Wykład nr 4

Liniowe układy scalone
Wykład 4
Parametry wzmacniaczy operacyjnych
1. Wzmocnienie napięciowe z
otwartą pętlą
●
●
ang. open loop voltage gain
Stosunek zmiany napięcia wyjściowego do
wywołującej ją zmiany różnicowego napięcia
wejściowego
U O
KU =
[V /V ] lub [dB ]
U I1−U I2 
Wzmocnienie napięciowe z otwartą
pętlą
●
●
Nachylenie
charakterystyki w
obszarze liniowym jest
równe wzmocnieniu
Poziomy nasycenia
wynikają z ograniczeń
spowodowanych
napięciami
zasilającymi
2. Wejściowe napięcie
niezrównoważenia
●
●
●
●
●
ang. input offset voltage
W idealnym wzmacniaczu operacyjnym przy zerowej
różnicy napięć wejściowych napięcie na wyjściu równe
jest zero
W rzeczywistości – niesymetria
Aby uzyskać UO=0 na wyjściu wzmacniacza z otwartą
pętlą należy przyłożyć na wejściu pewne napięcie
między wejściami (napięcie niezrównoważenia)
Napięcie niezrównoważenia określane jest przy
rezystancjach wewnętrznych źródeł sygnałów równych
zero
Wejściowe napięcie
niezrównoważenia
●
Uproszczona
charakterystyka
wzmacniacza
operacyjnego z
zaznaczeniem
wejściowego napięcia
niezrównoważenia
U O = f U I1−U I2 
3. Współczynnik cieplny
wejściowego napięcia
niezrównoważenia
●
Stosunek zmiany wejściowego napięcia
niezrównoważenia do powodującej ją zmiany
temperatury [μV / °C]
4. Wejściowe prądy polaryzujące
●
●
●
●
ang. input bias current
Prawidłowe działanie wzmacniacza wymaga
przepływu w końcówkach wejściowych prądów IIB1 i IIB2
polaryzujących stopień wejściowy wzmacniacza.
W większości wzmacniaczy oba prądy i ich
współczynniki cieplne mają prawie jednakowe wartości
W katalogach podaje się parametr wejściowy prąd
polaryzujący – średnia arytmetyczna obu prądów
polaryzujących (prądy mierzone są przy UO≈0)
∣I IB1∣∣I IB2∣
I IB =
2
5. Wejściowy prąd
niezrównoważenia
●
ang. input offset current
●
Różnica wejściowych prądów polaryzujących
I IO =I IB1−I IB2
Wejąściowy prąd niezrównoważenia [nA]
Zależność prądu niezrównoważenia
wzmacniacza μA 741 od
temperatury
90
80
UZZ=±15 V
70
60
50
40
30
20
10
0
-50
0
50
Temperatura [st. C]
100
150
Wejściowy prąd niezrównoważenia [nA]
Zależność prądu niezrównoważenia
wzmacniacza μA 741 od napięcia
zasilającego
25
20
TA=25 °C
15
10
5
0
4
6
8
10
12
14
16
Napięcie zasilające [V]
18
20
22
Zależność wejściowego prądu
polaryzującego od temperatury
Wejściowy prąd polaryzujący [nA]
350
300
UZZ=±15 V
250
200
150
100
50
0
-100
-50
0
50
100
Temperatura [st.C]
150
200
6. Współczynnik cieplny
wejściowego prądu
niezrównoważenia
●
Stosunek zmiany wejściowego prądu
niezrównoważenia do wywołującej ją zmiany
temperatury w [nA / °C] lub [pA / °C]
7. Wzmocnienie napięciowe sygnału
współbieżnego
●
●
ang. common mode gain
Sygnał współbieżny (sumacyjny, nieróżnicowy,
wspólny) – odpowiada równoczesnym zmianom
napięcia na obu wejściach przy zachowaniu
między nimi stałej różnicy potencjałów
Wzmocnienie napięciowe sygnału
współbieżnego
●
Stosunek zmiany napięcia wyjściowego do
wywołującej ją zmiany napięcia współbieżnego
U O
K uC =
UC
●
W przypadku ogólnym wejścia wzmacniacza
nie są zwarte – może równocześnie
występować sygnał różnicowy i współbieżny –
wóczas sygnał współbieżny definiuje się jako
średnią arytmetyczną napięć na obu wejściach
K uC =
U O

U I1 U I2

2

Wzmocnienie napięciowe sygnału
współbieżnego
●
●
W idealnym wzmacniaczu parametr ten jest
równy zero
W rzeczywistości w wyniku niesymetrii stopni
różnicowych występuje niewielka wartość KuC
znacznie mniejsza od wzmocnienia sygnału
różnicowego KuC << Ku
8. Współczynnik tłumienia sygnału
współbieżnego
●
●
●
●
ang. common mode rejection ratio (CMRR)
Idealny wzmacniacz powinien wzmacniać
sygnał różnicowy a tłumić współbieżny
CMRR określa, w jakim stopniu wzmacniacz
rzeczywisty różni się pod tym względem od
idealnego
Definicja: stosunek wzmocnienia sygnału
różnicowego do wzmocnienia sygnału
współbieżnego
Ku
CMRR=
K uC
Współczynnik tłumienia sygnału
współbieżnego
●
●
Wyrażany jest w decybelach
W katalogach najczęściej podaje się jego wartość
średnią w całym zakresie wzmacnianych napięć, gdyż
Ku i KuC mogą być nieliniowymi funkcjami wartości
sygnału
●
Zależy od częstotliwości
●
Największa wartość osiąga przy napięciu stałym
●
Inna definicja: stosunek pełnego zakresu napięcia
wejściowego do maksymalnej zmiany wejściowego
napięcia niezrównoważenia występującej przy tych
zmianach napięcia wejściowego
Zależność współczynnika tłumienia
sygnału współbieżnego od
częstotliwości we wzmacniaczu μA741
100
90
80
TA=25 °C
CMRR [dB]
70
UZZ=±15 V
60
50
40
30
20
10
0
10
1
1000
100
100000
10000
1000000
Częstotliwość [Hz]
8. Rezystancja wejściowa
●
●
●
Dwie składowe rezystancji wejściowej:
–
RId – rezystancja dla sygnału róznicowego – między
końcówkami wejściowymi wzmacniacza z otwartą pętlą,
–
RIC – rezystancja dla sygnału współbieżnego – między
jednym z wejśc a masą
W karalogach podawana jest RI – zmierzona między
jednym z wejść a masa przy drugim wejściu
uziemionym, co odpowiada równoległemu połaczeniu
RId i RIC
W scalonych wzmacniaczach operacyjnych zwykle
RId << RIC
9. Impedancja wejściowa
●
●
Definiowana tak samo jak rezystancja
wejściowa
–
Zid – dla wejścia różnicowego,
–
ZIC – dla wejścia wspólnego
Podobnie definiuje się też pojemności
wejściowe CIC i CId
Zalezność rezystancji wejściowej
wzmacniacza μA741 od temperatury
Rezystancja wejściowa [MOhm]
10
6,31
UZZ=±15 V
3,98
2,51
1,58
1
0,63
0,4
0,25
0,16
-100
-50
0
50
Temperatura [st. C]
100
150
10. Rezystancja i impedancja
wyjściowa
●
●
●
Podaje się zazwyczaj wartość rezystancji
wyjściowej RO wzmacniacza z otwartą pętlą
mierzonej przy napięciach na wejściach
równych zero
Podobnie definiuje się impedancje wyjściową
ZO
Impedancja wyjściowa zalezy od częstotliwości
Zależnośc modułu impedancji
wyjściowej wzmacniacza μA741 od
częstotliwości
Impedancja wyjściowa [Ohm]
300
TA=25 °C
UZZ=±15 V
250
200
150
100
50
0
100
1000
10000
Częstotliwość [Hz]
100000
1000000
11. Współczynnik tłumienia wpływu
zasilania
●
●
●
ang. power supply rejection ratio (PSRR)
Mierzy wpływ napięcia zasilającego na pracę
wzmacniacza operacyjnego
Jest to stosunek zmiany napięcia
niezrównoważenia do wywołującej ją zmiany
napięcia zasilającego (podawany w V / V lub
decybelach)
 U IO
PSRR=
 U ZZ
12. Zakres zmian napięcia
wejściowego
●
●
●
Ang. input voltage range
Zakres zmian napięcia na każdym z wejść (w
stosunku do masy), przy którym wzmacniacz
pracuje prawidłowo
Podaje się też zwykle dopuszczalne napięcie
różnicowe między wejściami
13. Maksymalne napięcie wyjściowe
●
●
●
●
ang. output voltage swing
Największy zakres zmian napięcia na wyjściu (w
stosunku do masy) możliwy do uzyskania bez
nasycenia wzmacniacza (obcinania przebiegu
wyjściowego)
Wchodzenie w nasycenie nie powoduje zniszczenia
wzmacniacza, ale jest niekorzystne ze względu na
zniekształcenia sygnału i szybkość działania (układ
wymaga pewnego czau powrotu ze stanu nasycenia)
Jest funkcją rezystancji obciążenia, częstotliwości i
napięcia zasilania
Maklsymalne napięcie wyjściowe [V]
Zależność maksymalnego napięcia
wyjściowego wzmacniacza μA741
od częstotliwości sygnału
30
TA=25 °C
UZZ=±15 V
25
RL=10 kΩ
20
15
10
5
0
100
1000
10000
100000
Częstotliwość [Hz]
1000000
Maksymalne napięcie wyjściowe [V]
Zależność maksymalnego napięcia
wyjściowego wzmacniacza μA741
od rezystancji obciążenia
33
TA=25 °C
UZZ=±15 V
28
23
18
13
8
0,2
0,4
0,8
1,6
3,2
Rezystancja obciążenia [kOhm]
6,4
Zależność maksymalnego napięcia
wyjściowego wzmacniacza μA741
od napięcia zasilającego
Maksymalne napięcie wyjściowe [V]
40
RL=2 kΩ
35
30
25
20
15
10
5
0
5
7
9
11
13
15
Napięcie zasilania [V]
17
19
14. Maksymalny prąd wyjściowy i
prąd zwarciowy
●
●
●
●
●
●
ang. maximum output current
Maksymalny prąd jaki można pobrać z wyjścia
wzmacniacza przy jego prawidłowej pracy
Prąd zwarciowy (output short-circuit current) –
maksymalny prąd wyjściowy przy zwarciu końcówek
wyjściowych do masy lub jednego z napięć zasilających
Przekroczenie max. prądu wyj. we wzmacniaczach
starszych grozi zniszczeniem
Większość wzmacniaczy posiada zabezpieczenie przeciw
zwarciu na wyjściu
W katalogach podaje się zazwyczaj prąd zwarciowy i
dopuszczalny czas trwania zwarcia (na ogół nieskończenie
długi)
Zależność prądu zwarciowego
wzmacniacza μA741 od temperatury
35
Prąd zwarciowy [mA]
30
25
20
15
10
-60 -40 -20
0
20
40
60
80 100 120 140
Temperatura [st. C]
15. Pasmo w otwartej pętli
●
●
●
●
●
ang. open loop bandwidth
Wzmocnienie wzmacniacza z otwartą pętlą zalerży od
częstotliwości sygnału
W katalogach podaje się szerokość pasma B mierzoną od
prądu stałego do częstotliwości fg, przy której Ku maleje o 3
dB w stosunku do wartości dla prądu stałego
Podaje sieteż wartość częstotliwości f1, przy której wartość
Ku maleje do 1 (unity gain bandwidth)
Wartości szerokości pasma dotyczą małych sygnałów –
przy dużych należy uwzględnić wpływ szybkości zmian
napięcia wyjściowego i zależnoć max. napięcia
wyjściowego od częstotliwości sygnału
Zależność wzmocnienia z otwartą
pętlą wzmacniacza μA741 od
częstotliwości sygnału
1000000
TA=25 °C
100000
UZZ=±15 V
Wzmocnienie [V/V]
10000
1000
100
10
1
10
1
1000
100
100000
10000
Częstotliwość [Hz]
10000000
1000000
16. Odpowiedź impulsowa
●
Ang. transient response
●
Czas narastania impulsu (10%- 90%)
●
●
●
Wielkość przerzutu impulsu, będącą odpowiedzią
wzmacniacza na skok jednostkowy
Wielkości te mierzy się w układzie z zamknięta pętlą o
wzmocnieniu równym 1 (wtórnik) przy małym sygnale
wejściowym (10-20 mV) i określonych wartościach
elementów kompensujących częstotliwościowo i
obciążenia
Przy pracy z dużymi sygnałami należy uwzględniać
szybkość zmian napięcia wyjściowego
Odpowiedź impulsowa
wzmacniacza μA741 dla małego
sygnału
Czas narastania tr= 0.3μs
Przerzut = 5%
17. Szybkość zmian napięcia
wyjściowego
●
●
●
●
ang. slew rate (SUOM)
Maksymalna szybkość zmian napięcia na wyjściu
wzmacniacza mierzona przy wzmocnieniu 1 (wtórnik) i
dużym sygnale wyjściowym (np. równym max.
napięciu wyjściowemu)
Ograniczenie szybkości wynika z ograniczenia prądu
dostarczanego przez stopnie wzmacniające
Szybkość narastania zależy od pojemności
kondensatora Ck kompensującego częstotliwościowo
wzmacniacza umieszczonego na wyjściu jednego ze
stopni wzmacniających
Szybkość zmian napięcia
wyjściowego
●
Jeżeli prąd wyjściowy jest ograniczony do
pewnej wartości Iom, to napięcie na wyjściu
zmienia się liniowo z szybkością:
dU O I Om
S UOM =
=
dt
Ck
●
●
Dla wzmacniacza μA741 SUOM = 0,5 V/s
Szerokość pasma, SUOM i czas narastania
zależą od temperatury i wartości napięć
zasilania
Odpowiedź impulsowa wzmacniacza
μA741 przy dużym sygnale w układzie
wtórnika napięciowego
Zależność szerokości pasma z zamkniętą
pętlą, czasu narastania oraz szybkości
zmian napięcia od napięcia zasilającego
μA741
Względna wartość parametru
1,3
TA=25 °C
1,2
Czas narastania
odpow iedzi
impulsow ej
1,1
1
Szybkość zmian
napięcia
w yjściow ego
0,9
Szerokość
pasma z
zamkniętą pętlą
0,8
0,7
0,6
4
6
8
10
12
14
Napięcie zasilające [V]
16
18
20
Zależność szerokości pasma z zamkniętą
pętlą, czasu narastania oraz szybkości
zmian napięcia od temperatury μA741
Względna wartośc parametru
1,3
UZZ=±15 V
1,2
Czas narastania
odpow iedzi
impulsow ej
1,1
1
Szybkość zmian
napięcia
w yjściow ego
0,9
Szerokość
pasma z
zamkniętą pętlą
0,8
0,7
0,6
-60 -40 -20
0
20 40
60 80 100 120 140
Temperatura [st C]
18. Szumy wzmacniacza
●
●
W katalogach podaje się wartości skuteczne:
–
równoważnego wejściowego napięcia szumów UnI –
takiej wartości napięcia szumów na wejściu
różnicowym, która spowodowałaby odtworzenie
szumów na wyjściu przy sprowadzeniu do zera
wszystkich źródeł szumów we wzmacniaczu, gdy
rezystancje wewnętrzne tych źródeł są równe zeru
–
Równoważnego wejściowego prądu szumów InI –
definiuje się tak samo jak napięcie – gdy rezystancje
wewnętrzne tych źródeł są znacznie większe od UnI / InI
Współczynnik szumów – miara pogorszenia stosunku
sygnału do szumów po przejściu sygnału przez
wzmacniacz – stosunek mocy sygnału podzielonej przez
moc szumów na wyjściu i wejściu wzmacniacza
Zależność średniej wartości kwadratowej
wejściowego napięcia i prądu szumów od
częstotliwości dla μA741
19. Pobór mocy
●
●
Określa się przy napięciu wyjściowym i prądzie obciążenia
wzmacniacza równym zero
Zależność poboru mocy wzmacniacza μA741 od
temperatury i napięcia zasilającego
70
65
100
UZZ=±15 V
80
60
55
Pobór mocy [mW]
Pobór mocy [mW]
TA=25 °C
90
50
45
40
35
70
60
50
40
30
20
30
10
25
0
-60 -40 -20
0
20 40
60
80 100 120 140
Temperatura [st. C]
4
6
8
10
12
14
16
Napięcie zasilające [V]
18
20
22
Typowe wartości parametrów
wzmacniaczy operacyjnych
Parametr
Typowa wartość
Wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą KuO
104 – 106 V/V
Wejściowe napięcie niezrównoważenia UIO
0,5 – 50 mV
Współczynnik cieplny wejściowego napięcia niezrównoważenia
1 – 50 μV / °C
Wejściowy prąd polaryzujący
1nA - 5μA
Wejściowy prąd niezrównoważenia IIO
0,5 nA – 0,5 μA
Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego CMRR
70 – 100 dB
Rezystancja wejściowa RI dla wzacniacza o stopniach wejściowych bipolarnych 50kΩ - 50MΩ
Rezystancja wejściowa RI dla wzacniacza o stopniach wejściowych typu FET
1000 - 10000MΩ
Typowe wartości parametrów
wzmacniaczy operacyjnych
Parametr
Typowa wartość
Rezystancja wyjściowa RO
50 – 200 Ω
Współczynnik tłumienia wpływu zasilania PSRR
60 – 100 dB
Częstotliwość graniczna f1
1 – 100 MHz
Czas narastania odpowiedzi na skok jednostkowy przy wzmocnieniu
napięciowym równym 1
10 ns - 10μs
Szybkość zmian napięcia wyjściowego SUOM
0,5 – 100 V/μs
Maksymalny prąd wyjściowy
5 – 30 mA
Pobór mocy
10 – 200 mW