primjena operacijskih pojačala

Sveučilište u Zagrebu Fakultet elektrotehnike i računarstva Zavod za osnove elektrotehnike i električka mjerenja

2. TEMA PRIMJENA OPERACIJSKIH POJAČALA

Predmet “Mjerna tehnika” Prof.dr.sc. Damir Ilić Zagreb, 2013.

Teme cjeline  

Operacijska pojačala u linearnim sklopovima Operacijska pojačala u nelinearnim sklopovima

© FER, ZOEM

Mjerna tehnika, 2. tema

2/34

Mjerna pojačala - općenito 



Zadaća je mjernih pojačala da pojačaju vrlo slabe struje i napone te omoguće njihovo određivanje pomoću mjernih instrumenata Općenito, snaga na izlazu pojačala višestruko je veća od snage na ulazu

© FER, ZOEM


3/34

Mjerna pojačala - općenito  



Kod mjernih pojačala zahtijeva se stalan odnos između ulazne i izlazne veličine Općenito, pojačanje A ovisi o promjenama parametara elemenata, vanjskim utjecajima, naponu napajanja, itd. Negativna povratna veza (NPV) služi za stabiliziranje pojačanja

© FER, ZOEM


4/34

Mjerna pojačala - općenito  

Uzmimo za primjer naponsku (serijsku) NPV kad je uizl  uul Vrijedi:

A uizl  uul  uul A' 1 A

© FER, ZOEM

R1  R1  R2


1

R2 A'   1 1 R1  A 5/34

Operacijska pojačala - općenito 

 





Gotovo redovito se za mjerna pojačala rabe operacijska pojačala izvedena u tehnici integriranih sklopova Svojstva idealnog: Rul = ∞, A0 = ∞, Rizl = 0, fg = ∞ Svojstva realnog: Rul = (105 do 1012) , A0 = 106 Rizl = (25 do 50) , fg = 10 Hz U analizama se, kao prva aproksimacija, realno pojačalo nadomješta idealnim, a da se pritom ne načini znatnija pogrješka Pojam “virtualne ništice”

© FER, ZOEM


6/34

Operacijska pojačala - općenito 



Izlazni napon je linearna funkcija ulaznog napona u vrlo uskom području, a ograničen je naponom napajanja Primjer: uz Up = 15 V i A0 = 105 izlaz se linearno mijenja uz razliku ulaznih napona manju od 150 mV

uizl  A0 (uul  uul ) © FER, ZOEM


7/34

Operacijska pojačala – analiza realnog pojačala 

Ulazna struja prednapona (eng. input bias current) obično se definira kao prosječna struja ulaza: IB 



1  I B  I B  2

Ulazna struja namještanja (eng. input offset current) obično se definira kao razlika struja ulaza: I OS  I B  I B

 

Izlazni napon namještanja (eng. output offset voltage), uz Uul = 0, iznosi Uizl  IB Rp Ulazni napon namještanja (eng. input offset voltage) UOS je napon koji se mora priključiti između ulaznih stezaljki da se postigne Uizl = 0

© FER, ZOEM


8/34


Nadomjesna shema

© FER, ZOEM


9/34


Analiza R1 ( I B  I P )  RP I P  U izl R1 ( I B  I P )  R2 I B  U OS R2 

(1) ( 2)

R1 RP R1  RP

 RP    RP I B  I B  U izl  U OS 1  R1   Mjerenje napona UOS

© FER, ZOEM


10/34

Operacijska pojačala – invertirajuće pojačalo 

Elementi za analizu: 



Ulazni otpor Izlazni otpor

Rul 

uul R  R1  P iul A0

Rizl 

uizl Riz  iizl  A0

© FER, ZOEM


11/34

Operacijska pojačala – invertirajuće pojačalo 

Elementi za analizu: 

Utjecaj NPV na frekvencijski opseg za A0 = 105 i fg = 10 Hz (u log-log prikazu)

© FER, ZOEM


12/34

Operacijska pojačala – sumirajuće pojačalo  

Invertirajuće pojačalo s više ulaznih napona Doprinos svakog ulaznog napona može biti različit

© FER, ZOEM


13/34

Operacijska pojačala – neinvertirajuće pojačalo 

Elementi za analizu:  



Ulazni otpor Izlazni otpor

Naponsko sljedilo: 

R1 = ∞, Rp = 0

uul Rul   Rd (1   A0 ) iul uizl Riz Rizl   iizl  A0

© FER, ZOEM


14/34

Operacijska pojačala – integrirajuće pojačalo 




Smanjenje klizanja izlaznog napona Frekvencijsko područje integracije Ovisnost valnog oblika o početnim uvjetima

© FER, ZOEM


15/34

Operacijska pojačala – derivirajuće pojačalo 




Smanjenje utjecaja smetnji Frekvencijsko područje derivacije Amplituda izlaznog napona

© FER, ZOEM


16/34

Operacijska pojačala – diferencirajuće pojačalo 

Osnovna shema:

Privodimo dva ulazna napona: u1 i u2

© FER, ZOEM


17/34

Operacijska pojačala – diferencirajuće pojačalo 

Analiza pojačala: uizl  A0 (uul  uul ) uul

R2 R1  u1  uizl R1  R2 R1  R2

uul

R4  u2 R3  R4

 R2  A0 R4  uizl   u1  u2   R1 R3  R4  1 A0  R1  R2 R1  R2 R3  R1 ;

R4  R2

R2 uizl   (u1  u2 ) R1 © FER, ZOEM



uizl  0 za u1  u2


18/34

Operacijska pojačala – strujno pojačalo (1)  

Strujno pojačalo s otporom u povratnoj vezi Elementi za analizu: 

dinamika izlaznog napona

© FER, ZOEM


19/34

Operacijska pojačala – strujno pojačalo (2)  

Strujno pojačalo sa shuntom Elementi za analizu: 

dinamika izlaznog napona

© FER, ZOEM


20/34

Operacijska pojačala – logaritmirajuće pojačalo 




Samo za jedan polaritet ulaznog napona (>0) UT = kT/q ... naponski ekvivalent temperature (k  1,3810-23 J/K, q  1,610-19 C) ovisnost o temperaturi

 U BE   I C  I S exp   UT  u I C  iul  ul R

© FER, ZOEM


21/34

Analogna množila 

Množila se rabe u analognoj obradi signala 



Za određivanje efektivne vrijednosti, kad se kvadrira mjereni napon Kod mjerenja snage kad je potreban umnožak mjerenog napona i struje (odnosno njima razmjernih vrijednosti)

© FER, ZOEM


22/34


Primjer log-antilog jednokvadrantnog diskretnog množila (UX, UY i UZ moraju biti veći od 0)

© FER, ZOEM


23/34


Analiza prethodnog množila I1 

U UX U U ; I 2  Y ; I3  Z ; I0  0 R1 R2 R3 R0

U BE1A  U BE2A  U BE2B  U BE1B  0  IC  U BE  U T ln    IS  II I0  1 2 I3 U0 

R0 R3 U XU Y R1 R2 U Z

Izlazni napon je razmjeran umnošku (kvocijentu) ulaznih napona i omjerima otpora! © FER, ZOEM


24/34


Primjer integriranog množila s omjerom struja

© FER, ZOEM


25/34


Analiza prethodnog množila U  I C  I S exp  BE   UT   U D7  U D8  I7   exp  I8  UT   U  U BE3  I4   exp  BE4 I3 UT    U BE5  U BE6  I5   exp  I6 UT   uvjet :

© FER, ZOEM

I7 I4 I5   I8 I3 I 6 Mjerna tehnika, 2. tema

26/34

Analogna množila I1  I 3  I 4 ; I 2  I 5  I 6 ; I 9  I 3  I 5 ; I10  I 4  I 6 U X  U BE  I1 R  I 2 R  U BE  R( I1  I 2 ) U Y  R( I 8  I 7 ) I B  I8  I 7 U  R1 ( I 9  I10 ) ... U 

R1 U XU Y 2 IBR

Diferencijalni napon je razmjeran umnošku ulaznih napona i praktički je temperaturno neovisan! © FER, ZOEM


27/34


Neki parametri množila s omjerom struja:  

   

prijenosna funkcija (eng. transfer function): W = XY/10 ukupna pogrješka (eng. total error): ±0,25 % nelinearnost (eng. nonlinearity): ±0,1 % izmjenična pogrješka (eng. feedthrough): ±0,1 % frekvencijsko područje (eng. bandwidth): 1 MHz brzina porasta (eng. slew rate): 45 V/ms

© FER, ZOEM


28/34

Komparatori 



 

Naponski komparatori su sklopovi kojima se označuje trenutak u kojemu je neki proizvoljni napon uul dosegao razinu referentnog napona UR Kao komparatori koriste se operacijska pojačala u tzv. nelinearnom načinu rada, kada se nalaze u jednom od stabilnih stanja (minimalnom ili maksimalnom naponu) Operacijsko pojačalo koristi se bez povratne veze Koriste se i u analogno-digitalnim pretvornicima

© FER, ZOEM


29/34

Komparatori 

Idealni komparator

načelna shema

prijenosna karakteristika

 Izlaz će biti u logičkoj "1" ako je napon na invertirajućem ulazu manji od onoga na neinvertirajućem, a "0" ako je veći  Ako su sukladni TTL logičkim sklopovima s napajanjem +5 V, tada je logička "1" za U > 2 V, a "0" za U < 0,8 V © FER, ZOEM


30/34

Komparatori 

Realni komparator

Prijelaz iz jednog u drugo stanje traje određeno vrijeme (npr. nekoliko desetaka nanosekundi), a uz veliki A0 dovoljne su razlike napona uul < 1 mV

© FER, ZOEM


31/34

Komparatori 

Utjecaj smetnji otklanja se sklopom s pozitivnom povratnom vezom (tzv. Schmittov okidni sklop)

© FER, ZOEM


32/34

Komparatori 

Analiza sklopa U umax  U imax

R1 R2 R1 UR  UR  (U imax  U R ) R1  R2 R1  R2 R1  R2

U umin  U imin

R1 R2 R1 UR  UR  (U imin  U R ) R1  R2 R1  R2 R1  R2

U H  U umax  U umin

R1  (U imax  U imin ) R1  R2

 Napon histereze UH je to manji što je faktor R1/(R1+R2) manji, i ne ovisi o referentnom naponu UR  Naponi Uimax i Uimim mogu biti jednaki ili različiti

© FER, ZOEM


33/34

Zaključak  

Operacijska pojačala su vrlo važan element mjernih pojačala, i ne samo njih Primjenjuju se još   

U analogno-digitalnim pretvornicima U sklopovima za prilagodbu signala ...

© FER, ZOEM


34/34

primjena operacijskih pojačala

Recommend Documents