OPERACIJSKA POJAČALA I PRIMJENA U POMORSKOJ ELEKTRONICI

SADRŽAJ

1. UVOD

2. IDEALNO OPERACIJSKO POJAČALO

3. RAZLIKE IZMEĐU IDEALNIH I REALNIH OPERACIJSKIH POJAČALA

4. KONFIGURACIJA INVERTIRAJUĆEG POJAČALA

5. KONFIGURACIJA NEINVERTIRAJUĆEG POJAČALA

6. AUDIO POJAČALO ZA BRODSKI RAZGLAS I UVJET MAKSIMALNOG PRIJENOSA SNAGE

7. ZAKLJUČAK

UVOD

• Do sada smo upoznali tri različita tranzistorska pojačala u sklopu zajedničkog emitera

Pojačalo u sklopu zajedničkog emiterabez emiterskog otpornika

Pojačalo u sklopu zajedničkog emiteraSa dodanim emiterskim otpornikom

UVOD

• Kod oba prethodna sklopa prisutna su dva problema:

A) pojačanje tranzistora 𝛽 se mijenja sa temperaturom!

B) pojačanje tranzistora 𝛽 ne mora biti jednako niti za dva tranzistora istog tipa iz iste serije proizvodnje

UVOD

Pojačalo u sklopu zajedničkog emiterasa emiterskim otporom i naponskim djelilomu krugu baze

Sklop se može stabilizirati s obzirom na 𝛽

Dodavanjem naponskog djelila u krug bazei ispravnim izborom otpornika skloppostaje neovisan o 𝛽!

Problemi tranzistorskih pojačala:

A) ograničen bandwidth sklopa

B) niska ulazna impedancija

C) visoka izlazna impedancija

UVOD

• Operacijska pojačala imaju sve poželjne karakteristike pojačala i elektroničkih sklopova uopće:

(i) Imaju vrlo visoku ulaznu impedanciju

(ii) Imaju vrlo nisku izlaznu impedanciju

(iii) Imaju veliki bandwidth

(iv) Veliki iznos pojačanja u otvorenom krugu

IDEALNO OPERACIJSKO POJAČALO

• Idealno operacijsko pojačalo je zamišljeni elektronički sklop sa dva ulaza i jednim izlazom kojim aproksimiramo stvarno pojačalo:

V-

Y+

-𝑌 = 𝐴𝑣(𝑉+ − 𝑉−)

Naponsko pojačanje operacijskog pojačala

Neinvertirajući ulaz

Invertirajući ulaz

Izlaz pojačala

IDEALNO OPERACIJSKO POJAČALO

KARAKTERISTIKE IDEALNOG OPERACIJSKOG POJAČALA:

• Beskonačno naponsko pojačanje 𝐴𝑣 = ∞

• Beskonačna ulazna impedancija 𝑅𝑢𝑙 = ∞

• Izlazna impedancija jest jednaka nuli 𝑅𝑖𝑧 = 0

• Beskonačan frekvencijski opseg 𝐵 = ∞

V-

Y+

- 𝐴𝑣 = ∞

𝑅𝑢𝑙 = ∞

𝑅𝑖𝑧 = ∞

𝐵 = ∞

IDEALNO OPERACIJSKO POJAČALO

Nadomjesni sklop idealnog operacijskog pojačala:

𝑉𝑆+ - terminal pozitivnog napajanja

𝑉𝑆− - terminal negativnog napajanja

𝑉+ - neinvertirajući ulaz

𝑉− - invertirajući ulaz

𝑉𝑖𝑧 - izlazni napon

Naponski reguliraninaponski izvor

𝑉𝑆− ≤ 𝑉𝑖𝑧 ≤ 𝑉𝑆+

IDEALNO OPERACIJSKO POJAČALONaziv parametra Simbol Iznos

Ulazna impedancija 𝑅𝑢𝑙 ∞

Izlazna impedancija 𝑅𝑖𝑧 0

Pojačanje u otvorenom krugu 𝐴𝑣 ∞

Frekvencijski opseg 𝐵 ∞

Pojačanje idealnog operacijskog pojačala ne ovisi o temperaturi:

𝑉𝑖𝑧 = 𝐴𝑣 𝑉+ − 𝑉− = 𝐴𝑣 ∙ 𝑉𝑢𝑙

Maksimalni izlazni napon je jednak naponu napajanja:

𝑉𝑆− ≤ 𝑉𝑖𝑧 ≤ 𝑉𝑆+

Ovo također znači da kod idealnog operacijskog pojačala:

• struja na ulaznim terminalima idealnog operacijskog pojačala je jednaka nuli

• diferencijal ulaznog napona 𝑉+ − 𝑉− = 0

IDEALNO OPERACIJSKO POJAČALO

Vul

Viz

Vs+

Vs-

Saturacija

Nagib = 𝐴𝑣

• Do saturacije dolazi kada je ulazni napontakav da 𝑉𝑖𝑧 ≥ 𝑉𝑆+ ili kada je ulazni napontakav da 𝑉𝑖𝑧 ≤ 𝑉𝑆−

• Kod realnih operacijskih pojačala nivo saturacije je otprilike na 80% nivoa napajanja

• Kod pozitivne saturacije imamo: 𝑉𝑖𝑧 = 𝑉𝑠𝑎𝑡+ ≈ 𝑉𝑆+

• Kod negativne saturacije imamo: 𝑉𝑖𝑧 = 𝑉𝑠𝑎𝑡− ≈ 𝑉𝑆−

• Linearno područje rada: 𝑉𝑖𝑧 = 𝐴𝑣 𝑉+ − 𝑉−

Pozitivnasaturacija

Negativnasaturacija

REALNA OPERACIJSKA POJAČALA

Naziv parametra Simbol Vrijednost

Ulazna impedancija 𝑅𝑢𝑙 106Ω

Izlazna impedancija 𝑅𝑖𝑧 102Ω

Pojačanje u otv. krugu 𝐴𝑣 104~107

Frekvencijski opseg 𝐵 103~109Hz

Operacijska pojačala razlikuju se od idealnih i po temperaturnom opsegu:• Komercijalna op. pojačala: 0℃ ~ 70℃• Industrijska op. pojačala: −25℃ ~ 85℃• Vojna op. pojačala: −55℃ ~ 125℃

𝑉𝑖𝑧 = 𝐴𝑣 𝑉+ − 𝑉− = 𝐴𝑣𝑣𝑢𝑙

LIMITIRANJE POJAČANJA POJAČALA𝑣𝑢𝑙 𝑚𝑉

𝑡 𝑠

𝑣𝑚𝑖𝑛 = −5𝑚𝑉

𝑣𝑚𝑎𝑥 = 5𝑚𝑉

𝑉𝑖𝑧 𝑉

𝑡 𝑠

𝑉𝑆+

𝑉𝑆−

• Idealna pojačala imaju beskonačno pojačanje dok realna pojačala imaju veliko ali konačno pojačanje

• Pretpostavka je da na ulazu imamo ulazni signal 𝑣𝑢𝑙 male amplitude reda veličine nekoliko 𝑚𝑉

• Izlazni signal 𝑉𝑖𝑧 ne može preći naponske nivoe 𝑉𝑆+ i 𝑉𝑆−

• Zbog toga će izlazni signal 𝑉𝑖𝑧 stalno biti u pozitivnoj ili negativnoj saturaciji

RJEŠENJE:

Limitirati pojačanje pojačala na točno određenu konačnu vrijednost!

KONFIGURACIJA INVERTIRAJUĆEG POJAČALA• Pomoću konfiguracije invertirajućeg pojačala može se postaviti pojačanje pojačala 𝐴𝑣 na točno po želji određen iznos. Ulazni signal se dovodi na V- terminal.

• Negativna povratna veza se postiže tako da se izlaz pojačala poveže sa invertirajućim ulazom putem otpornika povratne veze 𝑅𝐹

Kako odrediti naponsko pojačanje pojačala u konfiguraciji invertirajućeg pojačala?

Naponsko pojačanje 𝐴𝑣 jednako je omjeru izlaznog i ulaznog napona:

(1) 𝐴𝑣 =𝑉𝑖𝑧

𝑉𝑢𝑙

KONFIGURACIJA INVERTIRAJUĆEG POJAČALATreba primjetiti da zbog toga što koristimo aproksimaciju idealnog pojačala između invertirajućeg (-) i neinvertirajućeg (+) ulaza ne teče nikakva struja.

Ako ne teče struja između (+) i (-) terminala idealnog pojačala tada je diferencijal napona na ulazu pojačala:

(2) 𝑉− − 𝑉+ = 0

Koliki je potencijal u točki A?

A

KONFIGURACIJA INVERTIRAJUĆEG POJAČALABudući da nema pada napona na ulazu pojačala točka A se nalazi na potencijalu 0!

𝜑 𝐴 = 0

IulIF

Pretpostavimo sada da na ulazu pojačala imamo struju Iul te da kroz otpor povratne veze teče struja IF

Pošto između V+ i V- ulaza pojačala ne teče nikakva struja možemo zaključiti da:

(3) 𝐼𝑢𝑙 = 𝐼𝐹

KONFIGURACIJA INVERTIRAJUĆEG POJAČALA

𝜑 𝐴 = 0

Iul=IFIF

Pošto je točka A na potencijalu 0 sada primjenom Kirchhoffovog zakona za napone možemo pisati:

(4) 𝑉𝑢𝑙 = 𝐼𝐹𝑅𝐼

Za izlazni krug također možemo primjeniti Kirchhoffov zakon za napone:

(5) 𝑉𝑖𝑧 = −𝐼𝐹𝑅𝐹

KONFIGURACIJA INVERTIRAJUĆEG POJAČALA

𝜑 𝐴 = 0

Iul=IFIF

Dijeljenjem jednadžbe (5) sa jednadžbom (4) dobije se omjer:

(5)𝑉𝑖𝑧

𝑉𝑢𝑙= −

𝐼𝐹𝑅𝐹

𝐼𝐹𝑅𝐼= −

𝑅𝐹

𝑅𝐼

Omjer na lijevoj strani jednadžbe (5) može se prepoznati kao naponsko pojačanje pojačala u konfiguraciji invertirajućeg pojačala:

Predznak minus (-) u jednadžbi (6) znači je izlazni napon zakrenut u fazi za 180° u odnosu na ulazni napon!

(6) 𝐴𝑣 = −𝑅𝐹

𝑅𝐼

KONFIGURACIJA NEINVERTIRAJUĆEG POJAČALA

• U konfiguraciji neinvertirajućeg pojačala signal se dovodi na neinvertirajući ulaz pojačala

• Negativna povratna sprega se postiže tako da se izlaz pojačala poveže sa invertirajućim ulazom putem otpornika povratne veze 𝑅𝐹

A

Da bi se našlo naponsko pojačanje neinvertirajućeg pojačala prvo treba odrediti napon u točci A

Pošto u aproksimaciji idealnog pojačala nema razlike potencijala između V+ i V-ulaza pojačala potencijal u točci A jest:

(7) 𝜑 𝐴 = 𝑉𝑢𝑙

KONFIGURACIJA NEINVERTIRAJUĆEG POJAČALA

𝜑 𝐴 = 𝑉𝑢𝑙

AIF

IF

Sada pretpostavimo smijer struje 𝐼𝐹 krozotpor negativne povratne sprege 𝑅𝐹

Budući da kod idealnog pojačala struja ne može teći između V+ i V- tada kroz otpor 𝑅𝐼 također teče struja 𝐼𝐹

Pošto znamo potencijal u točci A, za točku A možemo pisati:

(8) 𝜑 𝐴 = 𝑉𝑢𝑙 = 𝐼𝐹𝑅𝐼

KONFIGURACIJA NEINVERTIRAJUĆEG POJAČALA

𝜑 𝐴 = 𝑉𝑢𝑙

AIF

IF

Primjenom Kirchhoffovog zakona za naponena izlazni krug pojačala dobije se:

(9) 𝑉𝑖𝑧 = 𝐼𝐹 𝑅𝐼 + 𝑅𝐹

Dijeljenjem jednadžbe (8) sa (9) dobijemo omjer:

(10) 𝑉𝑖𝑧

𝑉𝑢𝑙=

𝐼𝐹 𝑅𝐼+𝑅𝐹

𝐼𝐹𝑅𝐼= 1 +

𝑅𝐹

𝑅𝐼

Dakle pojačanje pojačala u neinvertirajućoj konfiguraciji je određeno omjerom otpornika 𝑅𝐹 i 𝑅𝐼:

𝐴𝑣 = 1 +𝑅𝐹𝑅𝐼

AUDIO POJAČALO ZA BRODSKI RAZGLAS

Jedna od bitnih komponenti sustava brodskog razglasa jest audio pojačalo.

AUDIO POJAČALO ZA BRODSKI RAZGLAS

Kod audio pojačala poželjno je na aktuator (zvučnik) prenijeti maksimalnu snagu.

Kriterij maksimalnog prijenosa snage kaže da se maksimalna snaga prenese na teret onda kada je izlazna impedancija pojačala jednaka konjugirano kompleksnoj impedanciji tereta.

Impedancija je generalno kompleksna veličina:

𝑍 = 𝑅 + 𝑗 𝑋

U slučaju zvučnika, impedancija je uglavnom realna što znači da izlazni otpor pojačala treba biti jedak otporu zvučnika.

AUDIO POJAČALO ZA BRODSKI RAZGLAS

• Upravo zbog toga da se osigura maksimalni prijenos snage, operacijska pojačala imaju točno definiran izlazni otpor koji odgovara otporu zvučnika.

• Jedno takvo audio pojačalo jest LM4861 (Texas Instruments)

• Izlazni otpor pojačala LM4861 jest 8Ω

ZAKLJUČAK• Operacijska pojačala su versatilne elektroničke komponente te ih nalazimo u

većini elektroničkih sklopova

• Aproksimacija operacijskog pojačala je idealno operacijsko pojačalo

• Poželjne karakteristike pojačala su:• Veliki ulazni otpor

• Mali izlazni otpor

• Veliko pojačanje

• Veliki bandwidth

• Kod praktičnih primjena pojačala potrebno je limitirati pojačanje

• Pojačanje se može ograničiti pomoću:• Pojačala u invertirajućoj konfiguraciji

• Pojačala u neinvertirajućoj konfiguraciji

HVALA NA PAŽNJI !