OPERACIONI POJAČAVAČleda.elfak.ni.ac.rs/education/Analogna elektronska kola/predavanja/201… · Što je veća vrednost R2 veći je uticaj strujne razdešenosti na izlazninapon,VOSI!

OPERACIONI POJAČAVAČ

• Naponski komparatori

• Regenerativni komparatori (Šmitov komparator )

• Precizni usmerači

• Relaksacioni oscilatori

• Multivibratori

Primene OP u nelinearnim kolima

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

• Multivibratori

• Detektori maksimalnog signala

12/10/2016 1


Komparator

• Naponski komparator je kolo koje poredi amplitude dva napona. Izlazni

napon može da ima jednu od dve moguće vrednosti zavisno od toga koji je od

dva ulaza na višem potencijalu.

•Komparator realizovan primenom operacionog pojačavača može da radi u

otvorenoj petlji (bez povratne sprege) ili koristi pozitivnu povratnu spregu. U

oba kola izlazni napon odgovara pozitivnom ili negativnom zasićenjuoba kola izlazni napon odgovara pozitivnom ili negativnom zasićenju

operacionog pojačavača.

• Dve moguće konfiguracije Op-amp komparatora su:

• invertujuća konfiguracija u kojoj se ulazni signal dovodi na invertujući

ulazni terminal.

• neinvertujuća konfiguracija u kojoj se ulazni signal dovodi na

neinvertujući ulazni terminal.


• U Op-amp komparatoru bez povratne sprege ulazni signal se dovodi na

jedna od ulaza dok se za drugi ulaz priključuje referentni napon.

• Komparator sa operacionim pojačavačem u otvorenoj petlji funkcioniše

korektno ukoliko su promene ulaznog signala dovoljno brze i ukoliko u

ulaznom signalu nema suviše šuma. U suprotnom ovo kolo praktično osciluje

između dva režima zasićenja. Jedna od načina da se ovaj problem prevaziđe

je da se uvede pozitivna povratna sprega.


Komparator

Komparator upoređuje napon signala na

jednom ulazu sa naponom na drugom

ulazu koji je poznat i naziva se referentni

napon.

satrefin VVVV −=⇒< 0

satrefin VVVV =⇒> 0


Invertujući komparator


=−

−==−=⇒=+

satoutsat

satoutsat

outin

VVzaR

RV

VVzaR

RV

R

RVVV

2

1

2

1

2

10

• Ovim kolom se konvertuje proizvoljni talasni oblik u pravougaoni. Ulazni napon

menja stanje na izlazu OP svaki put kada kada njegova vrednost prelazi prag okidanja.

Neinvertujući Šmitov komparator

2


outVRR

RV ⋅

+=+

21

1

−=+

−

=+

=+

=⇒=

satoutsat

satoutsat

outinindiff

VVzaRR

RV

VVzaRR

RV

RR

RVVV

21

1

21

1

21

1_ 0

Invertujući Šmitov komparator

Op-amp komparator sa histerezisom (Šmitov triger)

Šmitov triger konvertujeproizvoljni analogni signalu diskretni signal. Tipičnaprimena ovog kola jeeliminisanje šuma izsignala koji se koristi udigitalnim kolima.

Op komparator sa histerezisom (Šmitov triger)

Za realizaciju Šmitovog trigera upotrebljen je operacioni pojačavač. Napon pozitivnog i nagativnog zasićenja operacionog pojačavača iznose +VCC=12 V i –VCC=12 V,respektivno. Ukoliko se zahteva da napon histerezisa projektovanog kola iznosi 2 V odrediti vrednosti otpornika u povratnoj sprezi u slučaju:

a) Neinvertujućeg Šmitovog trigera

b) Invertujućeg Šmitovog trigera

1. Zadatak 2. Čas

a) b)

Naponski komparatori

• Standardni operacioni pojačavači mogu se upotrebiti za realizacijukomparatora. Medjutim, oni su optmizovani za rad linearni režim radai za rad za kola koja sadrže negativnu povratnu spregu.• Namenski naponski komparatori se razlikuju u odnosu nastandardne operacione pojačavače po izlaznom stepenu. Izlaznistepen naponskih komparatora sadrži prekidačne tranzistore da bi senapon napon mogao da se menja što većom brzinom.• Neka od komercijalni integrisanih kola naponskih komparatorsa su :LM311, LM393, LM339.LM311, LM393, LM339.

• Integrisana kola naponskihkomparatora najčešće na izlazu imajutranzistorski prekidač koji konvertujeanalogni u digitalni signal. Ovaj prekidačje realizovan u konfiguraciji sa otvorenimkolektorom ili otvorenim drejnom.

Relaksacioni oscilatori

• Elektronski oscilator mogu se podeliti u dve opšte kategorije: harmonijski oscilatori i relaksacioni oscilatori. Relaksacioni oscilatori generišu na izlazu signal koji nije sinusnog talasnog oblika već nekog drugog talasnogoblika. Najčešće se koriste oscilatori pravouganog ili testerastog talasnog oblika. • Jedan od čestih primena u OP je generator pravouganog talasnog oblika. On se sastoji od invertujućeg Šmitovog trigera i RC kola. U RC kolu se praktično dobija integral izlaznog izlaznog napona. Napon na kondenzatoru je praktično ulazni signal za invertujući Šmitov komparator. U ovom kolu praktično dolazi do naizmeničnog punjenja i pražnejnja kondenzatora preko otporniak R koji je naizmeničnog punjenja i pražnejnja kondenzatora preko otporniak R koji je povezan sa izlazom.

( ) ( )( ) ( )

−=

⋅=

⋅−= −RC

t

CCccc

cCCc

eVtv

dt

tdvCi

tiRVtv

1

The relaxation oscillator

Napon na inverujućem ulazu je jednak naponu na kondenzatoru i može se izraziti na sledeći način:

• Napon na kondenzatoru će promeniti vrednostiod gornjeg praga okidanja (-βVSS) do donjegpraga okidanja u toku vremenskog intervala ∆t1:

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) RC

t

cccc

ccc

etvVVtv

dt

tdvCi

tiRtvVtv −−−=

⋅=

⋅−−=

000

00

praga okidanja u toku vremenskog intervala ∆t1:

• Napon na kondenzatoru će promeniti vrednostiod donjeg praga okidanja (βVSS) do donjeg pragaokidanja (-βVSS) u toku vremenskog intervala ∆t2:

• Period oscilacija iznosi:

Isprojektovati relaksacioni oscilator čija je frekvencija oscilovanja f0=10 kHz. Pretpostaviti da posedujemo sledeće komponente: C=6.8 nF and R=10 kΩ. Napon na izlazu se menja u opsegu od Vsn=-12 V do Vsp=12V.

2 Zadatak 2 Čas


Idealna dioda (precizni ispavljač)

Obična dioda ima pad napona direktne polarizacije Vγ oko 0,6V. Ovo kolo se ponaša

kao dioda sa Vγ=0 V.

inoutin VVA

VV =⇒>

0

χ

0=⇒< outin VV

Vχ

Linearni režim rada-dioda vodi i uspostavlja senegativna povratna sprega

Negativno zasićenje dioda ne vodi i OP je bez 0

0

=⇒< outin VA

Vdioda ne vodi i OP je bez povratne sprege

OGRANIČENJA OPERACIONIH POJAČAVAČA

Sadržaj

Karakteristike realnog operacionog pojačavačaa. Uticaj konačnog pojačanjab. Propusni opsegc. Ulazna naponska razdešenostd. Struje polarizacije i ulazna strujna razdešenost


d. Struje polarizacije i ulazna strujna razdešenoste. Faktor potiskivanja srednje vrednosti signalaf. Faktor potiskivanja napona napajanjag. Ulazna otpornosth. Izlazna otpornosti. Maksimalna brzina odziva (Slew rate)j. Maksimalni izlazni naponk. Maksimalna izlazna struja

Analogna elektronska kola 15

Ogran ičen ja OP

Statička ograničenja OP

• Ulazni ofset napon

• Struja polarizacije i ulazni ofset struje

• Faktor potiskivanja srednje vrednosti signala

• Faktor potiskivanja promene napona napajanja

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLAAnalogna elektronska kola 16

napajanja

• Maksimalni napon na izlazu

Dinamička ograničenja OP

Frekvencijski odziv u otvorenoj petlji

Ulazna i izlazna impedansa

Vremenski odziv (maksimalna brzina odziva na izlazu)

RR

Uticaj konačnog pojačanja u otvorenoj petlji na inverujući pojačavač

α∙ vin Komponenta signala koja se direktno prenosi od ulaza do ulaza osnovog pojačavača.

β∙ vo Komponenta signala koja se prenosi od izlaza do ulaza osnovog pojačavača.


021

1

21

2012

vRR

Rv

RR

Rvvv inin ⋅

++⋅

+=⋅+⋅= βα

12vAov ⋅−=

21

10

21

20

0

0

11

RR

RA

RR

RA

A

A

gv

ov

Ar

+⋅+

+⋅−

=⋅+

⋅−==

βα

osnovog pojačavača.

21

212

0 RR

R

vv

v

oin +=

==α

21

1

0

12

0 RR

R

vv

v

in +=

==β

Realna amplitudska karakteristika OpAmp 741

OP AMP L IM ITAT IONS Finite bandwidth effects

Jedno od najozbiljnijih ograničenja OP je činjenica da pojačanje u otvorenoj petlji iima visoku vrednosti samo za veoma niske frekvencije reda nekoliko Hz. Nakon granične frekvencije pojačanje opada što prouzrokuje degradaciju performansi ukupnog kola.

dBj

AjA

3/1

0)(ωω

ω+

=

Ao je DC pojačanje u otvorenoj petlji

f3dBf1

Ao je DC pojačanje u otvorenoj petlji

f3db je frekvencija dominantnog pola

( )

+=

=

23/1

0log20][)(

)(log20][)(

dB

AdBjA

jAdBjA

ωωω

ωω


Efekat konačnog propusnog opsega

dB

dBAjA 3

3for 0)( ωω

ω

ωω >>≈

2

3

1

0)(

+

=

dB

AjA

ωω

ω


fT=ωωωω1/2ππππ, frekvencija jediničnog pojačanja ili

Proizvod pojačanje propusni opseg (GB)

f3dBfT

19

TdBA ωω == 30GB

ω

dBT AjA 30for 1)( ωωω ==

dBT AdBjA 30for 0][)( ωωω ==


Efekat konačnog propusnog opsega

)1(1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

BAj

BA

A

j

BA

j

A

BA

AA

g

g

gr

−⋅+

⋅−

=

+

⋅−

+

=⋅−

=

ωω

ωω

ωω

U kolu sa negativnom povratnom spregom dobija se:

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA20

Proizvod jednosmernog pojačanja i granične frekvencije ostaje stalan i jednak je frekvenciji jedinčnog pojačanja.

trrg AA ωωω =⋅=⋅0

gω

( )ABgr −= 1ωω( )AB

AAr −

=1

0


Definicija: Napon koji treba dovesti između ulaznih priključaka tako da napon na izlazu bude jednak nuli.

Uzrok: Ovo je posledica nepodešenosti ulaznog pojačavača(diferencijalnog pojačavača). Kada se ulazi kratkospoje napon na izlazu nije jednak nuli.

Tipična vrednost: 1mV<VOS<5mV.

Ulazna naponska razdešenost (naponski ofset)


Modeliranje: Naponski ofset modelira se jednosmernim generatorom na invertujućem ili neinvertujućem ulazu.

Realni pojačavač

Idealni pojačavač




Naponski ofset jednak je razlici napona na emitorskih spojeva tranzistora u diferencijalnom paru: Vio=Vbe1-Vbe2


O P A M P L I M I TAT I O N S : voltage offset

Interna kompenzacija

Ulazna naponska razdešenost

Neka kola inegrisana kola OP sadrže dva pina kojima se omogućavaeliminacija naonskog ofseta. Nulovanje ofseta se primenjuje upotrebompotenciometra koji je svojim srednjim izvodom povezan za negativno napajanje.


Unutrašnja kompenzacija


Podešavanje se obavlja se tako što se:• implementira željeno kolo• ulazni priključak kola poveže sa referentnim• podešava potenciometar dok se na izlazu ne dobije nulta vrednost napona.Napon se meri veoma osetljivim voltmetrom.

Praksa je da se podešavanje ofseta obavlja nakon što je kolo radilo nekoliko sati.


Praksa je da se podešavanje ofseta obavlja nakon što je kolo radilo nekoliko sati.


Spoljašnja kompenzacija


Spoljašnja kompenzacijaInvertujućeg pojačavača

Spoljašnja kompenzacijaneinvertujućeg pojačavača


R1>> R3R1 >> R3, Ra Ra >> R2

R2 treba da ima malu vrednost, desetak oma, da promena otpornosti potenciometra nebi uticala na otpornost izmedju ulaza i mase. Iz istog razloga R1 treba da bude što veće.


Definicija: Struja razdešenosti na ulazu predstavlja razliku izmeđuulaznih struja polarizacija, Ios=IB1- IB2.

Uzrok: Ulazne struje su jednosmerne struje polarizacije bipolarnihtranzistora u diferencijalnom pojačavaču. Ove struje su kod MOSFEToperacionih pojačavača zanemarive. Strujni ofset nastaje zbognemogućnosti izrade dva tranzistora sa identičnim karakteristikama.

Ulazne struje polarizacije i strujni ofset (strujna razdešenost na ulazu)

Tipične vrednosti za bipolarni O.P. Modeliranje


100nA 2

21 ≤+

= BBB

III

10nA 21 ≤−= BBOS III


Tipične vrednosti za bipolarni O.P. Modeliranje


Uzrok: Ulazne struje su jednosmerne struje polarizacije bipolarnihtranzistora u diferencijalnom pojačavaču. Ove struje su kod MOSFEToperacionih pojačavača zanemarive. Strujni ofset nastaje zbognemogućnosti izrade dva tranzistora sa identičnim karakteristikama.




Uticaj ulaznih struja polarizacije na izlazni napon invertujućeg pojačavača

221 RIRIV BBOSI ≅=

Treba uočiti da velika ulazna

otpornost zahteva veliku vrednost

R nakon čega je potrebno

IB1 R2

R10



R1 nakon čega je potrebno

povećati i vrednost R2.

Što je veća vrednost R2 veći je

uticaj strujne razdešenosti na

izlazni napon, VOSI!

VOSI

0V



Efekat strujnog ofseta može se umanjniti izborom odgovarajuće vrednosti otpornika R3.

13212 / RRIII BB −=I2

R2

R1IB2R3/R1 2232 RIRIV BOSI +−=



VOSI

R3

IB2

-IB2R3

[ ])/1(

za

1232

21

RRRRIV

III

BOSI

BBB

+−=

==



Da bi se umanjio ofset struje potrebno je

21

12

12

23

/1 RR

RR

RR

RR

+=

+=

1

2/

2/

III

III OSBB

−=

+=



2

2 2/

RIV

III

OSOSI

OSBB

=

−=

Izlazni napon pod dejstvo strujnog ofseta, VOSI , umanjen je za red veličine s obzirom da je IOS << IB



Da bi se umanjio uticaj struja polarizacije, otpornik koji se vezuje zaneinvertujući ili invertujući ulaz treba da bude jednak DC ulaznoj otpornosti nadrugom ulazu.



Potrebno je da R3 =R1 || R2



Isprojektovati neinvertujući pojačavač sa sledećimspecifikacijama: pojačanje u zatvorenoj petlji 5, greškapojačanja 1%, širina propusni opseg u zatvorenoj petlji BW=50kHz. Odrediti pojačanje i širinu propusnog opsegaoperacionog pojačavača koji bi se upotrebio u ovom kolu ?

3. Zadatak 2. Dan

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA17/10/2018 32

Documents

OPERACIONI POJAČAVAČleda.elfak.ni.ac.rs/education/Analogna elektronska kola/predavanja/201… · Što je veća vrednost R2 veći je uticaj strujne razdešenosti na izlazninapon,VOSI!