EAiC materiały wykładowe 2(full permission)

background image

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

1

Sprzê¿enie zwrotne

Definicje i klasyfikacja (I)

Zjawiska

- o ró¿norodnym charakterze - wystêpuj¹ w otaczaj¹cym nas

œwiecie powszechnie.

Pod wzglêdem sposobu oddzia³ywania sygna³u zwrotnego na sygna³ wejœciowy, sprzê¿enie

zwrotne dzieli siê na:

- efektywny sygna³ wejœciowy jest os³abiany -

;

- efektywny sygna³ wejœciowy jest wzmacniany -

.

sprzê¿eñ zwrotnych

ujemne

stosowane w uk³adach

wzmacniaj¹cych

dodatnie

stosowane w uk³adach

generacyjnych lub regeneracyjnych

W uk³adach elektronicznych wzmacniaj¹cych ujemne sprzê¿enie zwrotne jest

, a w

szczególnoœci:

zmniejszenie czu³oœci (wra¿liwoœci) wartoœci wzmocnienia na zmiany: parametrów elementów sk³adowych
(np. na skutek starzenia czy te¿ zmiany warunków zewnêtrznych), warunków zasilania;

zmniejszenie zniekszta³ceñ nieliniowych sygna³u wyjœciowego oraz ograniczenie wystêpuj¹cych w nim
szumów i zak³óceñ;

mo¿liwoœæ kszta³towania charakterystyk czêstotliwoœciowych (oraz charakterystyki przejœciowej - statycznej);

kontrolowan¹ zmianê wartoœci impedancji wejœciowej i wyjœciowej.

Oprócz oddzia³ywañ pozytywnych na uk³ad,

w postaci:

ograniczenia wzmocnienia uk³adu;

mo¿liwoœci ograniczenia stabilnoœci uk³adu (lub wrêcz jego niestabilnej pracy) .

bardzo wa¿nym czynnikiem

umo¿liwiaj¹cych uzyskanie okreœlonych w³aœciwoœci obiektu sterowania (t.j. wzmacniacza)

sprzê¿enie zwrotne niesie równie¿ pewne skutki negatywne

W odniesieniu do uk³adów elektronicznych, sprzê¿enie zwrotne polega na

oddzia³ywaniu czêœci sygna³u wyjœciowego, okreœlanego jako

, na sygna³

wejœciowy uk³adu. Sygna³ zwrotny sumuje siê z sygna³em wejœciowym modyfikuj¹c
warunki sterowania uk³adem (obiektem).

sygna³ zwrotny

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

2

Sprzê¿enie zwrotne

Definicje i klasyfikacja (II)

1. Ka¿dy uk³ad ze sprzê¿eniem zwrotnym zawiera

zamkniêt¹ drogê sygna³u zwan¹

.

W

z a l e ¿ n o œ c i

o d

uk³ady dzieli siê na:

z pojedyncz¹ pêtl¹ sprzê¿enia zwrotnego;

z wielokrotn¹ pêtl¹ sprzê¿enia zwrotnego.

2. W zale¿noœci od

rozró¿nia siê:

sprê¿enie jednostopniowe (lokalne);

sprzê¿enie wielostopniowe

3. W zale¿noœci od

sprzê¿enie zwrotne dzieli siê na:

sprzê¿enie napiêciowe - gdzie sygna³ zwrotny
jest proporcjonalny do napiêcia wyjœciowego;

sprzê¿enie pr¹dowe - gdzie sygna³ zwrotny
jest proporcjonalny do pr¹du wyjœciowego.

4. W zwi¹zku ze

rozró¿nia siê:

sprzê¿enie szeregowe - sygna³ zwrotny jest
wprowadzany w szereg z wejœciowym;

sprzê¿enie równoleg³e - sygna³ zwrotny jest
wprowadzany równolegle z wejœciowym.

pêtl¹

sprzê¿enia zwrotnego

l i c z b y

t a k i c h

elementarnych pêtli

liczby stopni wzmacniaj¹cych

objêtych pêtl¹ sprzê¿enia zwrotnego

charakteru sygna³u

zwrotnego

sposobem wprowadzania

sygna³u zwrotnego na wejœcie uk³adu

Charakter sprzê¿enia zwrotnego (p. 3) oraz

sposób wprowadzania sygna³u zwrotnego na
wejœcie uk³adu (p. 4) wynikaj¹ ze sposobu
po³¹czenia ze sob¹ dwóch niezale¿nych
c z w ó r n i k ó w :

- o transmitancji operatorowej

K(s) ,

- o

transmitancji

(s) . Z tego punktu widzenia

rozró¿niæ mo¿na 4 podstawowe uk³ady z
pojedyncz¹ pêtl¹ sprzê¿enia zwrotnego, a zatem
ze sprzê¿eniem:

a) pr¹dowym - szeregowym;

b) napiêciowym - równoleg³ym;

c) napiêciowym - szeregowym;

d) pr¹dowym - równoleg³ym.

Stosuj¹c do ka¿dego z wymienionych wy¿ej

przypadków odpowiedni sposób opisu czwórnika,
a mianowicie:

dla p. a) - macierze typu [z];

dla p. b) - macierze typu [y];

dla p. c) - macierze typy [h];

dla p. d) - macierze typu [m]

uk³adu ze sprzê¿eniem

zwrotnym wyraziæ mo¿na

t.j. toru g³ównego i toru sprzê¿enia

zwrotnego.

c z w ó r n i k a

g ³ ó w n e g o

(wzmacniaj¹cego)

czwórnika sprzê¿enia zwrotnego

macierz ca³kowit¹

sum¹ macierzy

sk³adowych

b

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

3

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Sprzê¿enie zwrotne

W³aœciwoœci (I)

W ogólnoœci analiza pracy uk³adów ze

sprzê¿eniem zwrotnym mo¿e byæ utrudniona. W
szczególnych przypadkach mo¿liwe jest jednak
zastosowanie
bazuj¹cej na nastêpuj¹cych za³o¿eniach:

jednoznacznym wyodrêbnieniu torów
sygna³ów (w postaci obu wymienionych
czwórników sk³adowych);

nieoddzia³ywaniu na siebie obu czwórników
sk³adowych - w sensie wzajemnej modyfikacji
transmitancji w³asnych;

unilateralnym charakterze obu czwórników
sk³adowych;

przeciwnych kierunkach transmisji sygna³ów
przez oba czwórniki wzglêdem siebie .

elementarnej metody analizy

Analiza uk³adów liniowych z pojedyncz¹

pêtl¹ sprzê¿enia zwrotnego w ujêciu
elementarnej teorii sprê¿enia zwrotnego

1. Transmitancja uk³adu zamkniêtego

K(s)

b(s)

U (s)

1

U (s)

2

U (s)

Z

DU(s)

Rys. 1. Wzmacniacz
z napiêciowym
- szeregowym
sprzê¿eniem
zwrotnym

K(s) = U (s) / U(s)

(s) = U (s) / U (s)

Transmitancja (funkcja przenoszenia) uk³adu

zamkniêtego:

K (s) = K(s) / [1- (s) K(s) ]

(1)

interpretowana jest dla tego przypadku sprzê¿enia
jako

.

W ogólnoœci (dla innych wymienionych typów

sprzê¿eñ) poszczególne funkcje przenoszenia maj¹
nastêpuj¹ce uogólnione postaci:

K =

/

(2)

gdzie poszczególne wystêpuj¹ce w niej wielkoœci
maj¹ interpretacjê jak w tab. 1.

2

Z

2

f

2

1

D

b

b

F F

operatorowe wzmocnienie napiêciowe

f

K =

/

(3)

=

/

(4)

F DF

b F F

2

Z

2

Typ sprzê¿enia

Pr¹dowe-szeregowe

U

U

U

I

Napiêciowe-równoleg³e

I

Pr¹dowe-równoleg³e

F

DF

F

F

D

1

z

2

1

z

2

1

z

2

1

z

2

I

I

U

I

I

I

I

D

D

Napiêciowe-szeregowe

U

U

U

U

1

z

2

D

Tab.1. Znaczenia wielkoœci wystêpuj¹cych w zale¿noœciach (2,3,4)

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

4

Z przeprowadzonego dotychczas rozumowania

wynikaj¹ nastêpuj¹ce w³aœciwoœci uk³adów ze
sprzê¿eniem zwrotnym:

je¿eli, dla okreœlonej czêstotliwoœci: |K (j )/K(j )| < 1,
to sprzê¿enie zwrotne jest ujemne - w przeciwnym
przypadku jest dodatnie.

j e ¿ e l i

w a r t o œ æ

t z w.

T (j )= (j )K(j ) jest liczb¹ rzeczywist¹, to
sprzê¿enie zwrotne jest czysto ujemne lub czysto
dodatnie, co oznacza ¿e sygna³ zwrotny

jest,

odpowiednio, w przeciwfazie lub fazie z sygna³em
wejœciowym

.

2. Wra¿liwoœæ wzmocnienia uk³adu zamkniêtego na
zmiany parametrów czwórników K i

,

np. wzmocnienia od temperatury, wzmocnienia od
napiêcia zasilania itd.

Czu³oœæ ró¿niczkow¹ S parametru A wzglêdem

parametru W zdefiniowaæ mo¿na nastêpuj¹co
(zak³adaj¹c, ¿e zmiany obu parametrów s¹ bardzo ma³e):

dA / A

S

=

(5)

dW / W

W odniesieniu do analizowanego uk³adu ze

sprzê¿eniem zwrotnym, czu³oœæ zmiany wzmocnienia S
na zmiany wzmocnienia czwórników sk³adowych wyra¿a
wzór:

S

S =

(6)

1 - |K(j ) (j )|

gdzie: S - czu³oœæ uk³adu na zmiany wzmocnienia
czwórników w otwartej pêtli sprzê¿enia zwrotnego.

f

z

Z

1

A

f

w

w

w b w

w

F

F

b

w b w

s t o s u n k u

z w r o t n e g o

Ogólnie rzecz bior¹c czu³oœæ jest miar¹ zale¿noœci

dowolnego parametru uk³adu od innego parametru

W

f

Jak wynika ze wzoru (6) czu³oœæ uk³adu zamkniêtego na

zmiany wzmocnienia jest odwrotnie proporcjonalna do
wartoœci iloczynu wzmocnieñ czwórników sk³adowych.

3. Redukcja zniekszta³ceñ nieliniowych, zak³óceñ oraz
szumów

3.1. Redukcja sygna³ów zak³ócaj¹cych

Jak wynika z powy¿szego wyra¿enia, udzia³ w sygnale

wyjœciowym U

sygna³ów zak³ócaj¹cych N

jest tym

bardziej zredukowany im bli¿ej wyjœcia dany sygna³
zak³ócaj¹cy jest generowany. Jednak z punktu widzenia
sygna³u oraz szumu na wejœciu ( U ,

N ), które

wzmacniane s¹ w tym samym stopniu, sprzê¿enie zwrotne
nie poprawia stosunku sygna³/szum.

k (1+k )U + k (1+k )N + k N + N

U =

(7)

1+ (k (1+k )

1

2

1

2

1

2

2

3

2

1

2

1

b

2

1

1

x

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Sprzê¿enie zwrotne

W³aœciwoœci (II)

U

1

U

2

U

Z

N

1

N

2

N

3

k

1

k

2

b

Rys. 2. Struktura wzmacniacza z 2-stopniowym sprzê¿eniem zwrotnym

przy uwzglêdnieniu sygna³ów zak³ócaj¹cych

N , N , N - sygna³y zak³ócaj¹ce

k , k ,

- wzmocnienia napiêciowe - bloków
o transmitancji 0-rzêdu

1

2

3

1

2

b

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

5

3.2. Redukcja zniekszta³ceñ nieliniowych sygna³u
wyjœciowego

Zale¿noœæ (7), w przybli¿eniu, s³uszna jest tak¿e dla

poszczególnych harmonicznych generowanych przez
nieliniowoœci stopnia wyjœciowego wzmacniacza, jednak
pod warunkiem, ¿e:

- nieliniowoœæ nie jest zbyt du¿a (nie przekracza

kilkunastu %);

- poziom sygna³u na wyjœciu uk³adu - ze sprzê¿eniem

zwrotnym i bez niego - jest taki sam;

- funkcje przenoszenia s¹ 0-rzêdu.

Po spe³nieniu w.w. za³o¿eñ, wartoœæ zniekszta³ceñ

nieliniowych w uk³adzie ze sprzê¿eniem zwrotnym ( h ) i w
uk³adzie otwartym (h) wi¹¿e wzór:

h

h

(8)

1 - k

4. Kszta³towanie charakterystyk czêstotliwoœciowych
uk³adu ze sprzê¿eniem zwrotnym

Charakterystyki czêstotliwoœciowe uk³adu mog¹ byæ

kszta³towane przez odpowiedni dobór transmitancji
czwórników sk³adowych (K,

), przy czym transmitancja

czwórnika

odgrywa (w praktyce) rolê dominuj¹c¹

bowiem na ni¹ projektant uk³adu elektronicznego ma
rzeczywisty wp³yw.

f

f

»

b

b

b

b

Zatem sprzê¿enie zwrotne redukuje wartoœæ

wspó³czynnika zniekszta³ceñ nieliniowych uk³adu k -
krotnie.

Przyk³ad

Ujemne sprzê¿enie zwrotne umo¿liwia:

wymianê wzmocnienia na pasmo bez zmiany
kszta³tu charakterystyki czêstotliwoœciowej i przy
zachowaniu tego samego pola wzmocnienia (-3dB);

u z y s k a n i e

c h a r a k t e r y s t y k

t r u d n y c h

l u b

niemo¿liwych do osi¹gniêcia w uk³adzie otwartym.

K(j ) = -k /(j /

+1)

(j ) = 1

poniewa¿ obowi¹zuje ogólny wzór:

K(j )

K (j ) =

1 - (j )K(j )

wiêc, w analizowanym przypadku, transmitancja:

1

K (j ) = -

j

k + 1/k +1

rys. 3 jest jej ilustracj¹.

w

w w

b w

w

w

b w

w

w

w/(w )

0

0

f

f

0

0

0

Rys. 3. Charakterystyki czêstotliwoœciowe (modu³ transmitancji)

uk³adu 1-rzêdu - otwartego oraz ze sprzê¿eniem zwrotnym

|K(j )|

w

k

0

k /(k +1)

0

0

|K (j )|

f

w

| (j )|

b w

w

0

0

k

w

0

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Sprzê¿enie zwrotne

W³aœciwoœci (III)

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

6

Podstawowe okreœlenia

Zagadnienie oceny stabilnoœci uk³adów ze
sprzê¿eniem zwrotnym

ró¿nicy zwrotnej

Dlatego te¿, czêsto konieczne jest pos³ugiwanie siê
kryteriami stabilnoœci odniesionymi bezpoœrednio do
funkcji F(s), a nie do jej zer.

Przesuniêcia fazowe sygna³u wystêpuj¹ce w pêtli

sprzê¿enia zwrotnego spowodowaæ mog¹ - w pewnych
zakresach czêstotliwoœci - zmianê jego charakteru, np. z
ujemnego na dodatnie, w wyniku czego roœnie
wzmocnienie uk³adu. Uk³ad objêty pêtl¹ sprzê¿enia
zwrotnego staje siê niestabilny - w uk³adzie pojawiaj¹ siê
drgania, nawet w nieobecnoœci sygna³u steruj¹cego.

Jednym z istotnych zagadnieñ zwi¹zanych z

projektowaniem uk³adów ze sprzê¿eniem zwrotnym jest
zapewnienie ich stabilnoœci.

W odniesieniu do uk³adów z pojedyncz¹ pêtl¹

sprzê¿enia zwrotnego, warunek stabilnoœci mo¿e byæ,
ogólnie rzecz bior¹c, zbadany poprzez okreœlenie
po³o¿enia zer

F(s) (tzn. pierwiastków

równania charakterystycznego F(s)=0 ) na p³aszczyŸnie
zmiennej , gdzie: F(s)=1-T (s).

W wiêkszoœci spotykanych przypadków w praktyce

przypadków, wymierna funkcja F(s) zawiera wielomiany
wy¿szych rzêdów, co sprawia, ¿e wyznaczenie
pierwiastków mo¿e byæ trudne. Co wiêcej, œcis³y opis
uk³adu (dany funkcj¹ F(s) ) mo¿e byæ w ogóle nieznany.

s

Z

Uk³ad jest stabilny, je¿eli jego odpowiedŸ na

zewnêtrzne wymuszenie, o skoñczonym czasie
trwania, zanika do zera.

Uk³ad jest stabilny, je¿eli

zera te le¿¹ w lewej pó³p³aszczyŸnie zmiennej .

s

Kryteria stabilnoœci:

o charakterze ogólnym

kryterium algebraiczne Routha-Hurwitza

uwzglêdniaj¹ce specyfikê sprzê¿enia zwrotnego

kryterium Nyquista, kryteria impedancyjne, metoda
badania charakterystyk amplitudowo-fazowych
stosunku zwrotnego (charakterystyk Bodego)

W myœl kryterium Bodego uk³ad jest stabilny o ile

spe³nione s¹ dwa alternatywne warunki:

je¿eli dla pewnej wartoœci pulsacji

wartoœæ modu³u:

|T (j

)| = 1, to wartoϾ fazy: arg{ T (j

) } < ;

je¿eli dla pewnej wartoœci pulsacji

wartoϾ fazy:

arg{T (j

) } = , to wartoœæ modu³u: |T (j

)| < 1.

Ograniczenia stosowalnoœci: kryterium oparte na

charakterystykach Bodego odnosi siê tylko do uk³adów
K(j ) i (j ) pierwotnie stabilnych oraz takich, w których
warunki |T (j )| = 1 i arg{T (j ) } =

spe³nione s¹ tylko

jednej wartoœci czêstotliwoœci

lub

!

Badanie stabilnoœci uk³adu zamkniêtego w oparciu o
charakterystyki amplitudowo fazowe Bodego
stosunku zwrotnego

Czêstotliwoœciowe charakterystyki Bodego uk³adu:

charakterystyki wyznaczane w logarytmicznych skalach
czêstotliwoœci oraz wartoœci funkcji.

Charakterystyki takie mog¹ byæ w prosty sposób

aproksymowane odcinkami prostej, co u³atwia procedurê
ich analizy.

w

w

w

p

w

w

p

w

w b w

w

w

p

w

w

T

Z

T

Z

T

Z

Z

Z

Z

T

f

f

f

f

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Sprzê¿enie zwrotne

Stabilnoœæ uk³adów ze sprzê¿eniem zwrotnym (I)

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

7

W odniesieniu do oceny wzglêdnej stabilnoœci uk³adu, definiuje siê miary tzw.

w postaci:

:

= - arg{ T (j

) } w punkcie krytycznym: |T (j

)| = 1;

: T = 20 log |T (j

)| w punkcie krytycznym: arg{T (j

) } = .

zapasu stabilnoœci

marginesu (zapasu) fazy

marginesu (zapasu) amplitudy

F

p

w

w

w

w

p

M

Z

T

Z

T

M

Z

Z

f

f

W uk³adzie stabilnym:

> 0 oraz T < 0.

F

M

M

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Sprzê¿enie zwrotne

Stabilnoœæ uk³adów ze sprzê¿eniem zwrotnym (II)

Rys. 4. Ilustracja sposobu okreœlania marginesów stabilnoœci uk³adów ze sprzê¿eniem zwrotnym: a) niestabilnego, b) stabilnego

a)

b)

20 log |T (j )|

[dB]

Z

w

T >0

M

arg{T (j )}

[rad]

Z

w

w

skala log.

6 dB/okt.

0 dB/okt.

12 dB/okt.

18 dB/okt.

w

1

0

- /2

p

-

p

-3/2

p

w

2

w

3

20 log |T (j )|

[dB]

Z

w

T <0

M

F

M

>0

arg{T (j )}

[rad]

Z

w

w

skala log.

6 dB/okt.

0 dB/okt.

12 dB/okt.

18 dB/okt.

w

1

0

- /2

p

-

p

-3/2

p

w

2

w

3

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

8

Wzmacniacz operacyjny jest analogowym wzmacniaczem napiêciowym z wejœciem

ró¿nicowym, co oznacza, ¿e napiêcie wyjœciowe jest zale¿ne, poprzez wartoœæ wzmocnienia, od
ró¿nicy napiêæ wejœciowych (rys. 5).

Wzmacniacz operacyjny, dziêki swemu uniwersalnemu zastosowaniu, pozostaje najbardziej rozpowszechnionym

. Pierwsze wzmacniacze operacyjne - opracowane w latach

czterdziestych i piêædziesi¹tych ubieg³ego wieku, s³u¿y³y wy³¹cznie do realizacji operacji matematycznych - st¹d ich
nazwa.

monolitycznym analogowym uk³adem scalonym

Wzmacniacz operacyjny pracuje niemal zawsze z zewnêtrznymi obwodami sprzê¿eñ zwrotnych.

Znaczenie podstawowych wielkoœci:

- napiêcia wejœciowe;

- napiêcie wyjœciowe;

- ró¿nicowe napiêcie wejœciowe;

- wzmocnienie napiêciowe w otwartej pêtli

sprzê¿enia zwrotnego.

U

, U

U

U

k

1(+)

1(-)

2

d

charakteryzuje siê

nastêpuj¹cymi w³aœciwoœciami:

nieskoñczenie du¿¹ wartoœci¹ wspó³czynnika
wzmocnienia napiêciowego (k);

n i e o g r a n i c z o n ¹

s z e r o k o œ c i ¹

p a s m a

przenoszenia (czêstotliwoœci);

nieskoñczenie du¿ymi wartoœciami rezystancji
(impedancji) wejœciowych;

rezystancj¹ (impedancj¹) wyjœciow¹ równ¹
zeru;

zerowymi wartoœciami pr¹dów wejœciowych
(polaryzacji);

nieograniczon¹ wydajnoœci¹ pr¹dow¹;

zerowym napiêciem wyjœciowym w sytuacji
równoœci obu napiêæ wejœciowych (tzn. kiedy:
U

= U

);

zerowym wzmocnieniem sygna³u wspólnego
dla obu wejœæ (sygna³u wspó³bie¿nego);

niezale¿noœci¹ parametrów od czynników
zewnêtrznych (np. temperatury).

1(+)

1(-)

Idealny (istniej¹cy tylko teoretycznie)

wzmacniacz operacyjny

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Wzmacniacz operacyjny

Zasada dzia³ania, budowa, parametry (I)

Rys. 5. Zasada dzia³ania

- rys. a) oraz jego symbol

elektryczny - rys. b)

wzmacniacza operacyjnego

a)

b)

k

U

1(+)

U

d

U

1(-)

U

2

U = k U = k (U

- U )

2

d

1(+)

1(-)

wejœcie
nieodwracaj¹ce

wyjœcie

wejœcie
odwracaj¹ce

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

9

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Wzmacniacz operacyjny

Zasada dzia³ania, budowa, parametry (II)

Tab.2. Parametry robocze starszych (wg danych literaturowych) oraz nowych generacji (wg danych katalogowych) wzmacniaczy
operacyjnych ogólnego przeznaczenia

Uk³ady nowych

generacji

- wartoœci graniczne

do 10 V/V

kilka uV

dziesi¹tki nV/K

dziesi¹tki pA

kilka pA

140 dB (DC)

7

kilkaset MHz

pojedyncze ns
rzêdu kV/us

poni¿ej 1 mW
0 / 2,5 V

Napiêcie zasilania

+/-15 V

Szereg parametrów wzmacniacza rzeczywistego zwi¹zanych jest z wielkoœciami, które nie wystêpuj¹ we

wzmacniaczu idealnym !

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

10

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Wzmacniacz operacyjny

Zasada dzia³ania, budowa, parametry (III)

Wybrane parametry
wzmacniacza operacyjnego
- na podstawie uk³adu

AD797

(w oparciu o materia³y
Analog Devices Inc.)

Rys. 6. W

schemat ideowy uk³adu.

zmacniacz operacyjny typu AD797 (Analog Devices Inc.):

a) schemat blokowy, b)

a)

b)

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

11

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Wzmacniacz operacyjny

Elementarne uk³ady pracy

Wzmacniacz odwracaj¹cy

(fazê sygna³u wejœciowego)

Wzmacniacz nieodwracaj¹cy

(fazy sygna³u wejœciowego)

Rys. 7. Wzmacniacz odwracaj¹cy

Rys. 8. Wzmacniacz nieodwracaj¹cy

… sam wzmacniacz operacyjny traktowany jest tutaj jako idealny !

U

d

U

we

I

1

I

2

U

wy

R

2

R

1

U

d

U

we

I

1

U

wy

R

2

R

1

Podstawowe zale¿noœci:

I = U /R

I = I

U = 0

Wzmocnienie napiêciowe:

a w ogólnoœci:

(10)

1

we

1

2

1

d

,

,

(9)

A = U

/ U

= - R

R

T (j ) = - Z (j ) Z (j )

uf

wy

we

2

1

2

1

/

/

f

w

w

w

Podstawowe zale¿noœci:

I = 0

U = 0

Wzmocnienie napiêciowe:

(11)

a w ogólnoœci:

(12)

1

d

,

A = U

/ U

= 1 + R

R

T (j ) = 1+ Z (j ) Z (j )

uf

wy

we

2

1

2

1

/

/

f

w

w

w

W oparciu o parametry impedancji zewnêtrznych (Z , Z ) kszta³towaæ mo¿na ¿¹dan¹

charakterystykê czêstotliwoœciow¹ uk³adu (zamkniêtego) !

1

2

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

12

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Wzmacniacz operacyjny

Podstawowe zastosowania uk³adowe (I)

Podstawowe zastosowania

LINIOWE

Podstawowe zastosowania

NIELINIOWE

Oprócz elementów zewnêtrznych wymaganych

dla realizacji okreœlonej funkcji uk³adowej, czêsto
konieczne jest stosowanie elementów (uk³adów)
dodatkowych, minimalizuj¹cych b³êdy wnoszone
przez rzeczywisty (a zatem nieidealny)
wzmacniacz operacyjny.

B³êdy te powodowane s¹ g³ównie przez:

W celu ca³oœciowego ujêcia parametrów

rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego
stosuje siê jego modele !

pr¹dy

polaryzacji (rys. 9), napiêcie niezrównowa¿enia,
ograniczona wartoœæ impedancji wejœciowych,
niekorzystne charakterystyki czêstotliwoœciowe.

Wtórnik napiêciowy

Wzmacniacz ró¿nicowy

Sumator

Uk³ad ca³kuj¹cy (integrator)

Uk³ad ró¿niczkuj¹cy

Konwerter pr¹d-napiêcie

Przesuwnik fazowy

Ogranicznik amplitudy

Prostownik "idealny" 1- lub 2 -
po³ówkowy

U

we

U

we

E

I

1

I

1

I

2

I

2

U

wy

U

wy

R

2

R

2

R

1

R

1

R

K

R

Z

Zak³adaj¹c I =I : R = (R || R ) - R

1

2

K

1

2

Z

R - wartoœæ rezystancji wewnêtrznej
Ÿród³a sygna³u steruj¹cego

Z

Rys. 9. Wzmacniacz napiêciowy
bez kompensacji - a),
oraz z kompensacj¹ - b),
wp³ywu pr¹dów polaryzacji

a)

b)

W celu realizacji okreœlonych funkcji uk³adowych przez wzmacniacz operacyjny, stosuje siê

o odpowiednio zmodyfikowanych obwodach sprzê¿eñ zwrotnych.

elementarne uk³ady pracy

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

13

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Wzmacniacz operacyjny

Podstawowe zastosowania uk³adowe (II)

Zagadnienie kompensacji charakterystyk czêstotliwoœciowych

Uk³ad uwa¿a siê za skompensowany, je¿eli wzglêdne przeciêcie charakterystyk K(j ) i 1/| (j )| nastêpuje z

nachyleniem nie wiêkszym ni¿ 12 dB/okt. (40 dB/dek.) !

w

b w

Czêsto producent okreœlonego typu wzmacniacza operacyjnego zapewnia wewnêtrzn¹ kompensacjê jego

charakterystyk umo¿liwiaj¹c¹ stabiln¹ pracê ju¿ od wzmocnienia równego 1. Cecha ta jest akcentowana w jego danych
katalogowych.

W szeregu zastosowañ wzmacniaczy

operacyjnych pracuj¹cych z pêtl¹
u j e m n e g o

s p r z ê ¿ e n i a

z w r o t n e g o ,

k o n i e c z n a

j e s t

m o d y f i k a c j a

charakterystyk czêstotliwoœciowych
uk³adu pod k¹tem zapewnienia jego
stabilnoœci !

Najwa¿niejsze metody kompensacji

charakterystyk podzieliæ mo¿na na 3 grupy:

modyfikacja transmitancji obwodu
sprzê¿enia zwrotnego (j )

modyfikacja impedancji wejœciowej
wzmacniacza operacyjnego

m o d y f i k a c j a f u n k c j i p r z e n o s z e n i a
wzmacniacza operacyjnego K(j )

b w

w

mo¿e byæ stosowana we wszystkich wzmacniaczach

mo¿e byæ stosowana we wszystkich wzmacniaczach

mo¿e byæ stosowana tylko we wzmacniaczach
wyposa¿onych w specjalne wyprowadzenia (piny -
ang. pins) umo¿liwiaj¹ce ingerencjê w jego wnêtrze

U

we

U

wy

R

2

C

R

1

Rys. 10. Uk³ad z kompensacj¹ zewnêtrzn¹ - jednobiegunow¹

C

R

W1

R

W2

Rys. 11. Uk³ad z kompensacj¹ poprzez ingerencjê
w funkcjê przenoszenia wzmacniacza operacyjnego

|K(j )|

skala log.

w

w

skala log.

w

K

6 dB/okt.

18 dB/okt.

0

|K(j )|

skala log.

w

w

skala log.

w

K

12 dB/okt.

6 dB/okt.

18 dB/okt.

0

1

| (j )|

b w

1

| (j )|

b w

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

14

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Komparator analogowy

Zasada dzia³ania, parametry, zastosowania

K o m p a r a t o r

a n a l o g o w y

j e s t

u k ³ a d e m

elektronicznym, który na podstawie relacji
pomiêdzy wartoœciami napiêæ na swoich dwóch
wejœciach generuje na wyjœciu stan logiczny "0"
lub "1".

Komparatory s¹ w istocie wzmacniaczami o

du¿ej wartoœci wspó³czynnika wzmocnienia
napiêciowego, pracuj¹cymi z otwart¹ pêtl¹
s p r z ê ¿ e n i a

z w r o t n e g o

b ¹ d Ÿ

d o d a t n i m

sprzê¿eniem zwrotnym (komparatory z histerez¹).

W roli komparatorów wystêpowaæ mog¹

dedykowane tej funkcji scalone uk³ady elektroniczne
ale tak¿e wzmacniacze operacyjne ogólnego
przeznaczenia (rozwi¹zanie niezalecane ze wzglêdu
na niezbyt dobre w³aœciwoœci dynamiczne takiego
uk³adu).

Komparatory charakteryzuj¹ siê nastêpuj¹cymi

podstawowymi parametrami:

wartoœciami napiêæ wyjœciowych w stanach
logicznych 0 lub 1 (lub wprost podan¹ przez
producenta kompatybilnoœci¹ z okreœlon¹ rodzin¹
uk³adów cyfrowych);

czasem propagacji sygna³u (reakcji na zmianê
relacji napiêæ wejœciowych) - rzêdu dziesi¹tek ps do
us;

szybkoœci¹ zmian napiêcia na wyjœciu (0->1, 1->0).

W p r z y p a d k u ko n i e c z n o œ c i

lub

na zak³ócenia (np. ze wzglêdu na szumy

wystêpuj¹ce w obu sygna³ach porównywanych lub te¿
j e d n y m

z

n i c h )

s t o s u j e

s i ê

k o m p a r a t o r y

(dyskryminatory) z histerez¹ - rys. 13.

r e g e n e r a c j i

przebiegów

zwiêkszenia odpornoœci uk³adu

cyfrowego

Rys. 12. Komparator analogowy: a) podstawowy uk³ad pracy;

b) charakterystyka przejœciowa U =f(U

-U

)

komparatora idealnego

wy

we1

we2

a)

b)

U -U

we1

we2

poziom
logiczny 0

poziom
logiczny 1

U

wy

U

we2

U

we1

U

wy

Rys. 13. Komparator analogowy z histerez¹: a) konfiguracja

uk³adu; b) charakterystyka przejœciowa U =f(U )

komparatora idealnego

wy

we

a)

b)

U

we

U

odn

U

H

U

wy

U

odn

U

we

U

wy

R

2

R

1

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

15

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Wzmacniacze mocy

Przeznaczenie, w³aœciwoœci oraz parametry

Zadaniem wzmacniacza mocy jest dostarczenie do obci¹¿enia odpowiednio du¿ej mocy

sygna³u przy czym wzmacniacz nie powinien niekorzystnie wp³ywaæ na jego istotne parametry.

Przy pracy przyrz¹dów pó³przewodnikowych (elementów sk³adowych wzmacniacza mocy) z

sygna³ami du¿ymi, ich parametry paso¿ytnicze bardziej oddzia³uj¹ na kszta³t sygna³u na ni¿ w
przypadku sygna³ów ma³ych . Do parametrów tych zalicza siê przede wszystkim:

nieliniowoœæ charakterystyki przejœciowej wzmacniacza;

ograniczone pasmo przenoszonych czêstotliwoœci;

szczególne parametry dynamiczne (np. szybkoœæ narastania napiêcia na wyjœciu).

G³ównymi parametrami roboczymi wzmacniaczy mocy s¹:

czu³oœæ wejœciowa;

znamionowa moc wyjœciowa;

sprawnoϾ energetyczna;

wspó³czynnik zniekszta³ceñ nieliniowych sygna³u wyjœciowego - dla przebiegu sinusoidalnego;

kszta³t charakterystyki czêstotliwoœciowej;

Wzmacniacze mocy s¹ strukturami 2- lub 3-stopniowymi przy czym stopieñ pierwszy (wstêpny) jest

wzmacniaczem napiêcia, a ostatni - w³aœciwym wzmacniaczem mocy - o odpowiednio du¿ej wydajnoœci
pr¹dowej i niewielkim (na ogó³) wzmocnieniu napiêciowym.

Ze wzglêdu na koniecznoœæ zapewnienia odpowiedniej jakoœci sygna³u wyjœciowego - w œwietle

wymienionych wy¿ej parametrów - wiêkszoœæ wspó³czesnych wzmacniaczy mocy pracuje w zamkniêtej
pêtli ujemnego sprzê¿enia zwrotnego.

wartoœæ amplitudy (lub wartoœci skutecznej) sygna³u wejœciowego niezbêdn¹ dla osi¹gniêcia okreœlonej (znamionowej)
mocy wyjœciowej (sygna³u wyjœciowego)

moc: maksymalna, ci¹g³a - definiowane dla okreœlonej wartoœci wspó³czynnika zniekszta³ceñ nieliniowych sygna³u
wyjœciowego

stosunek mocy wyjœciowej do pobieranej z zasilacza

nierównomiernoœæ charakterystyki, dolna i górna czêstotliwoœæ graniczna (ró¿ne dla wzmacniaczy m.cz. i w.cz.)

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

16

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Wzmacniacze mocy

Klasyfikacja

Najwa¿niejsze z nich ró¿nicuj¹ wzmacniacze mocy pod k¹tem:

klasy pracy elementów aktywnych (przyrz¹dów pó³przewodnikowych):

sposobu sprzê¿enia wzmacniacza z obci¹¿eniem:

konfiguracji stopnia wyjœciowego

rodzaju zastosowanych elementów aktywnych

pasma przenoszenia oraz kszta³tu charakterystyki przenoszenia

Wzmacniacze mocy klasyfikuje siê pod wieloma wzglêdami -

w y n i k a j ¹ c y m i

g ³ ó w n i e

z

z a s t o s o w a n y c h

r o z w i ¹ z a ñ

konstrukcyjnych i technologicznych.

Klasa pracy wynika z: k¹ta przep³ywu pr¹du wyjœciowego, trybu pracy elementu
aktywnego. Najczêœciej stosowane klasy to:
• Dla pracy ci¹g³ej elementu aktywnego:

- k¹t przep³ywu: 360 st. el.,

- k¹t

przep³ywu: 180-360 st. el.,

- k¹t przep³ywu: 180 st. el. (rys. 14). Ze wzglêdu na

zniekszta³cenia nieliniowe praca w klasach AB i B jest mo¿liwa tylko w uk³adach
przeciwsobnych !

• Dla pracy impulsowej elementu aktywnego:

,

,

… - klasy te odnosz¹ siê do

ró¿nej konfiguracjê stopnia mocy wzmacniacza w stosunku do obci¹¿enia.

• Bezpoœrednie
• Transformatorowe - zapewnia: mo¿liwoœæ dopasowania wzmacniacza (pod

k¹tem maksymalizacji mocy wyjœciowej) do rezystancji odbiornika (R

= n R , gdzie: R

- rezystancja obci¹¿enia

wzmacniacza, R - rezystancja odbiornika po stronie wtórnej transformatora, n - przek³adnia transformatora), izolacjê
galwaniczn¹ odbiornika od wzmacniacza. Jego wad¹ jest odkszta³canie przebiegu wyjœciowego.

• Wzmacniacze pó³mostkowe oraz pe³nomostkowe.
• Wzmacniacze pojedyncze oraz przeciwsobne. W przypadku tych ostatnich zachodzi efekt autokompensacji

sk³adowych harmonicznych o rzêdach parzystych, co zmniejsza wynikow¹ wartoœæ wspó³czynnika zniekszta³ceñ
nieliniowych sygna³u wyjœciowego !.

• Tranzystory (bipolarne, MOSFET) - wzmacniacze tranzystorowe.
• Lampy elektronowe (trioda, tetroda, pentoda) - wzmacniacze lampowe.

Wzmacniacze: pr¹du sta³ego, m.cz., w.cz., selektywne.

A

AB

B

C D E

obc

2

obc

2

2

Rys. 14. Przebiegi sygna³u wyjœciowego

wzmacniacza mocy dla ró¿nych klas

pracy elementu aktywnego

kl. A

kl. AB

kl. B

u

we

i

wy

kl. A

kl. B

kl. AB

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

17

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Wzmacniacze mocy

W³aœciwoœci wzmacniaczy mocy (I)

Zniekszta³cenia skroœne we wzmacniaczu klasy B

Nowoczeœniejsz¹ (i powszechnie spotykan¹) odmian¹

beztransformatorow¹ przeciwsobnego wzmacniacza
mocy jest stopieñ z komplementarnymi

elementami

aktywnymi t.j. tranzystorami mocy o odmiennym typie
przewodnictwa (np. tranzystorami bipolarnymi npn i pnp) -
rys. 15a.

Sprzê¿enie transformatorowe stosuje siê nadal w

uk³adach wzmacniaj¹cych realizowanych w oparciu o
lampy elektronowe - ze wzglêdu koniecznoœæ
dopasowania impedancji wyjœciowej wzmacniacza do
obci¹¿enia i uzyskania jego separacji galwanicznej.

W obszarze ma³ych wartoœci napiêcia steruj¹cego (w uk³adzie

tranzystorowym jest to napiêcie u ) wypadkowa charakterystyka
robocza stopnia wyjœciowego wzmacniacza przeciwsobnego
wykazuje siln¹ nieliniowoœæ, co jest przyczyn¹ powstawania
zniekszta³ceñ sygna³u wyjœciowego. Zniekszta³cenia te nazywane

poniewa¿ powstaj¹ w obszarze

przejœciowym charaktrystyk obu elementów aktywnych, gdzie
jeden z nich jest wy³¹czany, a drugi (komplementarny) za³¹czany -
rys. 15b. Zniekszta³cenia te powoduj¹, ¿e praca w "czystej" klasie B
jest bardzo niekorzystna (i u¿ytkowo, praktycznie niemo¿liwa).

Eliminacja tego zjawiska wymaga zastosowania wstêpnej

polaryzacji obu elementów aktywnych (rys. 16a), co powoduje
przep³yw pewnego sta³ego pr¹du polaryzacji (w obwodzie
g³ównym: I , I ) dziêki czemu, wypadkowa charakterystyka

robocza wzmacniacza ulega linearyzacji - rys. 16b. Wad¹ tej
metody jest wzrost strat mocy w elementach aktywnych, a zatem
spadek sprawnoœci energetycznej wzmacniacza.

BE

zniekszta³ceniami skroœnymi

C1

C2

i

C1

i

C2

i

B1

i

B2

T

1

T

2

R

O

R

G

E

E

u

BE1

u

BE2

e

G

Rys. 15. Ilustracja mechanizmu
powstawania zniekszta³ceñ skroœnych:
a) schemat wzmacniacza,
b) charakterystyka wejœciowa

a)

b)

I

B1

I

B2

U

BE1

U

BE2

i

C1

i

C2

i

B1

i

B2

T

1

T

2

R

O

R

G

E

E

P

E

P

E

u

BE1

u

BE2

e

G

Rys. 16. Wzmacniacz przeciwsobny
z polaryzacj¹ wstêpn¹ tranzystorów:
a) schemat (idea realizacji),
b) charakterystyka wejœciowa

a)

b)

I

B1

I

B2

U

BE1

U

BE2

2E

P

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV

background image

18

Uk³ady wzmacniaj¹ce ogólnego przeznaczenia

Wzmacniacze mocy

W³aœciwoœci wzmacniaczy mocy (II)

Porównanie w³aœciwoœci wzmacniaczy mocy klasy A i B

Problem dopasowania energetycznego obci¹¿enia do Ÿród³a sygna³u

maksymalna graniczna wartoϾ
sprawnoœci energetycznej

1)

1)

2)

3)

wartoœæ teoretyczna - dla sygna³u sinusoidalnie zmiennego
wartoϾ

le¿y w zakresie <0,1>

tendencje uœrednione - zale¿¹ od szeregu czynników dodatkowych

k

p/4 (~78%)

1/2 (50%)

~ k

~ k

2

wysokie

niskie

mog¹ byæ du¿e

zarówno dla ma³ej,

jak i du¿ej wartoœci k

rosn¹

z wartoœci¹ k

A

B

zale¿noœæ sprawnoœci
energetycznej od wspó³czynnika
wysterowania k

2)

wykorzystanie maksymalnej
mocy elementów aktywnych

zale¿noœæ zniekszta³ceñ
nieliniowych sygna³u wyjœciowego
od wspó³czynnika wysterowania k

3)

. W obwodach pr¹du

sta³ego warunek ten to równoœæ rezystancji odbiornika i rezystancji wewnêtrznej Ÿród³a mocy:

=

.

Przez

rozumie siê zapewnienie

warunków pozwalaj¹cych na przekazanie maksymalnej mocy ze Ÿród³a do odbiornika

R

R

o

wy

W przypadku wiêkszoœci wzmacniaczy mocy, pracuj¹cych w zamkniêtej pêtli sprzê¿enia zwrotnego (np.

akustycznych), rozumie siê przez to dopasowanie rezystancji odbiornika do wzmacniacza pod k¹tem osi¹gniêcia
znamionowej mocy wyjœciowej (przy pe³nym wysterowaniu) dla okreœlonego napiêcia zasilania uk³adu przy czym, z
za³o¿enia:

<<

(

ma tutaj typowo wartoœæ rzêdu 0,001 - 0,01

).

R

R R

wy

o

wy

W

dopasowanie energetyczne odbiornika (obci¹¿enia) do Ÿród³a mocy

Elektronika Analogowa i Cyfrowa

MCHT, Sem. IV


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
EAiC materiały wykładowe 3(full permission)
EAiC materiały wykładowe 4(full permission)
EAiC materiały wykładowe 5(full permission)
EAiC materiały wykładowe 3(full permission)
EAiC materiały wykładowe 1B serw(full permission)
EAiC materiały wykładowe 1A serw(full permission)
oddzialywanie promieniowania slonecznego z atmosfera(full permission)
14 materiały wykład I
23 materiały wykład II
Mięśnie grzbietu, Pierwsza pomoc, materiały, wykłady itp, Anatomia
Materiały z wykładu strategie marketingu
Techniki Negocjacji i Mediacji kompletny materiał z wykładów
11 materiały wykład II
25 materiały wykład II
19 materiały wykład I
EiE materiały wykładowe 4 serw decrypted
10 Programowa obsługa sygnałów analogowych materiały wykładowe
13 materiały wykład I
02 materiały wykład II

więcej podobnych podstron