Temat i plan wykładu

Wzmacniacze operacyjne

1. Wprowadzenie

2. Podstawowe parametry i układy pracy

3. Wzmacniacz odwracający i nieodwracający

4. Układ całkujący, różniczkujący, różnicowy

5. Konwerter prąd-napięcie

6. Przykłady zastosowań

Symbole graficzne na schematach

najczęściej spotykane

Właściwości idealnego wzmacniacza

operacyjnego

Zacisk „-” nasi nazwę wejścia odwracającego, ponieważ
sygna

ł

wyjściowy jest odwrócony w fazie o 180

°

względem

sygna

ł

u przy

ł

ożonego do tego wejścia.

Zacisk „+” jest wejściem nieodwracającym, ponieważ
sygna

ł

wyjściowy jest w fazie z sygna

ł

em doprowadzonym

do tego wejścia.

Wzmacniacz operacyjny może pracować w uk

ł

adzie o

wejściu niesymetrycznym, jeżeli sygna

ł

wejściowy podany

jest na jedno z dwóch wejść (sygna

ł

przy

ł

ą

czony jest

pomiędzy zaciskiem wejściowym a masą, przy drugim
zacisku do

ł

ą

czonym do masy).

W uk

ł

adzie o wejściu symetrycznym sygna

ł

wejściowy

doprowadza się między wejścia wzmacniacza. Sygna

ł

taki

nazywa się sygna

ł

em różnicowym.

Podstawowe parametry wzmacniacza

operacyjnego (idealnego)

•

nieskończona wartość impedancji wejściowej R

we

=

∞

∞

∞

∞

•

nieskończona wartość wzmocnienia różnicowego A

r

=

∞

∞

∞

∞

•

zerowa wartość impedancji wyjściowej R

wy

= 0

•

nieskończone pasmo przenoszonych częstotliwości

•

brak zjawisk niepożądanych (niestabilność,

niezależność od zmian napięcia zasilania, itp.)

Podstawowe parametry rzeczywistego

wzmacniacza operacyjnego

Wyprowadzenia, zasilanie

Idealny wzmacniacz operacyjny po

załączeniu napięć zasilających i

podłączeniu wejść do wspólnego

potencjału zerowego powinien mieć

również zerowe napięcie wyjściowe i

zerowe prądy wyjściowe.

Wzmacniacz rzeczywisty nie spełnia tych

wymagań, ale ich odchyłki są nieznaczące

z punktu widzenia praktycznego.

Parametry wzmacniacza operacyjnego

Model idealnego WO

Model WO

V

out

= A

0

(V

in+

- V

in-

)

Wzmacniacz jako komparator (układ porównujący)

Jednak w praktyce…

Jednak w praktyce…

Sprz

ęż

enie zwrotne

- oddziaływanie skutku jakiego

ś

zjawiska na jego przyczyn

ę

.

Ujemne

Dodatnie

Zwi

ę

ksza wzmocnienie.

Destabilizuje. Jest stosowane w

generatorach i układach

regeneracyjnych.

We wzmacniaczach – mo

ż

e

wyst

ą

pi

ć

jako efekt paso

ż

ytniczy.

Sprz

ęż

enie zwrotne i jego wpływ na

parametry wzmacniacza

Sprz

ęż

enie zwrotne dodatnie

A

f

∞

∞

Podstawowe układy pracy wzmacniaczy

operacyjnych

Wzmacniacze operacyjne pracuj

ą

najcz

ęś

ciej w układach

z zewn

ę

trznym ujemnym sprz

ęż

eniem zwrotnym.

Sprz

ęż

enie polepsza własno

ś

ci wzmacniacza:

• zmniejsza nieliniowo

ść

charakterystyk i niezrównowa

ż

enie,

• poszerza pasmo cz

ę

stotliwo

ś

ci,

• poprawia stało

ść

parametrów,

• umo

ż

liwia dobór wzmocnienia.

W układach z otwart

ą

p

ę

tl

ą

(lub z dodatnim sprz

ęż

eniem zwrotnym)

wzmacniacze operacyjne pracuj

ą

jako komparatory, tzn. w jednym z

dwóch stanów zatkania i nasycenia.

Wzmacniacz odwracaj

ą

cy

(

ω≈

0)

Wzmacniacz odwracaj

ą

cy

(

ω≈

0)

R

F

A

R

1

=R||R

F

u

id

R

I

R

I

RF

R

R

R

R

K

u

u

R

u

R

u

R

u

I

R

u

I

I

I

Au

u

WE

F

U

WY

F

WY

F

WY

FR

R

FR

R

id

WY

=

−

=

=

−

=

−

=

=

=

=

1

1

1

,

,

u

wy

u

1

Wzmacniacz odwracaj

ą

cy - symulacja

Wzmacniacz odwracaj

ą

cy - zastosowanie

Wzmacniacz sumuj

ą

cy

R

F

u

1

u

wy

R

1

R

2

u

2

F

I

I

I

=

+

2

1

F

wy

R

u

R

u

R

u

−

=

+

2

2

1

1













+

−

=

2

2

1

1

R

u

R

u

R

u

F

wy

(

)

2

1

u

u

R

R

u

F

wy

+

−

=

R

R

R

=

=

2

1

(

ω≈

0)

Wzmacniacz sumuj

ą

cy

Sumator audio - mikser

Wzmacniacz nieodwracaj

ą

cy

(

ω≈

0)

R

F

u

1

u

wy

A

R

u

id

Ω

=

+

=

=

+

=

=

−

M

R

R

R

K

u

u

R

R

R

u

u

u

WE

F

U

WY

F

WY

1

1

1

Wzmacniacz nieodwracaj

ą

cy

(

ω≈

0)

Wtórnik napi

ę

ciowy

u

1

u

wy

A

u

id

Ω

=

=

+

=

=

∞

=

=

G

R

K

R

R

K

u

u

R

R

WE

U

F

U

WY

F

1

1

,

0

1

R

F

u

1

u

wy

A

R

u

id

Wtórnik napi

ę

ciowy

(

ω≈

0)

Wzmacniacz ró

ż

nicowy

(

ω≈

0)

R

F

u

1

u

wy

R

R

u

2

R

F

U
_

U

+

(

)

1

2

2

1

2

1

u

u

R

R

u

U

U

R

R

R

u

U

R

R

R

u

R

u

U

R

U

R

U

u

R

u

U

R

U

u

F

WY

F

F

F

WY

F

F

F

WY

−

=

=

+

=

+

+

=

=

−

−

=

−

−

+

+

−

+

+

−

−

szum

1

1

+

=

in

u

u

szum

2

2

+

=

in

u

u

(

)

in

in

in

in

WY

u

u

u

u

R

R

u

1

2

1

2

F

szum

-

szum

−

=

+

+

=

Wzmacniacz ró

ż

nicowy

(

ω≈

0)

Wzmacniacz ró

ż

nicowy - zastosowanie

Wzmacniacz całkuj

ą

cy - integrator

u

1

u

wy

R

u

id

C

( )

∫

+

−

=

−

=

−

=

t

C

WY

WY

WY

u

dt

u

RC

u

u

RC

dt

du

dt

du

C

R

u

0

1

1

1

0

1

1

Wzmacniacz całkuj

ą

cy - integrator

Wzmacniacz całkuj

ą

cy - integrator

Wzmacniacz ró

ż

niczkuj

ą

cy

u

1

u

wy

R

u

id

C

dt

du

RC

u

R

u

I

dt

du

C

I

WY

WY

WY

R

C

−

=

−

=

=

1

Wzmacniacz ró

ż

niczkuj

ą

cy

Wzmacniacz ró

ż

niczkuj

ą

cy

Konwerter I/U

u

wy

R

i

iR

u

WY

−

=

Konwerter I/U

Konwerter I/U - zastosowanie

u

wy

R

iR

u

WY

−

=

i

U

Charakterystyk

ę

amplitudowa wzmacniacza

Elektrokardiografia – system pomiarowy

Temat i plan wykładu

Komparatory napięcia

1. Wprowadzenie

2. Budowa komparatorów napięcia

3. Podstawowe parametry i układy pracy

4. Komparator nieregeneracyjny i regeneracyjny

5. Przerzutniki Schmitta

6. Detektory zera

7. Dyskryminatory okienkowe

Komparatory napięcia

Komparatory służą do porównywania
dwóch sygnałów analogowych (stałych
lub zmiennych) doprowadzonych do ich
wejść oraz do zaznaczenia poprzez
zmianę napięcia wyjściowego chwili
zrównania sygnałów wejściowych.

Często chcemy wiedzieć, które z dwóch napięć
ma większą wartość lub wykryć chwilę, w której
napięcie danego sygnału przekracza pewną
ustaloną wcześniej wartość.

ELEKTRONIKA – Jakub Dawidziuk

czwartek, 10 grudnia 2015

Budowa i własności komparatorów

Porównanie napięcia można dokonywać za pomocą wzmacniaczy
operacyjnych, jednak znacznie lepsze rezultaty uzyskuje się po
zastosowaniu układów specjalnie do tego celu wytwarzanych.

Komparatory napięcia mają budowę podobną do wzmacniaczy
operacyjnych, z układem różnicowym na wejściu.

Różnią się od wzmacniaczy operacyjnych:

• mniejszym napięciem niezrównoważenia,

• krótszym czasem odpowiedzi na pobudzenie skokowe,

• napięcia wyjściowe w stanach ustalonych przyjmują najczęściej
wartości odpowiadające typowym poziomom logicznym wyjść układów
cyfrowych:

U

H0

„1”

i

U

L0

„0”,

•

komparator jest jednobitowym

przetwornikiem analogowo-cyfrowym.

• Pojawienie się różnicy napięć rzędu ułamka mV między
wejściami komparatora wywołuje skokową zmianę poziomu
napięcia na wyjściu,
• poziom napięcia wyjściowego jest wysoki albo niski,
zależnie od znaku różnicy napięć wejściowych,
• jeżeli napięcie wejściowe podane na końcówkę
odwracającą

(-)

komparatora jest mniejsze od napięcia

podawanego na końcówkę nieodwracającą

(+)

, to napięcie

wyjściowe przyjmuje poziom wysoki

(H)

,

•jeżeli napięcie wejściowe podane na końcówkę
odwracającą

(-)

komparatora jest większe od napięcia

podawanego na końcówkę nieodwracającą

(+)

, to napięcie

wyjściowe przyjmuje poziom niski

(L)

.

Zasada działania komparatora napięcia

+U

CC

-U

CC

u

we

U

REF

u

wy

GND

u

wy

t

U

HO

U

LO

u

we

t

U

REF

0

0

Zasada działania
komparatora
nieregeneracyjnego

•

du

wy

/dt zależy od zmian du

we

/dt dla

wolnozmiennych przebiegów wejściowych

•

szumy w sygnale wejściowym mogą powodować
wielokrotne przełączanie wyjścia

Wady komparatorów nieregeneracyjnych

t

u

u

we

U

REF

u

wy

Wady można usunąć stosując komparator regeneracyjny
z dodatnim sprzężeniem zwrotnym (z histeraezą).

Komparator regeneracyjny odwracający

Zadaniem rezystora

R

F

jest spowodowanie powstania

dwóch poziomów napięcia progowego, którego wartości
będą zależały od stanu wyjścia komparatora.

R

F

u

we

u

wy

R

U

REF

Wyznaczenie progów przełączania i histerezy

(

)

(

)

0

0

0

0

L

H

F

H

L

wy

H

wy

wy

wy

F

pL

pH

H

F

F

REF

F

wy

pL

F

F

REF

F

wy

pH

U

U

R

R

R

U

U

U

U

U

U

U

R

R

R

U

U

U

R

R

R

U

R

R

R

U

U

R

R

R

U

R

R

R

U

U

−

+

=

=

=

−

+

=

−

=

+

+

+

=

+

+

+

=

min

max

min

max

min

max

u

wy

u

we

U

HO

U

REF

U

pL

U

H

U

LO

Charakterystyka przejściowa komparatora

odwracającego z histerezą

U

pH

u

wy

komparatora nieregeneracyjnego

t

U

HO

U

LO

u

wy

komparatora regeneracyjnego

U

HO

t

U

LO

u

we

t

U

REF

U

his

Komparator z otwartym kolektorem

np.+5V

wy OC

R

0,5-5kΩ

Przykłady
komparatorów:

LM 311-szybki

LM 339, CP 401-OC

TLC 393-CMOS

NE 529-dwie bramki,
światłowodowe
przekazywanie danych,
przetwornik A/C

MAX 921-wewnętrzne
napięcie odniesienia,
programowalna
histereza, wyjście
TTL/CMOS

czas odpowiedzi: ns, µs

zasilanie: symetryczne, asymetryczne

OC-open collector

Przerzutnik Schmitta odwracający

R

F

u

we

u

wy

R

Wyznaczenie progów przełączania i szerokości pętli

histerezy odwracającego przerzutnika Schmitta

(

)

min

max

min

max

wy

wy

F

pL

pH

H

F

wy

pL

F

wy

pH

U

U

R

R

R

U

U

U

R

R

R

U

U

R

R

R

U

U

−

+

=

=

−

=

+

=

+

=

Charakterystyka przejściowa

odwracającego przerzutnika Schmitta

u

wy

U

wymax

U

pH

U

pL

U

H

U

wymin

u

we

0

Przebiegi napięć w odwracającym

przerzutniku Schmitta

Wyłącznik zmierzchowy

Modulator szeroko

ś

ci impulsu

k

koniec

Detektory przejścia przez zero

Detektor przejścia przez zero wytwarza sygnał
wyjściowy zmieniający stan za każdym razem,
gdy wartość analogowego sygnału wejściowego
przekracza poziom zerowy. Układ taki jest
szczególnie przydatny przy analizie widma
częstotliwościowego sygnału, gdyż przetwarza
sygnał analogowy w ciąg impulsów prostokątnych
o szerokościach zależnych od częstotliwości. W
ten sposób następuje redukcja szumów i
zniekształceń sygnału badanego, a dalszą
analizę można łatwo przeprowadzić metodami
cyfrowymi.

Przebiegi napięć detektora zera

Układy detektorów przejścia przez zero

Zastosowanie detektorów przejścia przez zero

•Systemy przetwarzania i obróbki danych analogowych,

• układy pamięci analogowych,

• badanie korelacji sygnałów.

Należy stosować szybkie komparatory, aby
opóźnienie sygnału wyjściowego w stosunku do chwili
przejścia przez zero było małe, i jednocześnie o
dobrej dokładności, aby błąd określenia poziomu
zerowego był mały. W detektorach przejścia przez
zero często stosuje się zamiast komparatora
napięcia wzmacniacz operacyjny.

Dyskryminatory okienkowe

Dyskryminator okienkowy powinien wytwarzać na
swym wyjściu sygnał logiczny stwierdzający, czy
wartość napięcia wejściowego zawiera się w
określonym przedziale napięć odniesienia.
Dyskryminatory tego rodzaju znajdują szerokie
zastosowanie w technice pomiarowej, w układach
sygnalizacyjnych, a także w elektronice
jądrowej, gdzie spełniają funkcję
jednokanałowych analizatorów amplitudy.

Najłatwiej można zbudować dyskryminator
okienkowy stosując dwa komparatory napięcia lub
komparator podwójny.

Przerzutnik astabilny

R

2

R

1

wy

C

R

u

C

u

wy

Mogą być użyte wzmacniacze operacyjne lub komparatory:

przerzutnik astabilny, generator relaksacyjny, muliwibrator.

u

wy

i

t

U

CC

-U

CC

t

u

C

CC

U

R

R

R

2

1

1

+

CC

U

R

R

R

2

1

1

+

−

∆t

1

∆t

2

Wzmacniacze pomiarowe

WP jest wzmacniaczem ró

ż

nicowym o bardzo du

ż

ej

impedancji wej

ś

ciowej i małej wyj

ś

ciowej. Regulacja

wzmocnienia odbywa si

ę

za pomoc

ą

jednego rezystora

zewn

ę

trznego. S

ą

one przeznaczone do wzmacniania

małych sygnałów ró

ż

nicowych w obecno

ś

ci stosunkowo

du

ż

ych sygnałów sumacyjnych (zakłóce

ń

). W przypadku

bardzo du

ż

ych sygnałów sumacyjnych współpracuj

ą

ze

wzmacniaczami izolacyjnymi, w przypadkach
wyst

ę

powania bardzo du

ż

ych ró

ż

nic napi

ęć

sumacyjnych

obwodu wej

ś

ciowego i wyj

ś

ciowego, np. kilka tysi

ę

cy

woltów. Inny obszar zastosowa

ń

- aparatura medyczna.

Producenci: Burr-Brown, National Semiconductor, Analog
Devices.

W

z

m

a

c

n

ia

c

z

p

o

m

ia

ro

w

y

(

)

a

b

o

u

u

R

R

u

−

=

2

3

(

)

b

g

a

u

R

R

i

u

+

+

=

1

2

(

)

g

a

b

R

R

i

u

u

+

−

=

−

1

2

g

a

b

R

R

u

u

i

+

−

=

−

1

2

g

S

S

R

u

u

u

u

i

−

−

+

=

2

1

g

R

u

u

i

1

2

−

−

=

g

g

a

b

R

u

u

R

R

u

u

1

2

1

2

−

=

+

−

(

)

1

2

1

2

1

u

u

R

R

u

u

g

a

b

−















+

=

−

(

)

1

2

1

2

3

2

1

u

u

R

R

R

R

u

g

o

−















+

=

(

)

1

2

1

3

2

2

1

u

u

R

R

u

R

R

g

o

−















+

=

=

W

z

m

a

c

n

ia

c

z

p

o

m

ia

ro

w

y

(

)

a

b

o

u

u

R

R

u

−

=

2

3

(

)

b

g

a

u

R

R

i

u

+

+

=

1

2

(

)

g

a

b

R

R

i

u

u

+

−

=

−

1

2

g

a

b

R

R

u

u

i

+

−

=

−

1

2

g

S

S

R

u

u

u

u

i

−

−

+

=

2

1

g

R

u

u

i

1

2

−

−

=

g

g

a

b

R

u

u

R

R

u

u

1

2

1

2

−

=

+

−

(

)

1

2

1

2

1

u

u

R

R

u

u

g

a

b

−















+

=

−

(

)

1

2

1

2

3

2

1

u

u

R

R

R

R

u

g

o

−















+

=

(

)

1

2

1

3

2

2

1

u

u

R

R

u

R

R

g

o

−















+

=

=

Wzmacniacz pomiarowy - przykład

Elektrokardiografia – system pomiarowy

UKŁADY FORMOWANIA IMPULSÓW

+12V

-12V

GND

US1 B

LM 393 B

6

5

7

R1

R2

33k

D1

US1 A

LM 393 A

2

3

8

4

1

-12V

+12V

R3

4,7k

R4

R5

4,7k

UKŁAD GENERUJ

Ą

CY NAPI

Ę

CIE PIŁOKSZTAŁTNE

DETEKTOR PRZEJ

Ś

CIA NAPI

Ę

CIA PRZEZ ZERO

PROSTOWNIK DWUPOŁÓWKOWY

UKŁAD CAŁKUJ

Ą

CY

UKŁAD RÓ

ś

NICZKUJ

Ą

CY

LM393

PRZERZUTNIK MONOSTABILNY

CD4047

Q

Q

OSC

(+)TRI

(-)TRI

6

8

R

RC

C

3

2

1

AST

Vcc

4

14

10

11

13

5

9

12

7

AST CLR REtri Vss

CD4047

+12V

t

= 1,38 R C

OSC

t = 2,48 R C

Q

C4

KOMPARATOR Z HISTEREZ

Ą

7

8

2

3

4

1

-12V

+12V

4,7k

7

8

2

3

4

1

-12V

+12V

R9

P2
470k

R8

4,7k

R10

10k

R11

10k

LM311

LM311

US4

LM311

US3

LM311

LM317

2

1

3

+12V

C2

100n

P3

4,7k

C2

240

C3

100n

+12V

US2

TL081

2

3

7

4

6

-12V

+12V

R6

10k

P1
200k

-12V

C1

10n

D2

D3

T1

BF245

R7

20k

TL081

US5

US6