23. ISMERKEDÉS A MŰVELETI ERŐSÍTŐKKEL

Átírás

1 23. ISMEKEDÉS A MŰVELETI EŐSÍTŐKKEL Céltűzés: A műveleti erősítők legfontosabb tlajdonságainak megismerése. I. Elméleti áttentés A műveleti erősítők (továbbiakban: ME) nagy feszültségerősítésű tranzisztorokból felépülő különbségerősítők. Az ME-k jele az. ábrán látható. Az áramkör két bemenettel rendelkezik. A jelű bemenet neve egyenes bemenet, ennek feszültségét e - vel jelöljük. A jelű bemenetet fordító bemenetnek nevezzük és a rákapcsolt feszültség jele f. ME-t tartalmazó áramköröknél az összes feszültséget ( be, stb.) egy közös ( 0 V ) vezetékhez viszonyítva adják meg. Ez a vezeték a potenciál viszonyításának nllpontja, melyet gyakran föld -nek is neveznek. Kapcsolási rajzokon a közös vezetéket mindig feltüntetik. A szokásos alkalmazásoknál az erősítőt két tápfeszültséggel táplálják. A közös ( 0 V ) vezetékhez viszonyítva van egy pozitív és egy negatív tápfeszültség, melyek értéke tipiksan ±5 V (l. a 2. ábrán). Elvi kapcsolási rajzokon a tápfeszültségeket nem szokás feltüntetni. A műveleti erősítő alapegyenlete a következő: A ( ), () e f f bemenetek e f. ábra menet ahol A az erősítő nyílthrkú feszültség erősítése. Ennek értéke tipiksan , az ideális ME nyílthrkú erősítése végtelen lenne. Majd látni fogjk, hogy minél nagyobb A értéke, annál jobb erősítők készíthetők vele. A bemeneteken befolyó áram értéke ideális ME-nél nlla lenne, de a reális ME-nél is olyan csi, hogy a legtöbb kapcsolás vizsgálatánál elhanyagolható. e 0 V ", illetve föld" " " 2. ábra. Alapkapcsolások Az erősítőnek kétféle alapkapcsolása van, amit a 3.a és c ábrán mtatnk be. A 3.a ábrán látható kapcsolásnál a fordító bemenet feszültsége: 83

2 β, (2) f 2 ahol β az ún. negatív visszacsatolási együttható, amely azt fejezi, hogy a menő feszültség hányad része jt vissza a fordító bemenetre. [A (2) egyenlet felírásakor feltettük, hogy az erősítő bemenetén befolyó áram elhanyagolható.] Mivel be e, ezért ()-ből és (2)-ből a visszacsatolt egyenes ( nem invertáló ) erősítő erősítése: A e be 2. (3) A β 2 2 be be 3 be 3 a b c 3. ábra Látható, hogy a A β» esetén a visszacsatolt erősítő erősítését gyakorlatilag az és 2 ellenállások határozzák meg. Az /A β mennyiséget általában elhanyagoljk, így: Ae 2. (4) A 3.b ábrán az egyenes erősítő speciális esete látható. Ennél f, ezért ()-ből be A be. (5) Ez az ún. követő erősítő: a menet feszültsége követi a bemenet feszültségét. Bebizonyítható, hogy ennek a kapcsolásnak igen nagy a bemenő ellenállása, ezért pl. feszültségmérő műszerekben jól alkalmazható. A 3.c ábrán látható, ún. fordító ( invertáló ) erősítő kapcsolásnál az előzőhöz hasonló egyszerű gondolatmenettel az 84

3 A f 2 A β összefüggést kapjk. A fordító erősítő a bemenő jel előjelét megfordítja: pozitív bemenő feszültség hatására negatív menő feszültség lép fel. Gyakorlati számításokhoz elegendően pontos az Af 2 összefüggés. (Megjegyezzük: fordító és egyenes erősítőnél az 3 ellenállást úgy célszerű megválasztani, hogy értéke megegyezzen az és 2 párhzamos eredőjével. Ezzel a bemenetekbe folyó csi áram okozta hiba még tovább csökkenthető.) Az () egyenletet átrendezve e (6) (7) f. (8) A Mivel A igen nagy érték, ezért az egyenlet baloldalán álló feszültségek különbsége elhanyagolható az áramkörben mérhető más feszültségekhez ( be, stb.) viszonyítva. A két bemenet feszültsége gyakorlatilag megegyezik. Fordító erősítőnél e 0, ezért f igen jó közelítéssel szintén zérsnak tenthető. Ezt úgy szokták fejezni, hogy a fordító bemenet virtális földpont. A bemeneteken befolyó áramok elhanyagolása és ezeknek az észrevételeknek a felhasználása a ME-ket tartalmazó áramkörök áttentését jelentősen megkönnyítik. 2. Alkalmazások A műveleti erősítők számos érdekes kapcsolás megvalósítását teszik lehetővé. Példaként csak négy kapcsolást mtatnk be. A 4. ábrán egy feszültség összegző kapcsolás látható. Mivel f 0 (virtális földpont), ezért I / és I 2 2 / 2, így, ha 2, akkor 2 -n I I 2 áram folyik, azaz a menő feszültség: I I ( 2 ) 2 ( 2 ) 2. (9) Az 5. ábrán látható kapcsolásnál könnyű belátni, hogy az egyenes bemenet feszültsége az α 4 /( 3 4 ) jelöléssel α 2. A fordító bemenet feszültsége ezzel gyakorlatilag megegyezik, ezért az ellenálláson átfolyó I áram értéke: I f α 2. (0) 85

4 I I I 2 2 I f 0 V (virtális földpont) 3 4. ábra Ezzel a menő feszültség könnyen számítható: 2 I f 2 α 2 ( α 2 ) 2, () amiből 3 és 2 4 esetén az ( 2 ) (2) összefüggést kapjk. Tehát ez a kapcsolás a bemenő feszültségek különbségével arányos jelet állít elő, ezért különbség képző (vagy vonó) kapcsolásnak nevezzük. Ismeretes, hogy egy diódán átfolyó áram és a diódán eső feszültség között I D 5. ábra D I 0 exp (3) összefüggés áll fenn, ahol I 0 a dióda telítési árama, T pedig kt/e. Az 6. ábrán látható kapcsolásnál be D és I D 2. T 86

5 D I D I 2 virtális földpont f 0 be 6. ábra Ha D» T, akkor I D 0 I kt 0 e, így: I I D be exp, (4) tehát az erősítő menő feszültsége exponenciálisan függ a bemenő feszültségtől. A 7. ábrán látható kapcsolásnál hasonló gondolatmenet alapján: T be T ln I 0 ( be > 0). (5) D be 7. ábra Összegzés, logaritmálás és exponenciális képzés alapján pedig tetszés szerinti hatvány, szorzat és hányados is képezhető. 3. eális műveleti erősítők A létező műveleti erősítők nem ideálisak. A nyílthrkú erősítésük véges és a hőmérséklet, továbbá a tápfeszültség függvénye. A megengedhető maximális teljesítményük mw közé esik, míg a meneten folyó áram maximális értéke 0-20 ma. A bipoláris 87

6 (hagyományos) tranzisztorokból felépülő ME bemenetén 0-00 na nagyságrendű bemenő áram folyik, és az () egyenlet helyett az A ( ) (6) e f offs összefüggés írja le az erősítést. offs az ún. offset feszültség, ami a gyártási hibák következménye. Előjele példányonként változó, értéke általában nem haladja meg az 5 mv-ot. A műveleti erősítők maximális menő feszültsége megközelíti a tápfeszültséget, de annál általában 2-3 V-tal sebb. II. A mérés menete A műveleti erősítő egy kapcsolótáblán található. A kapcsolások összeállítása előtt győződjön meg arról, hogy a tápegység van-e kapcsolva, majd a mérőtábla t, t és föld jelzésű pontjait kösse össze a tápfeszültséggel. Az egyes kapcsolások összeállításához szükséges alkatrészek szabványos banándgós csatlakozókkal kapcsolhatók a mérőtáblához.. Az egyenes és a fordító erősítők ( be ) függvényének, az ún. transzfer (átviteli) karakterisztikának a vizsgálatánál legalább 5 ponton mérjen! 2. Az összegző erősítőnél két vagy több bemenő feszültség van. A bemeneti feszültségeket úgy válassza meg, hogy a mérési pontok a változók síkján lehetőleg egyenletesen helyezkedjenek el. Az eredmények grafiks szemléltetésénél -t ábrázolja be, be,2 függvényében. 3. Logaritmiks és exponenciális erősítő mérésénél a bemenő feszültség értékét úgy célszerű változtatni, hogy a meneti feszültség értéke közelítőleg egyenletesen változzon. Az eredményeket - ln( be ), illetve - exp( be ) diagramon érdemes szemléltetni. 4. Az offset feszültséget és a bemeneti áramokat a 8. ábrán látható kapcsolások segítségével mérje. Az 8.a ábrán szereplő kapcsolásnál a menő feszültség az offset feszültség miatt nem nlla, hanem éppen offs. A 8.b ábrán látható kapcsolás menő feszültsége offs I be, f 2, míg a 8.c ábránál offs I be, e 3. Ez a három adat jellemző az erősítőre. A két bemenő áram különbsége az offset áram. A (6) egyenlet segítségével könnyű belátni, hogy a 8. ábrán szereplő kapcsolásoknál és, offs, (7) I f,2 2 offs, (8) továbbá 88

7 I e offs,3. (9) 3 2 MΩ,,2 3 MΩ,3 a b c 8. ábra 5. A nyílthrkú erősítés mérése nem egyszerű feladat az erősítés igen nagy értéke, stabilitása és az offszetfeszültség jelenléte miatt. A műveleti erősítő működését leíró () összefüggés [ A ( e f )] alapján az A nyílthrkú erősítés elvileg egyszerűen mérhető lenne e f beállításával, majd mérésével. Mivel azonban nem haladhatja meg a tápfeszültség tipiksan 5 V értékét, A pedig 0 5 nagyságrendű, így e f lényegesen mv alatt marad, és az erősítő is igen instabilan működik a visszacsatolás hiányában. 2 be I 3 ( N ) I 2 N /A 9. ábra A nyílthrkú erősítés méréséhez a 9. ábrán látható kapcsolást használjk. Ezt egy egyszerű invertáló erősítő kapcsolás módosításával kaptk oly módon, hogy a fordító bemenetre jtó feszültséget egy ellenállásosztóval nagymértékben lecsökkentettük. Mivel a műveleti erősítőt leíró összefüggés szerint az invertáló bemeneten /A feszültség jelenik meg (az egyenes bemeneten gyanis 0 V van), így N» és N» 2 esetén az és 2 ellenállások csatlakozási pontján az (N ) és ellenállásosztó jelenléte miatt N /A mérhető, ami olyan hatású, mintha az A nyílthúrkú erősítést N-ed részére csökkentettük volna egy normál erősítőkapcsolásnál. be és összefüggésének számolása tán adódik, hogy a nyílthúrkú erősítés az alábbi képlettel adható meg: 89

8 A N ( 2 ). (20) be 2 Időben állandó, DC jelekkel mindenképpen nehéz az A nyílthúrkú erősítés mérése az offszetfeszültség és az offszetáram jelenléte miatt, mivel az ezek által okozott hiba sajnos N-szeresére növekszik a fenti kapcsolásnál. Ezeknek a paramétereknek a hatása csökkenthető, ha a méréshez AC jeleket használnk, vagy a mérést több bemenő egyenfeszültség mellett végezzük el. AC jelek esetén a (20) összefüggésben és be helyére a periodiks jelek amplitúdóit helyettesítjük be, míg a másik esetben az erősítést az ( be ) karakterisztikából határozhatjk meg úgy, hogy a görbe meredekségének értékét írjk / be helyére a (20) összefüggésben. Feladatok:. Készítsen a) -szeres erősítésű erősítőt (l. 3.a ábra), legyen 0 kω, 2 értékét számítsa ; b) 5,6-szoros erősítésű (fordító) erősítőt (l. 3.b ábra), legyen 0 kω, 2 értékét határozza meg! Legalább 5 mérési pont felhasználásával ábrázolja az ( be ) függvényt! be értéke legyen a 2 V < be < 2 V tartományban. Határozza meg azt a tartományt, amelyben a kapcsolás erősítőként használható. Ebben a tartományban határozza meg az erősítést! 2. Készítsen -szeres erősítésű összegző (l. 4. ábra), illetve ( )-szeres erősítésű különbségképző erősítőt (l. 5. ábra) és mérje meg az ( be,, be,2 ) függvényt! Legyen 2 22 kω, a többi ellenállás értékét számítsa! Mindkét esetben legalább 25 mérést végezzen! értékét be, be,2, illetve be, be,2 függvényében ábrázolja! 3. Készítsen exponenciális és logaritmiks erősítőt (l. 6., illetve 7. ábra), és vegye fel a karakterisztikáját! Ábrázolja a mért értékeket és a linearizált karakterisztikákat is! 4. Határozza meg az erősítőt jellemző bemenőáramokat és az offset feszültséget. 5. Állítsa össze a ME erősítésének méréséhez szükséges kapcsolást, és határozza meg az erősítő nyílthrkú erősítését! Legalább 0 be értéknél végezzen mérést! Kérdések:. Mi határozza meg a ME-vel felépített áramkörök pontosságát? 2. Mikor igaz és miért az, hogy a ME két bemenete között a feszültségkülönbség elhanyagolhatóan csi? 90

9 3. Mit nevezünk virtális föld -nek? 4. Hogyan lehetne szorzó kapcsolást csinálni ME-vel? 5. Lehet-e osztó kapcsolást csinálni ME-vel? Ajánlott irodalom:. Török M.: Elektronika, JATEPress, Szeged, Herpy M.: Analóg integrált áramkörök, Műsza Kiadó, Bdapest,