Gingl Zoltán, Szeged, 2017.eta.bibl.u-szeged.hu/1808/1/muveleti_erositok.pdf · Van tápfeszültsége is: +U t, -U t Pozitív és negatív jelek is Tranzisztor: , ME: A Jó: nagy,

Gingl Zoltán, Szeged, 2017.

2017. 08. 29. 8:25 Műszerelektronika - Műveleti erősítők 1


Van tápfeszültsége is: +Ut, -Ut

Pozitív és negatív jelek isTranzisztor: , ME: AJó: nagy, A nagyME: A igen nagy, 105 vagy akár több!Ideális: A végtelen


U+

Uki=A(U+-U-)U-

+Ut

-Ut

A kimenetet visszakötjük a bemenetre

ha a bemenetet változtatjuk, a kimenet követi

minél nagyobb A, annál pontosabban!

a kimeneti érték szabályozása ez (P-szabályzó)

Szabályozás

mérjük az eltérést a kívánttól

beavatkozunk, hogy az eltérés kicsi legyen

vezérlés: nem mérjük az eltérést, csak ismerjük az összekötő képletet – például földelt emitteres erősítő


A bemenetekbe áram nem folyikA kimenet ideális feszültséggenerátorAz erősítés végtelen nagy


Ideális erősítőből egyféle elég lenneValódi erősítők

Különféle eltérések

Osztályozás, sokféle erősítő

Gyenge, átlagos, jó értékek

Alkalmazás szempontjából optimális erősítő kiválasztása




Open-loop gainLarge signal voltage gainIdeális esetben végtelenFrekvenciafüggő



p

V

f

fi

AfA

1

1)(

fi

fAfA

p

V

)(VAfA )(

pfGBWPf

f

][dBA


V

GBWPp

GBWP

p

V

GBWP

A

ff

f

fA

fA

1

1)(

V

GBWP

V

p

V

Af

fi

AfA

f

fi

AfA

1

1)(

1

1)(


V

GBWPp

p

V

A

ff

f

fAfA

)(

GBWPfffA )(

f

ffA GBWP)(

Visszacsatolt erősítő: szabályozásKorlátozott pontosságú szabályozás

Erősítéshiba

kapcsolások?

Frekvenciafüggés?



Ube

Uki

)(

11

1

)(

)(

)()(

)()(

)()()(

)(

)()()(

fA

fU

fU

fUfA

fUfU

fUfUfA

fU

fUfUAfU

be

ki

beki

ki

kibeki

kibeki


GBWPGBWPV

V

V

GBWP

V

GBWP

V

f

fi

f

fi

A

A

Af

fi

fG

Af

fi

AfA

fG

1

1

11

1

1

1

1)(

1

1

11

1

)(

11

1)(


Ube

UkiGBWP

be

ki

f

fi

fU

fU

1

1

)(

)(

A

f


GBWP

GBWP

GBWPGBWP

GBWP

be

ki

fff

f

f

ff

fi

f

fi

fU

fU

,2

1

1

11

1

11

1

1

)(

)(

2

2

2

2

1

GBWPf

f


R2R1

Ube

Uki

21

1

21

1)()()(

RR

R

RR

RfUfUAfU kibeki

)(

11

11

)(

)(

fA

fU

fU

be

ki

β: visszacsatolási tényező1/β: erősítés


GBWPGBWPV

V

V

GBWP

V

GBWP

V

f

fi

f

fi

A

A

Af

fi

fG

Af

fi

AfA

fG

1

11

11

11

1

1

11)(

1

1

11

11

)(

11

11)(


GBWP

be

ki

f

fi

fU

fU

1

11

)(

)(R2R1

Ube

Uki

A

f

GBWPf

GBWPf

1


GBWP

GBWP

GBWPGBWP

GBWP

be

ki

fff

f

f

ff

fi

f

fi

fU

fU

,2

1

1

11

1

11

1

11

)(

)(

2

2

2

2

1

GBWPf

f

A műveleti erősítő „számára” ez ugyanaz a kapcsolás! (szuperpozíció tétele)

Bár Ube erősítése –R2/R1, a műveleti erősítő most is ugyanolyan visszacsatolási aránnyal dolgozik.


R2R1Ube

Uki

A műveleti erősítése mindig a visszacsatolási tényező reciproka (1/β)

A sávszélesség mindig β·fGBWP

A jelerősítés ettől különböző lehetTöbb bemenő jel is lehet különböző erősítéssel

összeadó

kivonó


Erősítés?Jelek erősítése?Sávszélesség?Erősítés hibája?


RR3Ube3

Uki

R2Ube2

R1Ube1

Erősítés?Jelek erősítése?Sávszélesség?Erősítés hibája?


R5R4

Uki

R3Ube3

R2Ube2

R1Ube1


RR

Uki

RR

U1

U2 Erősítés?Jelek erősítése?Sávszélesség?Erősítés hibája?


R2R1

Uki

R4R3

U1

U2 Erősítés?Jelek erősítése?Sávszélesség?Erősítés hibája?


Rf

Rg

Rf

R R

R R

U1

U2

Uki

U0

UA

UB


Input voltage rangeA bemeneti feszültségek tartománya korlátosÁltalában a tápfeszültségek közötti:

-Ut < U < +Ut


tU

tU

• aszimmetrikus• pár mV-tól 1-2 Voltig terjedhet• típustól függ

Akár pár mV, sőt, kicsit meg kívül is eshet a tápon


tU

tU

Single supply

tU

tU

Single supply

tU

tU

Rail-to-rail

U+ és U- eleve korlátos, így a különbségük isGyakran diódák vannak köztük:

Azaz nyitófeszültségnyi lehet csak a különbség

Nem gond, ha negatív visszacsatolás van

Nem használható komparátorként



Angolul: input offset voltageNem nulla bemenet esetén nulla a kimenetOk: kicsit aszimmetrikus bemenetek


U

U

offski UUUAU Uoffs

ideális

reális


offsbeki

beoffski

UUU

UUU

beU

Uoffs


R2R1

Ube

UkiUoffs

offsbeki

beoffski

UR

RRU

R

RRU

UURR

RU

1

21

1

21

21

1

offsoffski UR

RRU

1

21,

21

1

RR

R

Invertáló, összegző, különbségképző, …Az offszetfeszültség erősítése minden kapcsolás

esetén 1/β !



Angolul: input bias currentBefelé vagy kifelé folyó áramokAz irány a két bemenetre azonosÉrtékük nem teljesen azonos (kb. 10-30%)

különbségüket offszetáramnak hívjuk


Ib-

Ib+

Ib-

Ib+

A szuperpozíció tételével külön számítható a két áram hatása


U

U

ideális

reális

Ib-

V-

Ib+

V-

A negatív bemenet virtuális földpont: 0V

Tehát R1-en nem folyhat áram

Így a teljes áram R2-n folyik.


Ib-

R2R1

bIki IRU

b 2,

A pozitív bemeneten feszültség lép fel

Ezt erősíti fel a neminvertáló erősítő

Befelé folyó áramnál negatív a feszültség

Ellentétes hatású, mint a negatív bemenetbe folyó áram


Ib+

R2R1

bIki IRR

RRU

b 3

1

21,

R3

UR

RRU

IRU

ki

b

1

21

3

Ib-: csak visszacsatoló körben levő ellenállás számít

Ib+: a pozitív bemeneten levő eredő ellenállás és az erősítési tényező számít

Ellentétes hatásúak: megfelelő választással csökkenthető a hatásuk


bpbvIki IRIRUb

1,


Elektronikus zaj, jelek véletlenszerű ingadozásaA feszültség és áram is „zajos”Ok: véletlenszerű mikrofolyamatok, hőmérsékletVéletlenszerű?

„fehér zaj”

1/f2 zaj

1/f zaj


Erősíthetik, csökkenthetik egymástStatisztikus kezelés

Szórás (effektív érték)

Átlaguk nulla!

A zajok teljesítménye összegződik, nem az amplitúdójuk

A zajforrások felerősítve jelentkeznek a kimeneten

Ezek teljesítménye (négyzetes átlaga) összegzendő!


A bemeneteken feszültségzaj jelenik megHasonlóan kezelhető, mint az offszetfeszültségA kimenetre jutása: 1/β szorzással


A bemeneteken zajáram jelenik megHasonlóan kezelhető, mint a bemeneti áramA kimenetre jutása:

A negatív bemeneti zajáram a visszacsatoló körben levő ellenállással szorzódik

A pozitív bemeneti zajáram a bemeneten levő eredő ellenállással és 1/β-val szorzódik




Két jelnek a közös része:

Átlagértékük

CMRR – common mode rejection ratio

Különbség erősítése osztva a közös rész erősítésével

dB-ben szokás megadni

A műveleti erősítő önmagában is ilyen!



U+

U-

2

UUAUUAU CMVki

CM

V

A

ACMRR

Invertáló erősítő

A pozitív és negatív bemenet is 0V

Közös módusú jel: 0V! Nem lép fel hiba!

Csak olyan kapcsolásnál lép fel, ahol a műveleti erősítő bemenetein a feszültség változik

Neminvertáló, különbségképző, követő, …



CMRR

UU

AU

UAUUAUU

AUUAU

UUAUUAU

CMbe

V

ki

CMCMkibeVkibe

CMkibeVki

CMVki

11

2

2

Ube

Uki


11

1

11

1

11

1

V

beCM

V

CM

V

beki

A

UU

A

CMRR

U

A

UU

Ube

Uki

CMRRUU beki

11


R2R1

Ube

Uki

CMRR

UU

AU

UAUUAUU

AUUAU

UUAUUAU

CMbe

V

ki

CMCMkibeVkibe

CMkibeVki

CMVki

1

2

2


CMRRUU

UU

A

CMRR

U

A

UU

beki

beCM

V

CM

V

beki

11

1

11

11

11

11

CMRRUU beki

11

1


CMRR

UUUU

CMRR

UUU

AU

UAUUUAU

UUAUUAU

ki

CM

V

ki

CMCMkiVki

CMVki

212

12

12

11

11

1

11

2


CMRR

U

CMRR

UUU

UUU

UUU

UUU

ki2111

2

2

0

02

120

12


CMRR

UUU

CMRR

U

CMRRUU

ki

ki

0

0

11

1

2

11

1

Tehát a műveleti erősítő CMRR egyúttal a differenciálerősítő CMRR is.

De csak Ideális ellenállások esetén!Leggyakrabban az ellenállások pontossága a

döntő

U1 és U2 erősítése kicsit más: G és G+ΔG


00

000

00

12

2

222

22

GUUGGUUG

GU

UGGU

UG

UGGUGUU

UUG

UUGGU

GUUGGU

ki

ki

ki

ki

Egy kis erősítéshiba is fellépCMRR:


G

GCMRR


Rf2

Rg

Rf1

R R

R R

U1

U2

Uki

U0

UA

UB

A második fokozat egy egyszeres különbségképzőEnnek CMRR-je az ellenállások egyformaságán

múlikÁltalában az ellenállások 0,01% mértékben

térnek csak el (integrált erősítőknél)Ezzel 80dB-90dB CMRR érhető elAz első fokozat ezen változtat?



g

f

f

g

A

g

f

f

g

B

R

RUUR

R

UUUU

R

RUUR

R

UUUU

1

010

2

020

21

22

21

22

A közös módusú jel: U0

Az első fokozat csak egyszeresen erősíti és nem számít Rf1 és Rf2 különbözősége!

Különbségjelet az első fokozat sokszorosra erősítheti :


g

ff

R

RRU

211

Tehát a második fokozat CMRR-t növeli erősítésszeresre

Példa: AD623 garantált értékei (a tipikus +20dB) CMRR (G=1): 80dB

CMRR (G=10): 100dB

CMRR (G=100): 120dB


CMRRR

RR

g

ff

211

További előnyök a differenciálerősítőhöz képest

A bemenetek nagy impedanciásak – igen kicsi a bemeneti áram

A bemenetek szimmetrikusak, egyforma terhelést jelentenek a jelforrásra

Az erősítés egyetlen ellenállással állítható

Kiválóan alkalmas mérőhidak erősítésére



Ouput voltage range (output voltage swing)A kimeneti feszültségek tartománya korlátosA tápfeszültségek közötti:

-Ut < U < +Ut


tU

tU

• aszimmetrikus• pár mV-tól 1-2 Voltig terjedhet• típustól függ• terheléstől (áramtól) függ

Akár pár mVEgytápfeszültségű áramköröknél fontos


tU

tU

Single supply

tU

tU

Single supply

tU

tU

Rail-to-rail

Tipikusan 10mA-20mALéteznek nagyobb kimeneti áramúak:

50mA

100mA

Akár 1A..10A

Laser driver, Peltier driver, coil driver, motor driver

A kis áramúak lehetnek rövidzárvédettekA nagy áramúak lehetnek túlterhelés,

túlmelegedés ellen védettekEzeket nem vehetjük biztosra!



Angolul: slew rateA kimenet nem változhat akármilyen gyorsanPozitív és negatív irányban kicsit különböző lehet

a maximális sebességMinél nagyobb frekvenciájú és amplitúdójú a jel,

annál inkább lehet hatásaJeltorzulást okozhat, a jel gyors szakaszait

korlátozhatjaEgységugrás esetén lineáris emelkedésSzinusz gyors szakaszain egyenes rész jelenik meg


Tehát hiába nagy a sávszélesség, ez korlátozhat. Szokás ezt néha

Torzításmentes sávszlességnek hívni – distortion free bandwidth

nagy jelű sávszélességnek hívni – large signalbandwidth

Ha igen kicsi az amplitúdó, akkor csak az sávszélesség számít. Ezért gyakran ezt kisjelű sávszélességnek hívják – small signal bandwidth


Forrás: OP27 adatlap, www.analog.com


U

t

t

US

Szinuszos jelet tekintünkA jel maximális sebessége a nullátmenetnél vanÉrtéke függ a frekvenciától és amplitúdótól is


fAdt

dx

ftAdt

dx

ftAtx

2max

2cos2

2sin)(

A torzításmentesség felétele különböző esetekben

Adott A és f esetén S legalább mekkora legyen?

Adott S és f esetén A legfeljebb mekkora lehet?

Adott S és A esetén f legfeljebb mekkora lehet?


A

Sf

f

SA

fAS

2

2

2


Elvileg elég egy értéket megadni: csak két tápfeszültségkivezetés van

Szokás mégis ± megadása

utalás arra, hogy a GND ezek közt van

tehát a GND nem azonos a negatív tápfeszültséggel

Példák:

±15V

5V


Sokféle típus kapható

Gyakori: ±15V

Manapság gyakori: 5V

Akár 1,8V (elemes táplálás)

Akár 50-60V

Több paraméter is függhet a tápfeszültség értékétől (pl. nyílthurkú erősítés)


Nyugalmi: nulla kimeneti áramnálTipikus érték: 2-3mAKis fogyasztású, elemes áramkörök: 30uA..100uANagy teljesítményű áramköröknél akár pár 10 mA


Power supply rejection ratioA tápfeszültség kicsit változhat

Terhelés változások

Elem lemerülése

Stabilizálási hiányosságok

Ez hatással van a kimeneti feszültségre


s

out

V

VPSRR

Minél jobb tápfeszültséget használjunk

Szokás a többszörös stabilizálás (sorba kötött stabilizátorok)

Csatolásmentesítő kondenzátorokA PSRR növekvő frekvencián csökkenTipikus értéke 70-90dB


Documents

Gingl Zoltán, Szeged, 2017.eta.bibl.u-szeged.hu/1808/1/muveleti_erositok.pdf · Van tápfeszültsége is: +U t, -U t Pozitív és negatív jelek is Tranzisztor: , ME: A Jó: nagy,