Forelesning nr 11 inf 1411 elektroniske systemer
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 32

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer PowerPoint PPT Presentation


  • 72 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer. Operasjonsforsterkere. Dagens temaer. Ideel operasjonsforsterker Operasjonsforsterker-karakteristikker Differensiell forsterker Opamp-kretser Dagens temaer er hentet fra kapittel 18.1-18.6. Historikk.

Download Presentation

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Forelesning nr 11 inf 1411 elektroniske systemer

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer

Operasjonsforsterkere

INF 1411


Dagens temaer

Dagens temaer

  • Ideel operasjonsforsterker

  • Operasjonsforsterker-karakteristikker

  • Differensiell forsterker

  • Opamp-kretser

  • Dagens temaer er hentet fra kapittel 18.1-18.6

INF 1411


Historikk

Historikk

  • Operasjonsforsterkeren ble oppfunnet på 1940-tallet og implementert med radiorør

  • Virkemåten er stort sett uendret

  • Som for øvrig for elektronikk har

    • Mindre størrelse

    • Lavere effektforbruk

    • Lavere pris

    • Bedre pålitelighet

  • De første opamp’er var bygget med diskrete komponenter, dagens ofte integrert med annen elektronikk

INF 1411


Enkel opamp modell

Enkel opamp-modell

  • Skjematisk tegnes en opamp slik vist i figur b)

  • Siden opamp er en aktiv enhet, trengs ekstern strømforsyning og kalibreringssignaler

  • En opamp kan ses på som en enkel forsterker med følgende sammenheng mellom input og output (A er gain eller forsterkning):

INF 1411


Karakteristikker til en ideel opamp

Karakteristikker til en ideel opamp

  • En ideell operasjonsforsterker har følgende egenskaper:

    • Input-motstanden Ri=∞

    • Output-motstanden Ro=0

    • Spenningsforsterkningen Av= ∞

    • Båndbredden= ∞

    • V0=0 når V1=V2, uavhengig av størrelsesordenen til V1

INF 1411


Oppbygging av opamp

Oppbygging av opamp

  • De fleste opamp’er har et differensielt steg først, etterfulgt av en spenningsforsterker (klasse A) og tilslutt en push-pull forsterker (klasse B)

INF 1411


Differensiell forsterker

Differensiell forsterker

  • De fleste opamp’er har et differensielt steg først, etterfulgt av en spenningsforsterker (klasse A) og tilslutt en push-pull forsterker (klasse B)

  • Differensielle forsterkere («Diffamp») har fordeler sammelignet med andre forsterker, bla, undertrykker de «commom-mode» støy (støy som er tilstede i begge input-signalene

  • Diffamps kan designes både med BJT og FET; sistnevnte brukes hvis veldig høy inngangsmotstand er påkrevet

INF 1411


Differensiell forsterker forts

Differensiell forsterker (forts)

  • Virkemåte når det ene input-signalet er koblet til jord («single-ended mode»)

+VCC

SignaletvedkollektorentilQ2erikke-invertert.

SignaletvedkollektorentilQ1erinvertert.

RC1

RC2

Q1

Q2

RE

Input er i single-ended modus

Vedemitterneersignalethalvpartenav input.

-VEE

INF 1411


Differensiell forsterker forts1

Differensiell forsterker (forts)

  • Når begge input er koblet til signaler, og de er ute av fase kalles det for differensiell modus

+VCC

  • Hver av output-signalene er større enn input-signalene

RC1

RC2

Q1

Q2

RE

Input uteavfase

Inputs out of phase

-VEE

INF 1411


Differensiell forsterker forts2

Differensiell forsterker (forts)

  • Når begge input er koblet sammen, eller de er i fase, opererer diffampen i common-mode

+VCC

RC1

RC2

Når input-signaleneer i fase, kansellerer de hverandreog output ligger rundt 0 volt

Q1

Q2

RE

Input er i fase

-VEE

  • Hver av output-signalene er større enn input-signalene

INF 1411


Implementasjon 741 type

Implementasjon (741-type)

Strømspeil

Differensiell forsterker

Spenningsnivå-

skifter

Utgangssteg

Strømspeil

Klasse A gain steg

INF 1411


Negativ tilbakekobling

Negativ tilbakekobling

  • Tilbakekobling er en utbredt teknikk i bla kontrollsystemer og forsterkere for å bedre linearitet

  • Brukt på en diffamp fører negativ tilbakekobling til at de to input-signalene alltid er i fase, men forskjellen i amplitude mellom dem forsterkes opp

  • Hvis et input-signal hadde blitt koblet til jord og det andre til en ekstern kilde, ville små variasjoner ført til et stort output-signal (metning)

INF 1411


Sp rsm l

Spørsmål

  • Nevn to regler som gjelder for en ideel opamp?

  • Hvilke tre deler består en opamp av?

  • Hva er fordelen med en differensiell forsterker (diffamp)?

  • Nevn grunner til at båndbredden ikke er uendelig

  • Nevn grunner til at forsterkningen A ikke kan være uendelig

  • Hvor stor input-motstand har en ideel opamp

  • Hvor stor output-motstand har en ideell opamp

INF 1411


Opamp med negativ feedback

Opamp med negativ feedback

  • For å forstå virkemåten til en krets med negativ tilbakekobling brukes en inverterende forsterker::

INF 1411


Inverterende forsterker forts

Inverterende forsterker (forts.)

  • Ønsker å finne utgangssignalet vout som funksjon av vin

  • Setter opp KVL for kretsen:

INF 1411


Inverterende forsterker forts1

Inverterende forsterker (forts.)

  • Ved å anta at begge terminalene har samme spenning (virtuell jord) får vi at

  • Har nå to ligninger med to ukjente og dette gir:

INF 1411


Inverterende forsterker forts2

Inverterende forsterker (forts.)

  • A er gitt av forholdet mellom Rf og R1:

  • Ser på oppførselen med vin=5sin(3t)mV, R1=4.7kΩ, Rf=47k Ω

  • Dette gir vout=-50sin(3t)mV

INF 1411


Ikke inverterende forsterker

Ikke-inverterende forsterker

  • Hvis man ikke ønsker invertert output, kan man benytte en ikke-inverterende forsterker

  • Bruker KCL for å finne vout som funksjon av vin:

INF 1411


Ikke inverterende forsterker forts

Ikke-inverterende forsterker(forts)

  • Ser på oppførselen med vin=5sin(3t)mV, R1=4.7kΩ, Rf=47k Ω

  • Dette gir vout=-55sin(3t)mV

  • Merk forskjellen i A mellom inverterende og ikke-inverterende forsterker.

  • En inverterende forsterker har A>0, mens en ikke-inverterende har A≥1

INF 1411


Spenningsf lger

Spenningsfølger

  • En annen mye brukt konfigurasjon er spenningsfølgeren (buffer)

  • Spenningsfølgeren brukes blant annet for å elektrisk isolere input fra output

INF 1411


Praktiske opamp er

Praktiske opamp’er

  • Ved å ta utgangspunkt i den enkle opamp-modellen kan man sette opp hvordan en fysisk opamp avviker fra en ideel

INF 1411


Praktiske opamp er forts

Praktiske opamp’er (forts)

  • Denne modellene har tre parametre som klassifiserer opampen:

    • Inngangsresistansen Ri

    • Utgangsresistansen Ro

    • Forsterkningen A

  • For en fysisk opamp er Ri typisk MΩ eller større

  • Utgangsmotstanden Ro er noen få Ohm

  • Forsterkningen (open-loop, dvs opamp’en alene) er vanligvis fra 105 og større

  • Spesialiserte opamp’er kan ha helt andre verdier

INF 1411


Forelesning nr 11 inf 1411 elektroniske systemer

Praktiske opamp’er (forts)

  • Fra den enkle modellen kan man utlede de to ideelle opampreglene (repetisjon):

    • Det er ingen spenningsforskjell mellom inngangsterminalene

    • Det går ingen strøm inn i inngangsterminalene

  • Utgangsspeninngen er gitt av

  • Hvis A er svært stor, vil derfor vd bli svært liten, siden voutikke kan være høyere enn spenningsforsyningen

INF 1411


Forelesning nr 11 inf 1411 elektroniske systemer

Praktiske opamp’er (forts)

  • Hvis utgangsmotstanden Ro er større enn 0, vil output-spenningen voutsynke når utgangsstrømmen iout øker

  • En ideell opamp bør derfor ha Ro =0

  • I praktiske kretser er det viktig at utgangsmotstanden i forhold til lastmotstanden er så liten som mulig slik at det ikke blir spenningsfall som i sin tur er for mye avhengig av utgangsstrømmen

INF 1411


Common mode rejection

Common-mode rejection

  • Utgangsspenningen er proporsjonalt avhengig av spenningsforskjellen mellom inngangsterminalene

  • I en ideell opamp’en vil en felles spenningskomponent ikke påvirke utgangssignalet:

  • I en fysisk opamp vil en felles spenningskomponent påvirke utgangssignalet

  • Common-mode forsterkning (gain) er definert som

    der voCM er utgangsspenningen når inngangen er v1=v2=vCM

INF 1411


Common mode rejection1

Common-mode rejection

  • Common-mode rejection ratio CMRR er definert som forholdet mellom gain i differensiell og common modi

  • CMRR oppgis ofte på decibelskala (logaritmisk)

  • I decibel vil en dobling av CMRR innebære en økning på 6

INF 1411


Metning saturation

Metning (saturation)

  • Metning er et ikke-lineært fenomen som opptrer når økning av inngangsspenningen ikke lenger gir økning i utgangsspenningen

  • Utgangsspenningen fra en opamp kan aldri overstige forsynings-spenningen (forsterkningen er derfor i praksis begrenset)

  • Transistorene som driver utgangen i opamp’en har konstant spenningsfall som gjør at maks utgangsspenning ligger under maks forsyningsspenning

INF 1411


Metning forts

Metning (forts.)

  • Når opamp’en er i metning, opererer den utenfor det lineære området.

  • Overgangen fra lineært område til metning er ikke nødvendigvis symmetrisk, dvs

  • Den positive og negative metningsspenningen er heller ikke alltid like, dvs

INF 1411


Input offset spenning

Input offset-spenning

  • Hvis inngangsterminalene er koblet sammen vil vd=0, og dermed vout=0, hvis opamp’en er ideell

  • I praksis vil imidlertid vout ≠ 0 når vd=0

  • Denne effekten kalles for input offset spenning

  • Opamp’er er utstyrt med to ekstra terminaler slik at offset spenningen kan justeres til 0

INF 1411


Slew rate

Slew rate

  • Slew rate er et mål på hvor raskt utgangssignalet klarer å endre seg når inngangssignalet endrer seg

  • Slew rate måles i volt per sekund på utgangen

  • Ulike opamp’er har ulike slew rates

  • Opamp’er som har høy maksimal output-spenning vil typisk ha lav slew-rate

  • Slew rate vil bestemme hva som er opamp’ens båndbredde, dvs anvendelige frekvensområde

INF 1411


Slew rate forts

Slew rate (forts)

INF 1411


Sp rsm l1

Spørsmål

  • Hva menes med common mode?

  • Hva menes med differensiell mode?

  • Hva menes med CMRR?

  • Hva menes med slew rate?

  • Hva menes med metning?

  • Hva er mulige årsaker til slew rate?

  • Hvis opamp’en ikke er i metning, hvilket område opererer den i da?

INF 1411


  • Login