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
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
8/34
Operacijska pojačala – analiza realnog pojačala
Nadomjesna shema
© FER, ZOEM
Mjerna tehnika, 2. tema
9/34
Operacijska pojačala – analiza realnog pojačala
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
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
12/34
Operacijska pojačala – sumirajuće pojačalo
Invertirajuće pojačalo s više ulaznih napona Doprinos svakog ulaznog napona može biti različit
© FER, ZOEM
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
14/34
Operacijska pojačala – integrirajuće pojačalo
Elementi za analizu:
Smanjenje klizanja izlaznog napona Frekvencijsko područje integracije Ovisnost valnog oblika o početnim uvjetima
© FER, ZOEM
Mjerna tehnika, 2. tema
15/34
Operacijska pojačala – derivirajuće pojačalo
Elementi za analizu:
Smanjenje utjecaja smetnji Frekvencijsko područje derivacije Amplituda izlaznog napona
© FER, ZOEM
Mjerna tehnika, 2. tema
16/34
Operacijska pojačala – diferencirajuće pojačalo
Osnovna shema:
Privodimo dva ulazna napona: u1 i u2
© FER, ZOEM
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
18/34
Operacijska pojačala – strujno pojačalo (1)
Strujno pojačalo s otporom u povratnoj vezi Elementi za analizu:
dinamika izlaznog napona
© FER, ZOEM
Mjerna tehnika, 2. tema
19/34
Operacijska pojačala – strujno pojačalo (2)
Strujno pojačalo sa shuntom Elementi za analizu:
dinamika izlaznog napona
© FER, ZOEM
Mjerna tehnika, 2. tema
20/34
Operacijska pojačala – logaritmirajuće pojačalo
Elementi za analizu:
Samo za jedan polaritet ulaznog napona (>0) UT = kT/q ... naponski ekvivalent temperature (k 1,3810-23 J/K, q 1,610-19 C) ovisnost o temperaturi
U BE I C I S exp UT u I C iul ul R
© FER, ZOEM
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
22/34
Analogna množila
Primjer log-antilog jednokvadrantnog diskretnog množila (UX, UY i UZ moraju biti veći od 0)
© FER, ZOEM
Mjerna tehnika, 2. tema
23/34
Analogna množila
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
Mjerna tehnika, 2. tema
24/34
Analogna množila
Primjer integriranog množila s omjerom struja
© FER, ZOEM
Mjerna tehnika, 2. tema
25/34
Analogna množila
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
Mjerna tehnika, 2. tema
27/34
Analogna množila
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
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
31/34
Komparatori
Utjecaj smetnji otklanja se sklopom s pozitivnom povratnom vezom (tzv. Schmittov okidni sklop)
© FER, ZOEM
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
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
Mjerna tehnika, 2. tema
34/34