Wzmacniacze operacyjne. - Politechnika Wrocławska

Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacze operacyjne
Wrocław 2015
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wprowadzenie
Wzmacniacz operacyjny jest wzmacniaczem prądu stałego o dużym
wzmocnieniu napięciowym (różnicowym). Wzmacniacz ten posiada
wejście symetryczne (różnicowe) oraz wyjście niesymetryczne.
N
-E
WY
P
+E
Zasilacz 1
+
-
Zasilacz 2
+
-
- P (+) – wejście nieodwracające fazy napięcia
- N (-) – wejście odwracające fazę napięcia
+E
-E
- wy – wyjście niesymetryczne
- (+E) – dodatnie napięcie zasilania wzmacniacza
- (-E) – ujemne napięcie zasilania wzmacniacza
1
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Sterowanie różnicowe WO
Wzmacniacz
operacyjny
we1
wy
we2
Uwe1
Uwe2
Uwy
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Sterowanie różnicowe WO
Wzmocnienie różnicowe
Wzmocnienie napięciowe różnicowe nazywane wzmocnieniem z otwartą
pętlą sprzężenia zwrotnego:
KUR =
∆U wy
∆U wer
 ∆U wy
 ∆U ,U we 2 = const
∆U wy

we1
=
=
∆(U we1 − U we 2 )  ∆U wy
,U = const
−
 ∆U we 2 we1
2
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Pole wzmocnienia
fT = fp1KUR
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Sterowanie różnicowe WO
Charakterystyka przejściowa
3
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Sterowanie różnicowe WO
Wejściowe napięcie niezrównoważenia
U0 (ang.input offset voltage). Rząd - kilku miliwoltów.
Różnica zmian napięć UBE w funkcji
temperatury pomnożona przez KUR
wpływa na wartość Uwy.
U 0 = U BE1 − U BE 2
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Sterowanie sumacyjne WO
Wzmocnienie sumacyjne
Wzmacniacz
operacyjny
we1
we2
Uwy
Uwes
KUS =
∆U wy
∆U wes
4
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Współczynnik tłumienia sygnału wspólnego CMRR
CMRR =
KUR
KUS
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Wejściowy prąd polaryzacji
IB1
+
IB2
-
R1
R2
Uwy
β 01 ≠ β 02
5
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Zakres napięć wejściowych i wyjściowych
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Rezystancja wejściowa
Dla wzmacniaczy zbudowanych na tranzystorach bipolarnych
Rwer jest rzędu MΩ, Rwes jest rzędu GΩ.
Dla wzmacniaczy operacyjnych z wejściem różnicowym opartym na tranzystorach
polowych obie rezystancje przyjmują jeszcze większe wartości porównując do
wzmacniaczy zbudowanych z tranzystorów bipolarnych.
6
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Rezystancja wyjściowa
Wzmacniacz
operacyjny
+
Rwy
Uwy
Uwy
-
Rząd wielkości – od kilku do kilkudziesięciu Ω.
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Szybkość narastania UWY – SR (slew rate)
Definicja:
SR =
duout (t ) ∆U out
≈
dt
∆t
[V/s]
7
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Szybkość narastania UWY – SR (slew rate)
Definicja:
SR =
du wy (t )
dt
≈
∆U wy
∆t
[V/s]
Dla wzmacniacza bipolarnego:
SR = 2ϕT ωT
Dla wzmacniacza z wejściem zbudowanym
z tranzystorów unipolarnych:
SR = (U GS − U T )ωT
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Szerokość pasma przenoszenia mocy
8
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Budowa idealnego WO
Wzmacniacz
operacyjny idealny
+
-
Uwe1
Uwy
Uwy
Uwe2
KUR = ∞
KUS = 0
CMRR = ∞
Model ten jest bardzo często używany
przy wyznaczaniu parametrów układów,
w których pracują wzmacniacze
operacyjne
Rwer = Rwes = ∞
Rwy = 0
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Przykładowe rodzaje
Parametr
Symbol
uA 741
TL 051
(FET)
OP177
(dokładny)
EL2038
(szybki)
Wzmocnienie
różnicowe
KUR
[V/V]
105
2*105
107
2*104
Współczynnik
CMRR
CMRR
3*104
2*104
107
3*104
Rezystancja
wejściowa
różnicowa
Rwer
[Ω]
106
1012
5*107
104
Rezystancja
wejściowa
wspólna
Rwes
[Ω]
109
1014
2*1011
107
Wejściowe
napięcie
niezrónoważ.
U0
[mV]
1
0.5
0.01
0.5
Temp. wsp.
Zmian napięcia
niezrównow.
dUo/dT
[µV/K]
6
10
0.1
20
9
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Przykładowe rodzaje
Parametr
Symbol
uA 741
TL 051
(FET)
OP177
(dokładny)
EL2038
(szybki)
Maksymalne
napięcie
wspólne
|Uwesmax|
[V]
13
14.5
13
12
Maksymalne
napięcie
wyjściowe
|Uwymax|
[V]
13
13
14
12
Maksymalny
prąd wyjściowy
Iwymax
[mA]
20
20
20
50
Rezystancja
wyjściowa
Rwy
[Ω]
75
100
60
30
Prąd zasilania
Iz
[mA]
1.7
1.4
1.6
13
Częstotliwość
graniczna
(-3dB)
fg
[Hz]
10
30
0.06
50000
Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacz operacyjny
Przykładowe rodzaje
Parametr
Symbol
uA 741
TL 051
(FET)
OP177
(dokładny)
EL2038
(szybki)
Pole
wzmocnienia
fT
[MHz]
1
3
0.6
1000
Maksymalna
szybkość
zmian Uwy
SR
[V/µs]
0.6
18
0.3
1000
Szerokość
pasma
przenoszenia
mocy
fp
[kHz]
10
290
5
16000
10