Az ideális feszültségerősítő ELEKTRONIKA 2

Átírás

1 Az ideális feszültségerősítő ELEKTONIKA

2 Erősítők: Erősítőknek nevezzük azokat az áramköröket amelyek: Nagyobb teljesítményt képesek a kimeneti áramkörben szolgáltatni mind amennyit a bemeneti jelforrástól fogyasztanak. A kimeneti feszültség illetve áram értéke arányos a bemeneti feszültség illetve áram értékével.

3 Teljesítményerősítés: Jelfőrás p1 Erősítő tápegység p Terhelés pu i teljesítményerősítést feszültség és/vagy áramerősítés által lehet elérni. a P p p 1 u u 1 i i 1 u u 1 i i 1 i u 1 u i (1) () (3) (4) 1 3

4 Erősítők osztályozása: (1) () (3) (4) Feszültség erősítők Au/ feszültségerősítési tényező Áramerősítők AiIki/ Ibe áramerősítési tényező Transzkonduktancia erősítők GTIki/ transzkonduktancia Transzimpedancia erősítők ZT/ Ibe transzimpedancia 4

5 Példa (1.1) I1 I jelforrás U1 erősítő U terhelés U1 1V@1kHz I1 1mA I ma U 10V Au? Ai? GT? ZT? Au10 Au[dB]0dB Ai Ai[dB] 6dB GT ma/vms ZT 10V/mA10kΩ 5

6 Megjegyzés Honnan tudhatjuk hogy egy erősítő milyen típusú? Erősítő típus be ki Feszültség erősítő Áram erősítő nagy kicsi kicsi nagy A bemeneti és kimeneti ellenállások értékéből! Transz konduktancia Transz impedancia nagy kicsi nagy kicsi 6

7 Megjegyzés Kérdés: Mikor nagy egy ellenállás? Mikor kicsi? Válasz: A bemeneti ellenállásta jelgenerátor belsőellenállásához viszonyítjuk. A kimeneti ellenállást a terhelő ellenálláshoz viszonyítjuk. 7

8 Feszültségerősítők legfőbb jellemzői A jelforrást nem terhelik a bemeneti ellenállásúk nagy. A kimeneti feszültség a terheléstől nagymértékben független a kimeneti ellenállásúk kicsi. A feszültségerősítési tényezőjük állandó egy adott frekvencia sávban. 8

9 Erősítők osztályozása az erősítet sáv függvényében Egyenáramú erősítők (0 1 khz) Hangfrekvenciás erősítők (0 Hz 0 khz) Videó frekvenciás erősítők (0 10 MHz) ádiófrekvenciás erősítők (10 MHz 10 GHz) - más szempontból - Szélessávú erősítők Keskenysávú (hangolt) erősítők 9

10 Ideális feszültségerősítő modell A jelforrást egyáltalán nem terhelik a bemeneti ellenállás végtelen. A kimeneti feszültség a terheléstől teljesen független a kimeneti ellenállás nulla. A feszültségerősítési tényező a frekvenciától független. 10

11 Ideális feszültségerősítő modell a a A modell feszültségvezérelt feszültségforrás. 11

12 Ideális feszültségerősítő rajzjel a modell a a rajzjel 1

13 Megjegyzések Ideális feszültségerősítő nem létezik. Ettől eltekintve az ideális erősítő modell egy nagyon gyakran alkalmazott eszköz az elektronikus áramkörök elemzésében. A be és kimeneti ellenállásokkal kiegészítve bármilyen típusú erősítő modellezésére alkalmas. 13

14 Példa (1..) I1 jelforrás U1 erősítő U U1 1V@1kHz I1 1mA U 1V@ U 10V@1kΩ Au? be? ki? 14

15 Az üresjárásierősítési tényező meghatározása I1 be ki jelforrás U1 a U U1 1V@1kHz U 1V@ U a U1 1 V a 1V a 1 15

16 A bemenő ellenállás meghatározása I1 be jelforrás U1 U1 I1 1mA beu1/i1 be1v/1ma1kω 16

17 A kimenő ellenállás meghatározása ki a U1 U U1 1V U 10V@1kΩ a1 U a U U ki 1 ki a ki U ( 1, 1) 0,kΩ 00Ω ki 17

18 Helyettesítőképek 1kΩ 00Ω 1 1kΩ 1 00Ω 18

19 Bemenő ellenállás mérése A mérést az adott erősítőre jellemző frekvencián végezzük! Ibe jelforrás erősítő be Ibe 19

20 Az erősítési tényező mérése A mérést az adott erősítőre jellemző frekvencián végezzük! jelforrás erősítő a 0

21 A kimenő ellenállás mérése A mérést az adott erősítőre jellemző frekvencián végezzük! Iki jelforrás erősítő ki a Iki 1

22 Példa (1.3) jelforrás U1 erősítő U a40db be 10kΩ ki 100Ω 1kΩ A jelforrás üres járási feszültsége: U0500mV A jelforrás belső ellenállása: a). 01kΩ; b). 010kΩ; c). 0100kΩ U?

23 Megoldás 3 be a ki U1 U 0 U , , ) log( 40 ) 0 log( U be be U U U U a ki U a a a V U c V U b V U a U U ) ) )

24 A műveleti erősítő (Op-Amp) A műveleti erősítő egy ideális feszültségerősítő legsikeresebb gyakorlati megközelítése. Kétségtelenül a legnépszerűbb analóg integrált áramkör. Műveleti erősítőnek eredetileg az analóg számítógépekben a számítási műveletek végzéséhez használt erősítőket nevezték. 4

25 ÖSSZEFOGLALÁS A műveleti erősítő egy (közel) ideális feszültségerősítő. Egy vagy két tápfeszültséggel lehet táplálni. Egy tápforrás esetén ennek a negatív pólusa lesz az alap értelmezet nulla potenciálú pont (test, GND). Két tápforrás esetén az alap értelmezet nulla potenciálú pont ezeknek a közös pontja lesz. 5

26 AJZJEL ÉS KIVEZETÉSEK V Pozitív tápfeszültség Nem-fázisfordító bemenet Fázisfordító bemenet Kimenet -V Negatív tápfeszültség 6

27 A KIMENETMÁSODIK PÓLUSA (1) Iki, ha pozitív - V Iki, ha negatív 0V - -V A bemenet előfeszítése nem szükséges!!! 7

28 A KIMENETMÁSODIK PÓLUSA () V - 0V Az erősítő kizárólag pozitív bemeneti feszültségekre reagál. A bemenet előfeszítése szükséges!!! 8

29 AZIDEÁLIS MŰVELETI EŐSÍTŐ (1) a a 9

30 AZIDEÁLIS MŰVELETI EŐSÍTŐ () Az ideális műveleti erősítő egy aszimmetrikus kimenetű ideális feszültségerősítő amelynek a feszültségerősítési tényezője végtelenül nagy. Ideális OpAmp bevégtelen ki 0 a" végtelen Valódi OpAmp begigaohm nagyságrendű kitíz -száz ohmos nagyságrendű a százezres nagyságrendű 30

31 AZIDEÁLIS MŰVELETI EŐSÍTŐ (3) a a (Up-Un) Up Un Ha Un 0 akkor a Up Ha Uppozitív akkor is pozitív, ezért a () nem-invertáló bemenet Ha Up 0 akkor -a Un Ha Un pozitív akkor negatív, ezért a (-) invertáló bemenet 31

32 VISSZACSATOLÁS A végtelen nyílthurkú erősítéskövetkeztében a műveleti erősítő használhatatlan. A negatív visszacsatolást alkalmazzuk az erősítési tényező tetszőleges bealítására. Visszacsatolás a kimeneti jel egy részét a bemenetre kapcsoljuk vissza. Negatív a visszacsatolás ha a visszacsatolt jel az eredeti bemeneti jelet csökkenti. 3

33 TELJES MÉTÉKŰ VISZACSATOLÁS a a (Up-Un) Up Un a (Up-) (1a) a Up a 1a a Up / Up A 1 a nyílthurkú erősítési tényező A zárthurkú erősítési tényező 33

34 Nem erősít de mégis 0 U0 U 0 < U 0 0 jelgenerátor terhelés 0 U0 U1 terhelés U 0 jelgenerátor 34

35 MEGJEGYZÉS A teljes mértékű feszültség visszacsatolásos műveleti erősítő segítségével, bármekkora belső ellenállású feszültségforrásból egy ideális feszültségforrást csinálhatunk. 0 U0 U1 U0 U0 jelgenerátor 35

36 VISZACSATOLÁS FESZÜLTSÉGOSZTÓVAL 36 1 Uvi ) (1 1 ) ( A k k a k a a A a k a k Uvi Uvi a

37 FONTOS MEGJEGYZÉS () Uvi Mivel a mindig azonos polaritású a bemeneti feszültséggel ezt a kapcsolást nem-invertálóvagy nem-fázisforgató erősítőnek nevezik. 37

38 INVETÁLÓ (FÁZISFOGATÓ) EŐSÍTŐ (1) Uvi 1 1 nem-invertáló erősítő Invertáló erősítő 38

39 INVETÁLÓ (FÁZISFOGATÓ) EŐSÍTŐ () eális test pont 1 Virtuális test pont A nem-invertáló bemenet a testhez van kötve: Vp 0V A viszacsatolás következtében: Vp Vn Következés képen: Vn 0V (virtuális test) 39

40 INVETÁLÓ (FÁZISFOGATÓ) EŐSÍTŐ (3) 1 1 I I1 I1 I A 1 40

41 FONTOS MEGJEGYZÉS 1 1 I I1 A fázisfordítőkapcsolás nem egy ideális feszültség erősítő: A bemeneti ellenállás nem végtelen hanem -vel egyenlő. 41

42 4. Példa Adja meg egy olyan műveleti erősítőkkel megvalósított erősítő kapcsolási rajzát amelynek az erősítése -5 és a bemeneti ellenállása végtelen. 1 A

43 Mégis mekkorák legyenek az ellenállások? Elméletileg: Az egyik szabadon választható a másik az 1A feltétel alapján kiszámítható. Gyakorlati szempontok: az első erősítő kimenetét terheli ezért nem kell túlságosan kicsinek lennie. Legyen ez az ellenállás minimum 1kΩ. Minél nagyobb egy ellenállás annál nagyobb termikus zajt produkál. Ezért egyik ellenállás se legyen 1MΩ-nál nagyobb. 43

44 5. Példa 1V és 1kΩ Mekkora az 1 ellenálláson átfolyó áram értéke. 1 I1 44

45 MEGOLDÁS: Az invertáló bemenet virtuális testpont 1 1 I1 I I1 0 I I1 I I1 1mA 1V 1kΩ 1mA 45

46 6. Példa Adja meg a kimeneti feszültség kifejezését a bemeneti feszültség függvényében

47 MEGOLDÁS: 1 0 A visszacsatolás miatt a két bemenet potenciálja azonos!!! 1 U1 I1 I1 47

48 Meglepetés: a kimeneti feszültséget 0 és nem befolyásolják. U1 U1 I1 1 I1 1 1 I1 1 U1 I1 48

49 FONTOS MEGJEGYZÉS Valós OpAmp Ideális OpAmp Kimeneti ellenállás 1 0 A visszacsatoló (1) ellenállás nélkül a kimeneti feszültség függ a kimeneti (0) és a terhelő ellenállás () értékétől. Feszültségvisszacsatolás alkalmazása esetén ezek az ellenállások a kimeneti feszültséget nem befolyásolják. 49

50 Összeadó áramkör(1) Több feszültség súlyozott összeadására a fázisfordító kapcsolást használjuk. U1 U U Virtuális test pont 0V! A szuperpozíció elv alapján U1 4 1 U Ha 134 akkor: U 3 3 ( U1 U U3) 50

51 Összeadó áramkör() 1 V -V P A fázisfordító összeadót nagy nullponteltolási tartományú erősítőként is használhatjuk, ha a jelfeszültséghez egyenfeszültséget adunk. 51

52 7. Példa 0.1 sin(π 1000 t) Vdc 5V 1 11kΩ 10kΩ Vdc 3 310kΩ ajzolja fel a kimeneti jel alakját (időfüggvényét). 5

53 Megoldás(1) A szuperpozíció elv alapján: Vdc π 3 Vdc 3 (5 sin( 1000t)) 53

54 Megoldás() -5V -4V 1V -6V ( 5 sin(π1000t )) 54

55 Különbségképző áramkör U1 1 U A szuperpozíció elv alapján 1 U1 U 1 1 Ha: >> 1 1 U1 U 1 Hátrány: A két bemenet nem szimmetrikus. ( ) 55

56 Szimmetrikus bemenetű különbségképző áramkör A szuperpozíció elv alapján U U U1 U 1 1 ( U1 U ) 56

57 A differenciális erősítési tényező U 1 1 ( U1 U ) U1 1 A D 1 57

58 A közös módú bemeneti jel UKM 1 1 A differenciális erősítők akkor jók ha a közös módú jelt nem erősítik. 58

59 A közös módú erősítési tényező UKM Vp Vn KM KM KM KM KM KM KM KM U U U U Vn U U U U U I Vp Vn U Vp 0 A KM U

60 A közös módú elnyomás A A D KM 1 0 KME A A D KM A valóságban nem lehet végtelen közös módú elnyomást elérni mert a közös módú erősítés nem lehet zérus. (Miért???) 60

61 Nagy bemeneti ellenállású differenciál erősítő U1 U U4 3 4 U 61

62 Differenciál erősítés (1) U1 U1 1 U I U3 U1 U I 1 U3 U1 I U 4 U I U3 U 4 1 ( U1 U ) 1 U U4 6

63 Differenciál erősítés () Az első fokozat differenciál erősítése A második fokozat differenciál erősítése Differenciál erősítés

64 Közös módú erősítés (1) U U 1 U U I U3 U4 I U U3 4 0 U U KM KM Az első fokozat a közös módú jelet erősítés nélkül átviszi mindkét kimenetére 64

65 Közös módú erősítés () 4 UKM 3 UKM A második fokozat közös módban van kivezérelve és mivel a közös módú erősítési tényezője nulla, a kimeneti jel is nulla. 65