2010
Analogna integrisana elektronika
INTEGRISANA KOLA Generalno integrisana kola možemo podijeliti u 3 grupe: 1. Analogna – dominantni predstavnici su operacioni pojačavači 2. Digitalna – radit ćemo realizaciju logičkih operacija, logička i sekvencijalna kola. Procesori,
memorije, digitalna kola su realizovana na nekoj od tih tehnologija digitalnih električnih kola. 3. Kombinovana – imamo i kombinovana gdje su AD/DA konvertori tj. interface-i od
digitalnog ka analognom. Mi analogno integrisanu elektroniku krećemo sa time gdje u prvi plan stavljamo operacione pojačavače tj. realizaciju kola koja se realizirajusa operacionim pojačavačima. Obrada, signala se najčešće bazira u najvećem dijelu na digitalnim kolima. Da li su to mikroprocesori, VHDL ili na neki drugi način, međutim uvijek interface ili na jednu stranu mobitel izlaz ka VF emitovanja je analogno kolo, izlaz ka senzorima mjerenja je analogno kolo. Ova kola eventualno mogu biti i hibridna kola ili neke kombinacije ovih prethodnih.
OPERACIONI POJAČAVAČI Operacioni pojačavač (OP) je inegrisano kolo. Generalno pojačavači treba da budu: -
Prvi dio je da mora imati vrlo veliko pojačanje. U idealnom slučaju to treba da bude beskonačno. Ulazni otpor treba da bude vrlo velik, u idealnom slučaju beskonačan. Izlazni otpor veoma mali. U idealnom da teži nuli. I da sa negativnom povratnom vezom realizira željeno pojačanje. Takvo kolo ćemo označavati.
Obzirom da je ovdje diferencijalni ulaz to znači da može vršiti poređenje dva dva signala, realizirati
željeno pjačanje, filtrirati signale (neke propustiti neke eliminisati), možemo vršiti operacije sabiranja, oduzimanja, množenje, log, ... itd. Odakle i dolazi samo ime operacioni pojačavač, jer i prvi OP radili ove operacije sabiranja sabiranja, oduzimanja, množenja, ... Mogu se napraviti oscilatori, ako trebaju neke oscilacije, trebaju nam za generisanje signala talasnog oblika, zatim trebaju nam za AD i DA konverziju. Ovo čemu sliži, je odgovor na ono što mi
želimo da radimo. Upotrebom OP u principu možemo realizirati sve ove operacije. To je ono što ćete susretati gdje imamo neku liniju, pomnožimo signal, oduzmemo signal, saberemo signal, pomnožimo ga sa konstantom, pojačate signal, filtrirate signal. OP su brža baš iz razloga što se nalaze u analognom domenu i što od brzine OP zavisi njegova granična frekvencija.
E I A
2
ETF TUZLA | SUDO
INTEGRISANA KOLA Generalno integrisana kola možemo podijeliti u 3 grupe: 1. Analogna – dominantni predstavnici su operacioni pojačavači 2. Digitalna – radit ćemo realizaciju logičkih operacija, logička i sekvencijalna kola. Procesori,
memorije, digitalna kola su realizovana na nekoj od tih tehnologija digitalnih električnih kola. 3. Kombinovana – imamo i kombinovana gdje su AD/DA konvertori tj. interface-i od
digitalnog ka analognom. Mi analogno integrisanu elektroniku krećemo sa time gdje u prvi plan stavljamo operacione pojačavače tj. realizaciju kola koja se realizirajusa operacionim pojačavačima. Obrada, signala se najčešće bazira u najvećem dijelu na digitalnim kolima. Da li su to mikroprocesori, VHDL ili na neki drugi način, međutim uvijek interface ili na jednu stranu mobitel izlaz ka VF emitovanja je analogno kolo, izlaz ka senzorima mjerenja je analogno kolo. Ova kola eventualno mogu biti i hibridna kola ili neke kombinacije ovih prethodnih.
OPERACIONI POJAČAVAČI Operacioni pojačavač (OP) je inegrisano kolo. Generalno pojačavači treba da budu: -
Prvi dio je da mora imati vrlo veliko pojačanje. U idealnom slučaju to treba da bude beskonačno. Ulazni otpor treba da bude vrlo velik, u idealnom slučaju beskonačan. Izlazni otpor veoma mali. U idealnom da teži nuli. I da sa negativnom povratnom vezom realizira željeno pojačanje. Takvo kolo ćemo označavati.
Obzirom da je ovdje diferencijalni ulaz to znači da može vršiti poređenje dva dva signala, realizirati
željeno pjačanje, filtrirati signale (neke propustiti neke eliminisati), možemo vršiti operacije sabiranja, oduzimanja, množenje, log, ... itd. Odakle i dolazi samo ime operacioni pojačavač, jer i prvi OP radili ove operacije sabiranja sabiranja, oduzimanja, množenja, ... Mogu se napraviti oscilatori, ako trebaju neke oscilacije, trebaju nam za generisanje signala talasnog oblika, zatim trebaju nam za AD i DA konverziju. Ovo čemu sliži, je odgovor na ono što mi
želimo da radimo. Upotrebom OP u principu možemo realizirati sve ove operacije. To je ono što ćete susretati gdje imamo neku liniju, pomnožimo signal, oduzmemo signal, saberemo signal, pomnožimo ga sa konstantom, pojačate signal, filtrirate signal. OP su brža baš iz razloga što se nalaze u analognom domenu i što od brzine OP zavisi njegova granična frekvencija.
E I A
2
ETF TUZLA | SUDO
Unutrašnja struktura OP OP sastoji se iz 4 dijela: 1.
Dio – imamo diferencijalni pojačavač (DP) (koji obezbjeđuje male ulazne struje i ofsete
napona, veliku ulaznu otpornost i visok faktor potiskivanja zajedničkog signala) 2. Dio – stepen za promjenu naponskog nivoa (samo šematski predstavljen, slikovito) 3. Dio – Naponsko pojačanje signala (sa ogromnim koeficijentom naponskog pojačanja A) 4. Dio (stepen) - izlazni stepen je pojačavač snage u klasi P
Između ulaznih krajeva +V i -V postoji ulazna diferencijaln otpornost reda 108
i više i u tom dijelu
ne postoji neki element (naprimjer upravljani generator) koji bi predstavljao dejstvo izlaza na ulaz. Zbog toga je OP unilateralan element, t.j. signal se prenosi samo od ulaza prema izlazu a ne i obratno.
Prvi dio (difrencijalni pojačavač (DP)) može biti realizovan sa bipolarnim ili unipolarnim tranzistorima različitih karakteristika.
Idealni naponski pojačavač
→
Idealni naponski pojačavač ima beskonačno naponsko pojačanje A ( ∞), izlazni otpor teži nuli ( 0). beskonačnosti (
→
→
∞), ulazni otpor teži
Ostale karakteristike kao što su frekvencijska karekteristika, različiti šumovi, struje polarizacije, napon praga su idealni. Njihove vrijednosti ćemo isto obraditi. Kod idealnog pojačavača se mora uzeti u obzir da je izlazni napon max jednak vrijednosti napona napajanja. Karakteristika
od napona razlike potencijala na ulazu
− =(
2
1 ) je dato na sl.1.:
E I
Slika 1. Prenosna karakteristika idealnog OP
3
A
ETF TUZLA | SUDO
Sa +V i –V su označeni naponi zasićenja na izlazu OP (manji su od napona napajanja za pad napona na izlaznim komponentama OP), t.j. mogući naponi na izlazu. Primjera radi (sl.2): ako je jedan dio, +, spojimo na masu, priključimo na +V i -V i na ulazu dovedemmo sinusoidalni napon.
1⁰ Slučaj
U ovom slučaju ulazni signal dovedemo na invertujući ulaz, pa na izlazu napon će imati suprotan polaritet. (sl.3). A dok će sinusoidalni napon praktično proizvesti preklapanje izlaza +V i –V jer je naponsko pojačanje beskonačno. To je negdje oko 106 . 2⁰ Slučaj Ako sada zamijenimo ulaz, dovodimo na neinvertujući ulaz, sada će biti samo istog polariteta, znači da neće biti zamjene polariteta. (sl.4 i sl.5).
U prvom slučaju je dovođenje ulaznog signala na invertirajući ulaz, a u drugom slučaju je dovođenje na neinvertirajući ulaz i nema promjene polariteta. Kod realnog pojačavača ova karakteristika je oblika:
E I A
4
ETF TUZLA | SUDO
Korištenjem povratnih sprega, odnosno spajanjem drugih elektroničkih elemenata između ulaza i izlaza (otpornici, kondenzatori, diode, tranzistori i sl.), mogu se ostvariti različite linearne i nelinearne prenosne karakteristike, a takođe i različite dinamičke prenosne karakteristike.
NESAVRŠENOSTI OP Mi smo definisali idealne pojačavače. Nesavršenosti ćemo podijeliti u nekoliko kategorija.
Ulazne nesavršenosti: 1. 2. 3. 4.
Struja polarizacije Strujni ili naponski opseg
Konačna ulazna otpornost (nije beskonačna u realnom slučaju) ∞ već ima neku Prenosne nesavršenosti (U to spadaju konačno pojačanje, nije vrijednost, zatim konačna prosječna učestanost, konačni faktor potiskivanja DP).
→
Izlazne nesavršenosti: 1. 2. 3. 4.
Opseg izlaznog napona je manji od opsega napajanja Izlazna struja Konačni propusni opseg (ne pojačava od 0 do ∞) Izlazna otpornost nije nula (od 5 – 50 Ω)
Prijelazne nesavršenosti: 1. Vrijeme porasta (vrijeme za koje signal ide od 9 – 90 % na jedinični napon na ulazu) 2. Nesavršenosti u napajanju (u realnim operacionim pojačalima nije konstantan napona napajanja +V i –V) 3. Početna struja koju sam za sebe pojačavač troši bez ikakvog pojačanja. 4. Konačni koeficijent potiskivanja smetnji iz napajanja (ne možemo potpuno eliminisati).
Sada ćemo redom obja sniti 1. Ulazna struja polarizacije – OP u najvećem broju slučajeva pravi se sa bipolarnim tranzistorima
i tada kroz ulazne priključke teku struje baze. Ove struje se nazivaju ulazne struje polarizacije. Vrijednosti ovih struja kod OP u realizaciji sa bipolarnim tranzistorima su reda 10 – 100 nA. U slučaju kada se koriste unipolarni tranzistori tada je ova ulazna struja ustvari struja gate-a reda pA. 2. Ulazna naponska razdešenost – Diferencijalni napon koji treba dovesti između ulaznih
priključaka da bi napon na izlazu bio nula. Znači imamo OP i ako nikakav napon nije doveden ne znači da ćemo na izlazu imati napon nula.
E I A
5
ETF TUZLA | SUDO
Polaritet ovog napona ne može se unaprijed odrediti jer zavisi kako je nastupila razdešenost, tj. jer zavisi od same neukavrenosti komponenata u OP. Tipične vrijednosti ovog napona su od 2 – 10 mV. Vrlo male su vrijednosti i iz tog razloga i možemo govoriti o idealnom DP. Kod realnih pojačavača se uvodi korekcija kojom se postigne izlaz nula. Tznači ako nam ne znači to 10mV da radimo sa 2, 400, 500 mV u tom slučaju nama ne znači taj napon, međutim ako radimo sa malim naponima, moramo unaprijed podesiti pojačavač da ima naponsku razdešenost nula, odnosno ovaj ulazni napon razdešenosti.
Razdešenost ulazne struje (kod realnih OP) – Ulazne struje polarizacije kod DP nisu jednake. I ova razlika je u opštem slučaju slučajna veličina i ne može se predvidjeti niti izračunati i zavisi od konkretne komponente u OP. Srednju vrijednost ulaznih struja predstavljamo kao struju polarizacije. To je input bias current.
1
=
+
2
2
Njihovu razliku predstavljamo kao strujni offset ili strujnu razdešenost. Idealno bi bilo da da imamo iste struje polarizacije jednog i drugog tranzistora kod DP.
− =|
1
2|
Struja polarizacije je smijera koji zavisi od samog tranzistora. Međutim kod struje razdešenosti ne
znamo vrijednost i ona je slučajnog karaktera. Vrijednost ove struje je oko 20 nA, kod OP. U suštini strujni otpor se definiše kao struja koju je potrebno dovesti između ulaznih priključa ka tako da se ulazne struje DP izjednače i na izlazu postignemo izlazni napon koji je jednak nuli.
Temperaturno klizanje – Znamo
iz osnova elektronike da su poluprovodniče komponente
frekventno zavisne komponente i sa promjenom temperature mijenjaju se i strujna i naponska
razdešenost i dolazi do promijena ovih vrijednosti. Promjena:
∆ ∆ ∆ −pojačanje − °
°
Se naziva temperaturno klizanje. Faktor potiskivanja srednje vrijednosti:
−diferencijalno pojačanje pojačanje)
,
srednje vrijednosti ulaznog signala (simfazno
=
2
=
1
6
1
+ 2
E
I
2
A
ETF TUZLA | SUDO
potiskivanja kao odnos ova dva pojačanja kao diferencijalno kroz simfazn Izlazni napon zavisi od
i
kod idealnog OP
= 0. Mi smo definisali ovaj odnos daktor
o.
=
Realni pojačavači imaju ovu vrijednost oko 100dB.
Ulazna otpornost – Otpornost koja se vidi između ulaznih priključaka OP. Kod idealnog OP ova
vrijednost je beskonačna. Kod realnih OP zavisi od tehnologije izrade DP. Ukoliko je rađeno bipolarnom tehnologijom tada je ova vrijednost od 100kΩ do 10MΩ zavisno od realizacije. Ukoliko je rađeno sa MOSFET tehnologijom iznosi reda GΩ. Izlazna otpornost – u idealnom slučaju je nula, međutim kod realnih pojačavača ova vrijednost se
kreće između 50 – 500 Ω. Brzina promjene (slew rate) – Mi od idealnog OP, kada dovedemo na ulaz jediničnu odskočnu funkciju da se na izlazu trenutno promijeni vrijednost. Brzina promjene izlaza je jednaka brzini
promjene ulaza. Međutim realni OP imaju određenu inertnost tako da ta brzina promjene nije trenutna i zbog toga se i definiše parametar brzina promjene i to je max brzina promjene izlaznog napona
=
Međutim ako je pojačavač bio u zasićenju pa često imamo kašnjenje tako ako bi to bio ulazna promjena imamo signal
Reda veličine je 0,3 /
imamo porast.
Šum unutar OP Mi uvijek osim korisnog signala imamo generisanih nekih signala koji imaju neželjene efekte unutar i nejjednostavnije rečeno, ako na ulaz pošaljemo neki signal (pravougaoni) dobićemo na izalzu još neke sitne promjene koja je u suštini šum.
E I A
7
ETF TUZLA | SUDO
Šum može imati različite uzroke. Tako u provodnicima zbog različitih prijelaza i toga imamo takođe pojavu šuma, usljed temperature. Vrste šumova kod OP su slijedeće: 1.
Šum efekta sačme – potiče od prolaska naelektrisanja preko potencijalne barijere, kod PN spoja.
2. 3. 4. 5.
Termički šum – javlja se usljed temperature 1/ šum (Fliker) – povezan je sa jednosmjernom strujom Šum izbijanja-potiče od nesavršenosti poluprovodnog materijala i teških ugrađenih jona Lavinski šum – javlja se kada PN spoj radi u inverznoj polarizaciji Za realni DP ovaj šum se mora modelovati i zavisno konkretno od primjene je pitanje hoćemo li uključiti taj šum ili ne.
Frekventni odziv OP
OP ne pojačava signale do beskono. Naravno imamo neku gornju granicu učestanosti kad će to d a padne. Ono što je ovdje značajno, to su parametri koje moramo znati sa kojim signalima radimo, koje imamo na kraju. Jedino ovdje se vrši određena kompenzacija, jedan RC član kao filter unosi 20 dB/octavi.
Kod OP, uvođenjem određenih kompenzacija, da ne dođe do naglog pada, da ne dođu višestruki članovi RC koji mogu sa povratnom vezom imati veće promjene signala na ulazu – izlazu za 90⁰ i od negativne veze napraviti pozitivnu i prooscilovati. Iz toga se razloga vrše frekventne kompenzacije da bi se ovoj krivoj usporio pad i izbjegla pozitivna povratna veza zbog višestrukih RC članova. Jedno od kola koje ćemo mi raditi je integralno kolo 741 koje izgleda ovako.
E I A
8
ETF TUZLA | SUDO
Neinvertujući spoj (pojačavač)
Pojačavač u neinvertirajućem spoju znači da ako je na ulaz dovedena sinusoida gdje je prva poluperioda pozitivna na izlazu ćemo dobiti pojačan signal bez promjene faze. Otpornici R1 i R2 ovdje u osnovi su djelitelji napona i preko njih je realizirana povretna veza. Ovaj napon generatora = + (*) ( napon na ulazu OP)
− pri čemu je −naponsko pojačanje OP koja je reda Napon koji se vraća na ulaz, − Izlazni napon od OP.
=
105 , 106 što zavisi
, obzirom da je ovdje djelitelj napona, ovdje imamo: 2
=
1
2
1+ 2
koeficijent povratne veze, tj.
+
2
=
zamjenom ova dva izraza u (*) imamo:
→ =
+
1+
=
Naponsko pojačanje koje je dobijeno sa povratnom vezom označit ćemo sa ulaz,
=
/ , izlaz kroz
Ovdje je dobijen opšti izraz za pojačanje pojačavača sa povratnom vezom. Reda je veličine − obično tako da je ∙ ≫ . U idealnim slučajevima → ≈ Ovo je izraz koji je dobijen za pojačanje pojačavača u neinvertirajućem spoju i vidimo da pojačanje pojačavača u ovom spoju zavisi samo od otpora =
105 , 106
∞,
=
=
= 10 1
1+
1+
1
=
1
1
+
2
2
= 1+
1
2
1 / 2.
E I A
9
ETF TUZLA | SUDO
Obzirom da ovdje nemamo obrtanje faze, faza izlaznog signala je jednaka fazi ulaznog signala. Na sl. 1 vidimo da je ovaj napon povratne veze u seriji sa naponom pa prema tome ovdje se radi o serijskoj povratnoj vezi.
Ulazni otpor
odnosno možemo pisati da je ⇒ ∙ Na ulaznim priključcima ćemo označiti neki otpor . Ulazni otpor pojačavača je odnos je ulazni otpor pojačavača sa je kod 741 pojačavača oko ako se uključe FET tranzistori. Vraćamo se početnom dijelu da je =
=
+
=
=
+
=
+
,
.
1+
i ovaj napon
imamo = 1+ povratnom vezom tj.
=
(neka struja ), sada
/
=
Otpor
1
=
1+
Ω a preko 100
Ω
Podsjetimo se da se sa primjenom povratne veze povaćava ulazni otpor pojačavača. Izlazni otpor
je ovdje modelovan Izlazni otpor pojačavača je otpor koji se vidi sa izlaznih priključaka. pojačavač, znači veza između ovog napona i je pojačanje . Izlazni otpor sa povratnom vezom
Slučaj kada
→ → 1
0a
2
=
1+
∞dobićemo jedinični pojačavač odnosno imat ćemo slučaj na sl. 3.
E I A
10
ETF TUZLA | SUDO
Dobijamo pojačanje
Ulazni otpor ovog pojačavača je =
1
1
= 1+
=1+
2
=
Izlazni otpor ukoliko je
= 1 dobijamo:
(1 + 1
0
∞
=1
)
=
/(1 +
)
Primjena: U slučajevima gdje nam treba velika ulazna otpornost a mali izlazni otpor možemo primjeniti ovaj pojačavač
Pojačavač u invertujućem spoju
=
1
+
=
2
+
Ovaj izlazni napon ne može premašiti vrijednost napajanja. Veza između i je da je = / . Vrijednost možemo zanemariti jer je vrlo mali (između ulaznih priključaka) – znamo da je kod OP karakteristično da su naponi na priključcima približno isti pa je njihova razlika mala. Sad možemo pisati da je
∙ − ∙ ≈ i odavde dobijamo vezu između − ⇒ − =
=
Obzirom da je ulazni napon
1
2
vrlo mali a ulazni otpor veliki dobijamo da struja i =
1
=
2
=
→
0 tj. da je
2 1
−
= Odnos između ulaza i izlaza daje naponsko pojačanje pojačavača 2 / 1 . Ponovo smo dobili da je naponsko pojačanje pojačavača u invertujućem spoju zavisi samo od odnosa otpornika
1
i
2.
Jedino što moramo voditi računa je da ovaj pojačavač vrši obrtanje faze. Znak „ vrši obrtanje faze ulaznog signala.
−
“ znači da se
Napomena: Ako se jedan priključak nalazi na nekom potencijalu, tada se i drugi priključak nalazi na približno istom potencijalu i tada govorimo o virtuelnoj masi, ali to nije da će proteći struja tu.
E I A
11
ETF TUZLA | SUDO
Ulazni otpor Primjenom Millerova teoreme odredit ćemo ulazni otpor. Vrijednost ulaznog otpora
je:
≈ 2
=
1+
Tako da je sada ulazni otpor
=
1
+
1
je praktično ulazni otpor. 1
Izlazni otpor
=
1+
0
→transrezistansa (davat će se konkretna vrijednost u 0
zadacima)
Sumator
Ovdje imamo sabiranje tri signala. Struja je
= =
Možemo pisati da je − − 1
1
+
=
=
2
+
11
+
2
12
2
1
+
11
3
13
2
12
12
3
+
2
=
+
E I
3
A
13
ETF TUZLA | SUDO
Znači da je izlazni napon jednak:
− U ovom slučaju dobili smo da je izlazni napon jednak zbiru ulaznih napona pomnoženih nekim . U slučaju kada bi imali da je − 2
=
1
11
koeficijentom
2
=
2
+
12
=
1
11
=
+
2
2
+
2
3
13
12
+
=
13
izlaz bi bio
3
Ovdje je izvršeno obrtanje faze. Ako želimo da vratimo fazu onda nam je potreban još jedan invertujući pojačavač.
DIFERENCIJALNI POJAČAVAČ Ovdje se radi o razlici ulaznih signala
Za određivanja ćemo koristiti princip superpozicije. U prvom slučaju ćemo izvršiti uzemljivanje.
⊕ Mi ovdje imamo slučaj kao kod neinvertirajućeg OP, pa je U drugom slučaju ćemo uzemljiti ⊕, pa smo dobili invertujući pojačavač, pa smo izlazni +
4
=
3
+
4
2
,
+
= 1+
2
+
1
= 1+
2
1
4
3
+
4
kada se dovodi na
2
⊖
(1)
E
je ... (1).
I
signal
dobili kao
13
ETF TUZLA | SUDO
A
− − − 2
=
,
1
1
+
=
+
− − Ako se radi samo oduzimanje tada će = 1+
2
4
1
Ako je
1
=
3
i
2
=
4
3
+
2
2
4
1
1
dobijamo da je izlazni napon =
2
1
2
1
− Za slučaj da na oba ulaza dovedemo isti signal tada bi trebalo da vrijednost na izlazu bude 0. Ako se to ne desi može se izvršiti korekcija, uvođenjem promjenljivog otpornika na otporu 1
=
2
=
3
=
4
i dobijamo da je
=
2
1.
4
tako da
na izlazu imamo vrijednost nula.
E I A
14
ETF TUZLA | SUDO
Primjeri sa dva OP Sad ćemo utaditi još par primjera sa dva OP. Prvi takav sklop je:
− − − ∗ – – Ovdje je DP realiziran sa dva invertujuća OP. Na izlazu koje potiču od . Sada ovaj drugi spoj praktično igra ulogu sumatora koji – praktično na izlazu imamo (*) =
1
2
=
2
1
prvog napon je
struja kroz sabira
1
2
i
2 . Obzirom
i
da je ovaj
( )
2
tj.
2 . Imamo
zbir
1
2
U ovom slučaju, jednostavno je postići ili kontinuirano ili skokovito promjenljivo pojačanje. Ovdje imamo uparivanje 4 ista otpora. Ako nisu isti, doći će do razlika jer će oni unijeti određene razlike. Ovdjećemo dodati još jednu mogućnost realizacije diferencijalnog – operacionog pojačavača koji je također realiziran sa dva OP i daje prednost sa stanovišta ulaznog otpora.
Oba OP su u neinvertirajućem spoju što znači da praktično OP ovdje na izlazu neće invertirati (prvi) ali se u slijedećem spoju on za njega ponaša kao invertujući spoj za ovaj signal koji dođe na
1.
Ulazna otpornost
E
Ulazna otpornost ovakve kombinacije pojačavača je vrlo velika jer se generatori direktno vezuju i u prvom i u drugom slučaju na neinvertujući ulaz pa ovu otpornost koju vidi izvor sa strane kola je u osnovi ulazna otpornost OP.Znači za generator ''2'' ula zna otpornost je ulazna otpornost ovog 15
ETF TUZLA | SUDO
I A
drugog OP a za generator ''1'' je ulazna otpornost ovog prvog OP. Navodili smo kolike su to realne
vrijednosti. To nije bio slučaj u ovom prvom. Izlazni napon Izlazni napon je (izveli u prvom spoju) razlika
− 1
1+
je napon 1/ 1
1
2
i
1
1
?
puta koeficijent koji se dobija kod neinvertujućeg pojačavača a to je
− 1
Ako bi uzeli samo da je
. Šta je
1/ 1
=
2/ 2
1
= 1+
1
1
tada bi za tu vrijednost dobili
= 1+
2
2
2
1
Ovakav se spoj koristi uglavnom za fiksno ili skokovito promjenljiva pojačanja. Dosad smo radili DP u tri izvedbe, sa jednim OP, sa dva u neinvertirajućem spoju i sa dva u invertirajućem spoju.
Instrumentacioni pojačavač
Jedna od karakteristika ovog pojačavača je relativno niska ulazna otpornost. Često puta za mjerenja se traži da ulazna otpornost instrumenta bude veoma velika, poput senzora kojeg ne smije opteretiti mjerni instrument. Iz tog razloga su upravo uvedeni in strumentacioni pojačavači i u osnovi je na klasični DP dodata dva OP za postizanje visoke ulazne otpornosti. Mi smo radili klasični DP i prvo ćemo njega nacrtati. E I A
16
ETF TUZLA | SUDO
Pojačavač A3 je diferencijalni pojačavač, kod koga je izlaz razlika ulaznih napona. Ovdje su ispred dodana dva OP kod kojih je i u jednom i u drugom slučaju, generator doveden direktno na OP na neinvertirajući spoj OP. Na taj način jedobiveno da imamo veliku ulaznu otpornost koja je direktno jednaka ulaznoj otpornosti OP. To nije slučaj kod A3 pojačava. A1 i A2 pojačavači su u neinvertirajućem spoju i koriste zajednički otpor povratne veze . Da bi riješili kompletan izraz, koristit ćemo princip superpozicije tj. pojedinačno ćemo analizirati dovođenje napona na ulaz 2 i na ulaz 1. I ako je ulaz 2 spojen na masu dobijamo slijedeću šemu:
Napon , za pojačavač u neinvertujućem spoju, je jednak
1
= 1+
1
Mi ovdje imamo određenu vrijednost i na drugom izlazu napona koja je pod uticajem prvog.
E I A
17
ETF TUZLA | SUDO
1
=
Izlazni napon drugog pojačavača:
− Kada objedinimo oba slučaja dobijamo da je − Za drugi slučaj − − to je za slučaj kada na izlazu Da ne bi pisali velike izraze uzet ćemo da je dobijemo čistu razliku napona. Dalje nakon uvrštavanja jednakosti otpora imamo: − − 2
1
= 1+
2
= 1+
Kada imamo ova dva napona
1
i
2
2
=
1
1
2
=
1
=
2
2
1
1
ukupan izlazni napon je razlika 2
1
diferencijalno,
2
2
=
=
2
1
1
=
2
1
1+
1+
=
3
=
4
2
2
=
Koriste se u slučajevima kada treba mjeriti razliku napona u prisustvu nekog velikog signala. Takav slučaj nakon svega bi bio: E I A
18
ETF TUZLA | SUDO
MOSNA POJAČALA
Otpornost se može mijenjati zbog temperature, pritiska, svjetlosti, zvuka, .... Primjenom toga napona se mijenja napon u tačkama. Napon u tački A:
∆ 0
=
Napon u tački B je djelitelj napona tj.
2
+
0
=
0
2
− − ∆ Koristimo za veće promjene otpora (1). Kada je ≪ izlazni napon će biti − − −pojačanje izvodili kod operaciono diferencijalnog pojačavača. − ≪ Nas zanima razlika napona
i kada uvrstimo ove vrijednosti dobijamo =
4 1 + /2
(1)
0
=
0
1
=
=
=
4
,
4 1 + /2
2
1
Koristimo za manje promjene otpora (2).
E
Za slučaj kada potiskivanje smetnji nije kritično može se ovo realizovati na malo jednostavniji način koristeći na ulazu samo naponski djelitelj . 19
ETF TUZLA | SUDO
I A
(0 V) kada su procjene tako male da ih skoro pa nemamo napon će biti nula. Pošto nam sada treba sa detektujemo promjenu vrijednosti otpora ovaj donji otpor je promjenljiv i kada nisu u ravnoteži, izlazni napon je:
− − Ukoliko su promjene vrlo male izlazni nepon će biti − ≪ =
=
0
=
1+
1
0
U ovom slučaju se eliminiše uticaj promjene otpornosti mjernog mosta. Promjenljivi otpor se može postaviti i u kolo povratne veze tako da se mijenja otpornost povratne veze.
E I A
20
ETF TUZLA | SUDO
= =
1
2
−
Tako da je
=
+
i dobićemo ovu vrijednost. Ovdjeimamo
Za DP u izrazu treba tamo uvrstiti da je 1 = , promjenljivi otpor u grani povratne veze.
=
2
Analogni integrator
Cilj je integrirati ulazni signal. Imamo ulaznu struju koja protiče i kroz povratnu vezu, prolazeći kroz virtuelnu masu. Veza struje kroz C je:
− − =
,
=
=
Ako integralimo imamo da je
− 1
=
Obzorom da ćemo rješavati i realne pojačavače sa već rečenim karakteristikama na prvom predavanju, uključujemo dva parametra, napon razdešenosti (napon koji treba dovesti na ulaz da bi izlazni napon bio nula) i polarizirajuća struja (jer ta struja nije jednaka nuli kod realnog OP). Na prethodnu sliku moramo uključiti napon razdešenosti i polarizirajuću struju. Napon razdešenosti ćemo označiti sa , a polarizirajuću sruju (struja koja protiče kroz priključke).
Sada je izlazni napon jednak:
∗ =
1
+
1
+
1
+
( )
∗
( ) – greška koja nastaje upotrebom realnog OP i ona nastaje zbog postojanja napona
razdešenosti
i polarizirajuće struje
.
Napon razdešenosti na izlazu daje linearno rastući napon čiji polaritet zavisi od napona razdešenosti. I polarizirajuća struja će na izlazu dati još jedan linearno rastući član. Linearno rastući članovi rastu sve dok ne dostignu napon zasićenja ili neku drugu graničnu vrijednost određenu nekim drugim vanjskim kolima. Na osnovu izraza se vidi da se ove greške mogu smanjiti povećanjem kapacitivnosti .
21
ETF TUZLA | SUDO
E I A
Amplitudno frekventna karakteristika idealnog pojačvača (integratora)
Na vrlo niskim frekvencijama odnos
1
/
te je pojačalo
je veći od vrijednosti naponskog pojačanja integralnog kola za istosmjerni signal praktično otpojeno i ne obavlja funkciju integratora. Frekvencija jediničnog pojačanja
0
je određena elementima integratora 0
1
=
0
=
1
0
I na nju ne utiče pojačanje pojačavača. Pojačanje sklopa je
≈ Prenosna funkcija realnog integratora se može predstaviti kao =
=
0
1+
+
0
1
1+
ova vrijednost
je u osnovi 1/ .
=
1
=
1
1+
1
to znači da se realni integrator može predstaviti šemom tako da se kondenzatoru u povratnoj vezi doda otpornik koji vrši šantiranje ovog kondenzatora
E I A
22
ETF TUZLA | SUDO
prenosna funkcija u ovom slučaju je
− ∙ =
1
1
1+
1
ili u vremenskom obliku
− = − 1 − 0
To znači da se napon na izlazu neće mijenjati po linearnom već po eksponencijalnom zakonu. I ova vrijednost teži zasićenju realnog integratora.
Konačni propusni opseg linearnog integrisanog kola Pojačanje pojačavača se može smatrati
=
−pojačanje do gornje granice, −
0
1+
vremenska konstanta linearnog integrisanog kola koja odgovara granici ravnomjernog propusnog opsega. 0
Prenosna funkcija u ovom slučaju je:
Za odziv realnog integratora linearan porast struje, a u slučaju realnog imali bi eksponencijalni porast.
E I A
23
ETF TUZLA | SUDO
Pamćenje integratora Može se uticati na početak i kraj procesa integriranja. Ovaj integrator ima tri vrste rada:
Zadavanje početnih uslova Pamćenje
Integriranje
Za ova dva pojačavača i dva izvora napajanja regulišu se ova tri režima rada koje smo naveli. Jedno je dovođenje početnih uslova tako da ukoliko su svi zatvoreni imamo dijeljenje napona i imamo punjenje kondenzatora na određenu vrijednost. U slučaju da je uključen prekidač P2, imamo funkciju integraciju ulaznog napona. Ukoliko su oba otvorena imamo zadržavanje napona.
Diferencijatori
− − ∗ . Ovdje ćemo raditi idealan slučaj tako da u tački K imamo virtuelnu masu što znači da će ista struja proteći kroz ∗ . Prenosna funkcija, tj. odnos između izlaznog i ulaznog napona možemo napisati −∙ =
,
=
,
=
( )
Izlazni napon se dobija diferenciranjem ulaznog napona
. Pa izlazni napon dobijemo
kao ( ) =
E I A
24
ETF TUZLA | SUDO
Amplitudno – frekventna karakteristika idealnog integrisanog kola
Operacioni (linearni)pojačavač koji pojačava signal do određene učestanosti odnosno do njegove gornje granične učestanosi koje zavisi od samog kola tj. neko = 1/ .
Ovu karakteristiku bi dobili ako bi uzeli generator na ulazu različitih frekvencija i pojačali od 0
−∞
.
Odziv diferencijatora
Sad ćemo se vratiti generalno na otpor, jer ovdje je frekventno nezavisan, međutim za jednosmjerne struje je prekid kola. Sa povećanjem frekvencije opada ta impedansa. To znači da će na visokim frekvencijama doći do pojačanja velikog signala šumajer je ovdje pojačavač u invertirajućem spoju, tj. pojačanje predstavlja odnos dvije impedanse. Odziv derivatora je ovakav:
Drugi problem realnog operacionog pojačavača je mogućnost gubitka stabilnosti. U presjeku ove
dvije karakteristike može doći do nestabilnog rada derivatora. Da bi se smanjila nestabilnost diferencijatora uvode se dodatne otpornosti i kapacitivnosti, tj. otpornost ulazne grane.
E I A
25
ETF TUZLA | SUDO
Amplitudno – frekventna karakteristika mijenja oblik
Na ovaj način je izmjerena ova karakteritika tako da se sada ovaj sklop za različite frekvencije ponaša drugačije
se ponaša kao diferencijator − se ponaša kao pojačavač se ponaša kao integrator što se tiče diferenciranja, otpornik obezbjeđuje konačnost pojačanja. Iznad učestanosti i ovaj treći dio govori o padu karakteristike usljed kondenzatora što znači da ne
Do
1
1
1
iznad
2
2
= 1/
smijemo doći do frekvencije zbog koje će se početi koristiti kao integrator ali u konačnoj verziji imati određenu rijednost otpora da bi obezbijedili konačnost pojačanja.
je granica kada počinje da radi kao diferencijator pa do opada sa povećanjem frekvencije , tj. Na višim frekvencijama dolazi do povećanja šuma koji će nadvladati korisni signal. Da bi to eliminisali dodajemo 1.
0
Rekli smo da
koja je frekventno
nezavisna i obezbjeđuje da nakon neke granice neće početi linearno rasti.
E I A
26
ETF TUZLA | SUDO
Pojačalo izmjeničnih signala
Često puta je potrebno elinisati jednosmjernu komponentu koja dolazi iz prethodnog stepena ili se proslijeđuje slijedećem stepenu. Ovdje radimo pojačalo izmjeničnih signala. Da bi napravili pojačalo samo izmjeničnih signala jednostavno se ubacuju kondenzatori u osnovne sklopove pojačavača.
− ⇒ − − − ∙ =
+
1
=
;
=
=
+
=
+
1
=
1+
1
1
Iz samog izraza se vidi da je pojačanje jednosmjerne komponente jednako nuli, dok na visokim
frekvencijama pojačanje teži vrijednosti pojačanja idealnog invertujućeg operacionog pojačavča. Pojašnjenje: 1
1
=
2
Kako frekvencija raste u beskonačnost čitav izraz teži nuli. Donja granična frekvencija pojačavača je određena vrijednosšću
pojačavač u invertujućem spoju.
= 1/2
. Ovo je bio
Pojačavač u neinvertujućem spoju
E I A
27
ETF TUZLA | SUDO
− =
1
+
0
=
1
0
1
+
=
1
Slijedi da je pojačanje jednako
=
∙ 1
= 1+
1
+
1+
1
+1
1 1
0
Za jednosmjerne signale ovdje je pojačanje jednako nuli.
Galvanski pojačavači (galvanski izoliran izlaz od ulaza) Ova grupa pojačavača spada u posebnu grupu, jer nema galvanskih veza između ulaza i izlaza. Poznati u slučaju gdje treba zaštititi poluprovodničke elemente od visokih napona i nekih drugih uređaja. Imaju male ulazne odvodne struje i nemaju petlji uzemljenja što je s druge strane vrlo važno u biomedicini. Baziraju se na različitim spregama optičkih elemenata. Primjer:
Ovdje na ulaznom kolu se nalazi dioda koja emituje svjetlost (LED dioda). S druge strane može se postaviti tri različita elementa. Osnovni spoj je realiziran sa otpornikom od poluprovodnog materijala ili poznat kao fotootpornik. Znači njegova otpornost zavisi od dovodne svjetlosti.
Također se može koristiti spoje sprega između LED diode i fotodiode. Fotodioda je dioda koja ima prozirni sloj koji omogućava dovođenje svjetlosti do PN spoja, tako da se ovdje mijenja najviše inverzna struja zasićenja diode pod uticajem ove svjetlosti koju emituje LEDdioda.
Treći spoj je veza koja se ostvari između LED diode i fototranzistora. To je tranzistor kod kojeg se na spoj baza – kolektor kroz prozorni materijal omogućava dovođenje svjetlosti. Ove elektroničke sprege mogu biti realizirane u obliku jednog čipa ali mogu biti razdvojene i kilometrima. E I A
28
ETF TUZLA | SUDO
Ovo je najjednostavnija realizacija i mi nećemo ići dublje. Suština: U prvom dijelu imamo klasični pojačavač koji pojačava razliku određenih signala, i zato je ovdje naglašena ta razlika i korišten je diferencijalni pojačavač. Predpostavljajući da se na ulazu često puta nalazi određen signal, veliki signal, čije pojačanje ne treba, znači mogućnost pojačavanja razlike dodatih signala. Znači u osnovi u prvom dijelu se radi o diferencijalnom pojačavaču. Moramo naglasiti da napajanje jednog i drugog mora biti razdvojeno. Izlazni signal na diodu D1 je proporcionalan razlici ulaznih signala i ova dioda je d irektno polarizirana da bi emitovala svjetlost. Prijemne diode, fotodiode, rade pri inverznoj polarizaciji. Napon na diodi je proporcionalan
svjetlosnom fluksu koji dolazi iz diode refleksije. Klasična karakteristika diode koje smo mi radili je kao na slici.
Slika B predstavlja karakteristiku fotodiode. Tako da operacioni pojačavač pojačava napon na diodi. Takođe se proizvode i integrirani sklopovi koji imaju unutar ugrađen odvojen ulaz od izlaza. Nema je od ranije poznata galvanska izolacija pomoću transformatora.
... Dosad smo uvijek imali neku linearnu vezzu između ulaznog i izlaznog napona. Započeli smo analizu sa klasičnim pojačavačem u invertirajućem /neinvertirajućem spoju. Zatim smo radili jedinični pojačavač, diferencijalni pojačavač ili operacije oduzimanja signala na ulazu, pa instrumentacione, mosne pojačavače, operacije integriranja, diferenciranja i sada sa pojačanjima naizmjeničnih signala i ovih koji imaju galvanski razdvojen izlaz od ulaza. U svim ovim realizacijama smo imali linearne veze. Veliki broj kola koje treba analizirati su nelinearni. Zato nam trebaju
E
slijedeći sklopovi da bi realizirali takva kola.
I A
29
ETF TUZLA | SUDO
Komparator
Želimo da uzmemo proizvoljni ulazni napon. Cilj je vršiti upoređivanje ulaznog napona sa nekom vrijednoću. Ova vrijednost se može postaviti bilo gdje. Znači vrijednost napna praga
∙ 2
=
1
+
2
Djelitelj napona, reliziran sa otpornicima R1 i R2 njihovim odnosom definira vrijednost
.
to znači da je na invertujućem ulazu veća vrijednost napona, znači da će na izlazu biti obrnuto. I to napon zasićenja koji je jednak naponu – tada je veći napon na neinvertirajućem ulazu nego na invertirajućem i na Ako je
<
umanjen za pad napona na
izlaznom dijelu kola OP.
Kada je > izlazu imamo napon + .
Na ovaj način je dobivena nelinearna operacija koja vrši usporedbu napona sa nekom vrijednošću. Nedostatak realizacije
Za signale koji su korisni, javlja se superponirani šum. To će za posljedicu imati da će signal imati veliki broj preskoka sa +
– na
.
E I A
30
ETF TUZLA | SUDO
Nama je cilj da prelazi budu što ''glatkiji'' a ne da imamo preskoke. Riješenje bi moglo biti ugradnja filtera ili korištenje šmitovog trigera.
Šmitov triger
Cilj je napraviti histerezu, jedan dijapazon napona kome se prethodne stvari neće dešavati i upravo iz tog razloga je predložen šmitov triger i koji ćemo sada pokazati za najjednostavnije realizacije oko koordinatnog početka. Ovaj ulazni napon se poredi sa naponom u tački A. Napon u tački A može imati dvije vrijednosti.
– − poredi sa naponom u tački A. Napon u tački A može imati dvije vrijednosti − − − on potiče od –
Ako je izlaz u +
i ako je izlaz u
. napon 2
=
1
,
+
2
=
2
1
+
(
)
2
Ulazni napon se
2
=
1
Napon (
) je napon napajanja (
bio + tada je za nas prag
+
,
2
=
2
1
+
(
)
2
) umanjen za pad napona na izlazu tranzistora. Ako je izlazu
, a ako je prije na izlazu bio
na ulazu.
Ovdje smo stvorili dijapazon napona kojim ćemo sada ublažiti promjene koje se dešavaju oko praga. Sada oko praga postoji dijapazon u kome se neće desiti promjene nego tek kada se prestupi gornji prag u odnosu na donji.
− ,
naponi histereze.
E I A
31
ETF TUZLA | SUDO
− ∗ ili pozitivne ili negativno zasićenje. − i praktično u ovom slučaju imamo čija relativna promjena
Sada ćemo pokazati slučaj kada uključujemo . Sada ćemo odrediti napone. Postoji neka vrijednost =0 . Da bi odredili napone koristit ćemo princip superpozicije i kada je tada je Sada je
+ 1
=
1
i kada je
1+ 2
=
+ 1
+
+ 2
=
= 0 tada je
1
+
1+ 2
+ 2
=
2
2
1+ 2
( )
1+ 2
(*) Odje je
1
=
1
+
2
+
2
1
+
Histereza je = zavisi od samih postavljenih vrijednosti.
2
,
,
Prozorski komparator Cilj je detektovati signal kada se nalazi u nekom dijapazonu. (npr. veće od -5V i manje od 10V).
E I A
32
ETF TUZLA | SUDO
