Wzmacniacz impulsowy szerokie pasmo

Liniowe układy scalone w technice
cyfrowej
Dr inż. Adam Klimowicz
konsultacje:
wtorek, 9:15 – 12:00
czwartek, 9:15 – 10:00
pok. 132
[email protected]
Literatura
●
●
●
●
●
●
●
●
Łakomy M. Zabrodzki J. : „Liniowe układy scalone w technice cyfrowej” W-wa,
PWN, 1987
Kulka Z. Nadachowski M. : „Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania”, W-wa,
WNT, 1982
Nadachowski M. Kulka Z. : „Analogowe układy scalone” W-wa, WKŁ, 1980
Łakomy M. Zabrodzki J. : „Scalone przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowoanalogowe”, W-wa, WKŁ, 1982
Sahner D. : „Wstęp do miernictwa cyfrowego”, W-wa, WKŁ, 1982
Ćwirko R. Rusek M. Marciniak W.: „Układy scalone w pytaniach i
odpowiedziach”, Warszawa, WNT, 1987
Baranowski J. Czajkowski G.: „Układy elektroniczne cz. II – układy analogowe
nieliniowe i impulsowe”, W-wa, WNT, 1994
INTERNET
Plan wykładów
●
●
●
●
●
Wzmacniacze operacyjne
Podstawowe układy pracy wzmacniaczy
operacyjnych
Przykłady zastosowania wzmacniaczy
operacyjnych
Przetworniki cyfrowo-analogowe i analogowocyfrowe
Elementy miernictwa elektronicznego
Wzmacniacz operacyjny
●
●
●
Różnicowy wzmacniacz prądu
stałego o bardzo dużym
wzmocnieniu i dużej
impedancji wejściowej
Przystosowany do pracy z
pętlą zewnętrznego ujemnego
sprzężenia zwrotnego
Operacyjny – przeznaczony do
wykonywania różnych
najczęściej matematycznych
operacji na sygnałach
wejściowych
+Uzz
we -
-
we +
+
wy
-Uzz
- wejście odwracające
+ wejście nieodwracające
Przykład działania wzmacniacza
operacyjnego
Uwe
Uwe
t
t
Uwy
Uwy
t
Wzmacniacz odwracający
t
Wzmacniacz nieodwracający
Idealny wzmacniacz operacyjny
Rf
Ud – sygnał róznicowy
Ud=Ui1-Ui2
Uo=0 gdy Ui1=Ui2
Rid
(sygnał współbieżny)
Ud
K u Ud
Ku – wzmocnienie napięciowe
UO
Ui1
Ui2
Uo=KuUd=Ku(Ui1-Ui2)
Parametry idealnego wzmacniacza
operacyjnego (1)
●
●
Nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli
sprzężenia zwrotnego, Ku→∞
Nieskończenie szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości,
BW→∞
●
Nieskończenie duża impedancja wejściowa, Rwe→∞
●
Nieskończenie duża impedancja pomiędzy wejściami, Rid→∞
●
Nieskończenie duża impedancja pomiędzy wejściem a masą
●
Zerowa impedancja wyjściowa, Rwy=0
Parametry idealnego wzmacniacza
operacyjnego (2)
●
Zerowe napięcie wyjściowe przy równych napięciach
wejściowych
●
Nieskończenie duży dopuszczalny prąd wyjściowy
●
Zerowy prąd wejściowy !
●
Wzmocnienie idealnie różnicowe, Uo=Ku(Ui2-Ui1)
●
Nieskończenie duża szybkość narastania napięcia
wyjściowego
●
Nieograniczony zakres zmian napięcia wyjściowego
●
Brak szumów (zakłóceń) własnych
●
Niezależność parametrów od temperatury
●
Brak efektów starzenia
Pętla sprzężenia zwrotnego
Pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego
β
Ku
Ui
Uo
O właściwościach układu decyduje odpowiedni dobór elementów
zewnętrznego sprzężenia zwrotnego
Uo=Ku(Ui - βUo)
gdzie β – współczynnik tłumienia sygnału wyjściowego przez pętlę
sprzężenia zwrotnego
Ujemne sprzężenie zwrotne
●
●
●
Zapewnia utrzymanie stałej wartości napięcia wyjściowego
niezależnie od obciążenia
Zwiększa stabilność pracy wzmacniacza
Powoduje kompensację zniekształceń nieliniowych
wzmacniacza
●
Kształtuje charakterystykę częstotliwościową modułu i fazy
●
Modyfikuje impedancję wejściową i wyjściową
●
Rozszerza pasmo częstotliwości
Zastosowanie wzmacniaczy
operacyjnych
●
Do wykonywania operacji matematycznych
●
Kształtowania przebiegu wyjściowego
●
Ograniczniki napięcia
●
Przesuwniki fazowe
●
Komparatory
●
Filtry aktywne RC
●
Generatory
●
Przetworniki
●
●
Wzmacniacze różnicowe, sumujące, selektywne, pomiarowe,
mocy
Stabilizatory napięć itp.
Wzmacniacz odwracający (1)
R2
R1
I1
Z
UZ
Ku→∞ przy otwartej pętli
sprzężenia zwrotnego
I2
-
Wejściowe prądy
polaryzujące = 0
+
Uo=KuUd
Ud
UI
UO
R3
Ud=U0 / Ku →0
Z – punkt masy pozornej
Wzmacniacz odwracający (2)
R2
R1
I1
Z
UZ
I1 = I2 bo Rid→∞
I1 = (UI - UZ) / R1
I2
-
I2 = (UZ – UO) / R2
+
(UI - UZ) / R1 = (UZ – UO) / R2
Ud
UI
UO
R3
UZ = 0, więc:
UI / R1 = – UO / R2 czyli
UO / UI = -R2 / R1
czyli wzmocnienie w.o.
K = -R2 / R1
Dobór rezystorów
●
Wartość R3 w rzeczywistych warunkach pracy
wzmacniacza operacyjnego dobiera się jako:
R3 = R1 || R2
●
Wartość rezystora R2 powinna być dostatecznie
duża, najczęściej R2 ≈ 500 kΩ
Wzmacniacz odwracający
potencjometryczny
R2
R4
Zaleta: można używać
rezystorów o mniejszych
wartościach (większa
dokładność)
R5
R1
-
Wówczas wzmocnienie:
+
UI
UO
R3
−R2
R 4 R4
K=
1  
R1
R 2 R5
Układy odwracające z regulacją
wzmocnienia
m
{
R2
R1
+
UO
−m
K=
1−m
UI
m
R1
UI
-
R2
+
UO
R2
K =−m
R1
Wzmacniacz nieodwracający (1)
R2
R1
●
I2
-
I1
+
UO
UI
●
Napięcie na wyjściu
będzie zmieniać się tak,
aby zrównać napięcia na
wejściach wzmacniacze
operacyjnego (przy
pomocy sprzężenia
zwrotnego)
Nie ma masy pozornej !
UI
I 1=
R1
U O −U I
I 2=
R1
I 1= I 2
Wzmacniacz nieodwracający (2)
U I U O −U I
=
R1
R2
U I R2 =U O R1−U I R1
U I  R1R 2=U O R1
U O R1R2
R2
=
=1
UI
R1
R1
R2
K =1
R1
R2
R1
I2
-
I1
+
UO
UI
●
Wzmocnienie układu
zawsze K ≥ 1
Wzmacniacz odwracający i nieodwracający mają różne rezystancje wejściowe
Dla odwracającego: Rwe=R1
Dla nieodwracającego: Rwe→∞
Wzmacniacz nieodwracający (3)
Aby zmniejszyć prądy polaryzujące – rezystancja źródła sygnału powinna być równa:
R1 || R2
Aby uniknąć małych stałych prądów wejściowych można zastosować kondensator
na wejściu układu
18 kΩ
2 kΩ
K = 10
-
fd = 16 Hz
+
UI
UO
100 nF
100 kΩ
Układy nieodwracające z regulacją
wzmocnienia
m
{
R2
-
R1
K=
+
UO
UI
1
1−m
m
R1
-
R2
R2
K =1m
R1
+
UI
UO
Wtórnik napięciowy
R2
●
●
●
+
UO
UI
●
Wzmocnienie napięciowe K=1
R1 →∞, czyli 100% sprzężenie
zwrotne
Bardzo duża rezystancja
wejściowa i mała wyjściowa
Rwy jest Ku razy mniejsza od Rwe
wzmacniacza z otwartą pętlą
R2
U O =U I 1  , gdy R1  ∞ , wtedy U O =U I
R1
Na przykład dla konkretnego wzmacniacza operacyjnego scalonego uA 741 (ULY 7741) parametry
układu wtórnika są następujące:
Rwe=400 MΩ, Rwy<< 1 Ω,
fg= 1 MHz