresistansen Ro • Forsterkningen A • For en fysisk opamp er Ri typisk MΩ eller større • Utgangsmotstanden Ro er noen få Ohm • Forsterkningen (open-loop, dvs opamp’en alene) er vanligvis fra 105 og større • Spesialiserte opamp’er kan ha helt andre verdier INF 1411

  23. Praktiske opamp’er (forts) • 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 vd bli svært liten, siden voutikke kan være høyere enn spenningsforsyningen INF 1411

  24. Praktiske opamp’er (forts) • Hvis utgangsmotstanden Ro er større enn 0, vil output-spenningen voutsynke når utgangsstrømmen iout øker • En ideell opamp bør derfor ha Ro =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 INF 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 voCM er utgangsspenningen når inngangen er v1=v2=vCM INF 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 INF 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 INF 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 INF 1411

  29. Input offset-spenning • Hvis inngangsterminalene er koblet sammen vil vd=0, og dermed vout=0, hvis opamp’en er ideell • I praksis vil imidlertid vout ≠ 0 når vd=0 • Denne effekten kalles for input offset spenning • Opamp’er er utstyrt med to ekstra terminaler slik at offset spenningen kan justeres til 0 INF 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 INF 1411

  31. Slew rate (forts) INF 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? INF 1411

More Related