Műveleti erősítő fontosabb jellemzői

Átírás

1 Műveleti erősítővel felépített egyszerű áramkörök A következő témakörünk a műveleti erősítő 1 alapfogalmai és alapkapcsolásai. A műveleti erősítő a gyengeáramú analóg technika legfontosabb építőeleme. Az elméleti órán tanultak alapján megállapítható, hogy tranzisztoros erősítőket méretezni nem könnyű feladat, ráadásul az erősítő jellemzőibe rendre beleszólnak a tranzisztor különböző paraméterei, amelyek nagy gyártási szórással rendelkeznek. Az integrált technika fejlődése folyamán alakultak ki a műveleti erősítők, amelyek ahogy nevük is utal rá, az erősítés mellett különböző matematikai műveletek elvégzésére is alkalmasak. Integrált kivitelben mindig sokkal jobb paraméterekkel rendelkező áramkört tudunk létrehozni, mint diszkrét kivitelben. A továbbiakban megvizsgáljuk, hogy ezek a jellemzők milyen tartományba esnek. Műveleti erősítő fontosabb jellemzői NINV INV + - +Ut OUT -Ut 1. ábra: A műveleti erősítő rajzjele Az 1. ábrán láthatjuk a műveleti erősítő rajzjelét. Szimmetrikus bemenettel és aszimmetrikus kimenettel rendelkezik az áramköri elem. Az áramkör olyan belső kialakítással rendelkezik, ami a bemenetein feszültségegyezésre való törekvésre serkenti 2. A rajzjelben + jelölést kap a neminvertáló, míg jelölést az invertáló bemenet. Áramköri rajzokban nem írjuk oda, hogy melyik láb melyik (NINV, INV, OUT), mert az ábra egyértelmű. A táplábakat a legtöbb esetben szintén nem jelöljük, hogy egyszerűbb kapcsolási rajzokat kapjunk. A 741 belső felépítését mutatja a 2. és a 3. ábra. A két áramkör ugyanazt a funkciót látja el (paramétereikben megegyeznek), az LM a National Semiconductorra, a μa a Fairchildre utal, mint gyártó 3. 1 A műveleti erősítőt a szakirodalom az angol megnevezés (Operational Amplifier) rövidítéséből gyakran Opampnak nevezi. 2 A két láb között működés közben U ki A 0 mérhető. 3 A National Semiconductor műveleti erősítője a 101 volt, míg a Fairchildé a 741. Mindkét alkatrészt a '60-as évek végén mutatták be. Közülük a 741 lett a műveleti erősítők közül a legismertebb típus, ezért később a National is ráállt a gyártására. Még ma is sok áramkör alapelemeként találkozunk a 741 típusú műveleti erősítővel. (A mérnökök nehezen állnak át új típusokra. Jó példa erre, hogy a legtöbb kapcsolásban általános célú tranzisztorként még mindig a BC182 és BC212 típusokkal találkozunk, míg a BC337 és BC327 típusok sokkal jobb ár/érték aránnyal rendelkeznek.) 1/14

2 2. ábra: LM741 típusú műveleti erősítő belső felépítése 3. ábra: μa741 belső felépítése 2/14

3 Miután az elméleti ismereteink még hiányosak a témából, ezért a műveleti erősítő működésének elemzéséhez a 4. ábrán látható modellt alkalmazzuk. U OFF R be Au 0 U 0 R ki A legtöbb áramkör vizsgálatához, elemzéséhez, megértéséhez elég, ha a következőkben megadott jellemzők 4 valós és ideális értékét ismerjük. Jellemző Jelölés Ideális érték Valós érték Offset feszültség U OFF 0 mv; μv Bementi ellenállás R be MΩ; TΩ 5 Bemeneti bias (nyugalmi) áram I beo 0 na; pa Bemeneti offset áram 6 I beb 0 na; pa Kimeneti ellenállás R ki Ω 7 Átvitel (nyílt hurokban) A u μa741 legfontosabb paraméterei: Jellemző Minimum Tipikus Maximum Offset feszültség 1 mv 5 mv Bemeneti bias áram 80 na 500 na Bemeneti ellenállás 300 kω 2 MΩ Kimeneti ellenállás 75 Ω Átvitel (100 db) Kimeneti rövidzárási áram 4. ábra: Műveleti erősítő helyettesítő képe 10 ma 25 ma 40 ma 4 Az elméleti órán ezeken kívül még más paraméterek tárgyalására is sor fog kerülni. 5 Bipoláris tranzisztoros bemenet esetén általában ez az érték néhány MΩ, míg FET-es bemenet esetén néhány TΩ (pl. TL071: 1TΩ). 6 Megfelelő kapcsolási elrendezéssel az értéke kikompenzálható. 7 Visszacsatolt esetben a kimeneti ellenállás mω nagyságrendre csökken. 3/14

4 Általánosságban elmondható, hogy a visszacsatolás mindig az invertáló lábra kerül 8, míg ha a bemenet a neminvertáló lábra csatlakozik, akkor a jel nem kerül meginvertálásra, ellenkező esetben (ha a bemenetet az invertáló lábra kötjük), akkor a kimeneti jel a bemenetinek az invertáltja lesz. Fontos tisztáznunk, hogy a megadott nagyon jó paramétereket csak DC, ill néhány Hz-es tartományban tudjuk biztosítani. A frekvencia növelésével jellemzőink erősen romlanak. A 5. ábrán láthatjuk a feszültségátvitel változását a frekvencia függvényében (az ábra jobb felső sarkában a teszt kondíció látható, vagyis azok a paraméterek, amelyek mellett a karakterisztikát a gyártó felvette). A jelleggörbe egy törésponttal rendelkezik 5 Hz-nél. A meredeksége 20 db / D. Ebből könnyen kiszámítható a maximális átvitel egy adott frekvenciára (5 Hz ; 50 Hz 20000; 1 khz 1000; 1 MHz 1). Az ábrából látható, hogy az f Au=állandó feltétel 5 Hz felett teljesül. 5. ábra: Az átvitel frekvenciafüggése Számoljuk ki egy adott frekvenciára a maximális átvitelt! Legyen a választott frekvenciánk 15 khz! A biztonság kedvéért mindig a gyártó által minimálisan garantált értékkel célszerű számolni (5Hz ). f 1 Au 1 =f 2 Au 2 5Hz =15kHz Au 2 Au 2 = 5Hz =33,33 15kHz Láthatjuk, hogy 15 khz-en az átvitel jelentősen lecsökken. Ezen a frekvencián mindössze 33,33-szoros erősítő építhető. Amennyiben ennél nagyobb erősítésre van szükségünk, akkor jobb paraméterekkel rendelkező műveleti erősítőre van szükség. 8 A negatív visszacsatoláshoz az szükséges, hogy a visszacsatolás az invertáló lábra kerüljön, ill. ha mindkét lábra csatolunk vissza jelet, akkor az invertáló lábra kerülőnek kell a dominánsnak lennie. 4/14

5 Tokozás 7. ábra: Nagy teljesítményű műveleti erősítő tokozása 6. ábra: LM741 típusú műveleti erősítő tokozása Műveleti erősítőket többféle tokozásban is árulnak. A leggyakoribb kivitel a DIL (Dual In Line) tokozás, de nagyobb áramok esetén a gyártónak fémtokos kivitelt kell alkalmaznia. Az egyes lábak elhelyezkedéséről mindig az adott típus adatlapja tájékoztat minket. Mi a gyakorlaton a 741 típusú műveleti erősítőt fogjuk használni (tokozáshoz l. 6. ábra). A PDIP plasztik, vagyis műanyag, míg a CDIP kerámia tokra utal a kerámia jobb légmentességet biztosít, ill. jobban véd a nedvesség ellen is. Vannak speciális, nagy teljesítményű műveleti erősítők is (tokozáshoz l. 7. ábra). Fontos, hogy mind a tokozás, mind a jellemzők értékének meghatározásához tanulmányozzuk az adott műveleti erősítő adatlapját! A 8. ábrán a Fairchild által gyártott μa741 tokozásait láthatjuk. 8. ábra: ua741 típusú műveleti erősítő tokozása 5/14

6 Feszültségkövető alapkapcsolás A feszültségkövető alapkapcsolás a műveleti erősítővel felépített áramkörök legegyszerűbb formája. A 9. ábrán láthatjuk a kapcsolás megvalósítását. A kapcsolás elemzéséhez kihasználjuk, hogy a műveleti erősítő a bemenetein azonos potenciálra törekszik. Ebből az következik, hogy miután a neminvertáló láb és a föld között a bemeneti feszültség mérhető, ezért az invertáló láb és a föld között is ugyanezt az értéket kell tapasztalnunk. Az invertáló láb össze van kötve a műveleti erősítő kimenetével, tehát itt is a bemeneti feszültség jelenik meg. Ebből az következik, hogy a kimeneti és a bemeneti feszültségünk megegyezik, az átvitel 9. ábra: Feszültségkövető alapkapcsolás egyszeres. U be =U ki ; A U = U ki U be =1. A műveleti erősítő ellenőrzése 10. ábra: Műveleti erősítő ellenőrzése A műveleti erősítő működőképességéről úgy tudunk meggyőződni, ha lemérjük az offsetfeszültségét. A 10. ábrán látható feszültségkövető kapcsolásban miután a bemeneti pont földön van, a kimenetnek is földön kell lennie egy ideális műveleti erősítő esetén. Egy valóságos erősítőnél a földhöz képesti eltérés pont az offsetfeszültség 9. Gyakori hiba itt is, és a többi erősítő áramkörnél, hogy tápfeszültség nélkül próbálunk méréseket végezni. Fontos, hogy megértsük, egyetlen erősítő sem működik tápfeszültség nélkül, és egyetlen erősítő kimeneti jele sem lépheti át a tápfeszültséget 10! 9 A mérőirány ellentétes azzal, amit általában az offsetfeszültségre felveszünk, azonban fontos tisztázni, hogy a feszültség előjele számunkra lényegtelen, csak az értéke fontos (741 5 mv). 10 Műveleti erősítők esetén ez az érték tápfeszültség V. Ez a komplementer erősítőfokozat U CEmin feszültsége miatt van. CMOS-os kivitel esetén a műveleti erősítő ún. rail to rail kimenettel rendelkezik, vagyis képes táptóltápig változtatni a kimeneti feszültségét. 6/14

7 Feszültségkövető áramkör felhasználása 11. ábra: Feszültségosztó A 11. ábrán látható feszültségosztóra terheletlen esetben az U ki =U be R2 képlet adódik 11. Terhelt esetben az R2+R1 R2 X Rt U ki =U be -ra módosul a képlet. Számoljunk 12V-os R2 X Rt+R1 bemeneti feszültséggel és azonos ellenállásértékekkel (pl. 10 kω)! Ekkor a leosztott feszültség terheletlen esetben 6 V, míg a terhelés beiktatása esetén ez a feszültség lecsökken 4 V-ra. Ahhoz, hogy terhelt esetben is a leosztani kívánt feszültséget tudjuk tartani kell egy négypólus a feszültségosztó és a terhelés közé, amely megoldja a problémát. A négypólussal szemben támasztott követelmény, hogy végtelen nagy bemeneti ellenállással (terheletlenség) és nulla kimeneti ellenállással (feszültséggenerátoros meghajtás) rendelkezzen. Ez az áramköri jellemzés ráillik a műveleti erősítőre. Ha felhasználjuk az előzőleg már megismert követő kapcsolást, akkor a problémánk megoldódik (12. ábra). 12. ábra: Feszültségkövető áramkör alkalmazása Az R1 és R2 ellenállások itt is feszültségosztót alkotnak. A műveleti erősítő a leosztott feszültségre végtelen nagy ellenállással csatlakozik, így az osztó terheletlennek tekinthető. Az erősítő feszültséggenerátoros kimenete ideális az R3 meghajtásához. Mivel az erősítő offsetfeszültségét nullának tekinthetjük, az invertáló lábon is megjelenik az osztó feszültsége. Az erősítő kimenete össze van kötve az invertáló lábbal. A leosztott feszültség tehát egy az egyben megjelenik a terhelésen (U ki = U R2 = 7,5 V). Az itt felvázolt elv nem csak feszültségosztók esetén működik, hanem bármilyen áramkör (pl. Zeneres feszültségstabilizátor, referenciák) terheletlenné tételében segíthet nekünk. A szabályozástechnikában nagyon fontos a követő kapcsolás, hiszen segít egy adott jellemzőt a megadott referencia értéken tartani. 11 Feszültségosztás törvénye. 7/14

8 Neminvertáló alapkapcsolás 13. ábra: Neminvertáló alapkapcsolás A 13. ábrán láthatjuk a műveleti erősítővel felépített neminvertáló erősítőt. A neve arra utal, hogy a kimeneti és a bemeneti jel egymással fázisban van, vagyis a kimeneti jel nem invertáltja a bemenetinek. A bementi jel a neminvertáló lábra csatlakozik közvetlenül, aminek az a következménye, hogy ugyanez a jel megjelenik az invertáló lábon is. A bementi feszültség az R1-es ellenálláson esik, míg a kimenti feszültség az R2 és R1 soros eredőjén. A műveleti erősítőt idealizálva kapjuk a 14. ábrán látható elrendezést. Az R2 és R1 ellenállások feszültségosztót alkotnak. Miután a műveleti erősítőbe befolyó áram nulla, ezért az osztó terheletlennek vehető. Az átvitel a következőképpen számítható: 14. ábra: Idealizált neminvertáló erősítő A U = U ki = I (R1+R2), U be I R1 A U = R1+R2 =1+ R2 R1. R1 A 13. ábrán látható értékekkel az átvitel: 2. Az erősítő bemeneti ellenállása jó közelítéssel a műveleti erősítő bemeneti ellenállásával egyezik meg. Kimeneti ellenállása a feszültség visszacsatolás miatt nullának tekinthető. 12 A neminvertáló alapkapcsolás nagyon fontos eleme az elektronikának, bár sok esetben valamilyen kiegészítéssel alkalmazzák, mint azt a későbbiekben majd látni fogjuk. Fontos tisztázni, hogy egy neminvertáló erősítővel nem tudunk aktív osztót építeni, vagyis az erősítés mindig nagyobb, mint A gyakorlatban nem is a kimeneti ellenállást célszerű vizsgálni az ilyen áramköröknél, hanem az áramkorlátot megvalósító elektronikát. Ez adja a maximális kimeneti áramot (katalógusadat) és ez határozza meg az áramkör kimenetét. 13 Egynél kisebb erősítés úgy állítható be, ha a 12. ábrán látható feszültségkövető kapcsolást alkalmazzuk (ebben az esetben be tudjuk állítani az osztóval a kívánt feszültségosztást). Ha kell a követő helyett használhatunk neminvertáló alapkapcsolást, így a leosztott jelet ez a fokozat felerősíti. Problémát jelent azonban, hogy az osztó ellenállásai határozzák meg a bementi ellenállást és nem a műveleti erősítő (a bemeneti ellenállás az osztó két ellenállásának soros eredője lesz). 8/14

9 Invertáló alapkapcsolás 15. ábra: Invertáló alapkapcsolás A 15. ábrán az invertáló alapkapcsolást ábrázoltuk. A bemenet az invertáló lábra csatlakozik, vagyis a kimenet 180º-os fáziskésésben lesz a bemenethez képest. A működés megértéséhez tanulmányozzuk a 16. ábrát! Miután az offsetfeszültséget nullának tekintjük, a műveleti erősítő invertáló lábán kialakul egy virtuális földpont. Ebből következően a bemeneti feszültség az R1 ellenálláson esik. Ha befolyatunk az erősítőbe egy I áramot (feltételezve, hogy az U be pozitív előjelű), azt tapasztaljuk, hogy a műveleti erősítő felé nem folyik el áram (az ő nagy bemeneti ellenállása miatt), vagyis ez a teljes I áram átfolyik az R2-es ellenálláson. A műveleti erősítő kimenete ekkor sink típusú, vagyis elnyeli az áramot 14. A kimeneti feszültség az I áramiránnyal ellentétes. Az átvitel a következőképpen írható fel: A U = U ki = I R2 R2 =. Esetünkben az átvitel U be I R1 R1-10 (az előjel a 180º-os fáziskésésre utal). A kapcsolás bemeneti ellenállás R1-el egyezik meg, ami jelentősen kisebb, mint a neminvertáló erősítő bemeneti ellenállása. Az invertáló erősítővel mind erősítő, mind aktív osztó egyszerűen építhető, az átvitel mindössze két ellenállás arányának függvénye. 16. ábra: Invertáló erősítő működésének magyarázata 14 Negatív U be esetén az áramirányok ellentétesek, vagyis a műveleti erősítőnek load típusú kimenetet kell biztosítania, ekkor az erősítő a pozitív tápból dolgozik (sink típusú kimenet esetén a negatív tápból fedezzük a működéshez szükséges energiát). 9/14

10 Melléklet A következőekben megvizsgáljuk, hogyan kell megépíteni breadboardon a tanult áramköröket. Ne feledjük el, hogy a tápsínek vízszintesen, míg a többi pont oszlopszerűen van összekötve egy csomópontnak, a középen lévő vájat pedig kettévágja a breadboardot. Miután a breadboardon többféleképpen is össze lehet rakni egy áramkört, megpróbálunk többféle építkezési struktúrát bemutatni. Az IC lábkiosztásához tanulmányozzuk a Tokozás fejezetet! +U T GND -U T ábra: Műveleti erősítő ellenőrzése feszültségkövető alapkapcsolásban A 17. ábrán láthatjuk, hogyan kell a műveleti erősítőt ellenőrizni. Először a tápokat csatlakoztatjuk a breradboardhoz, IC és egyéb vezetékezés nélkül. Miután mindig a földhöz képest határozzuk meg a különböző potenciálokat (DC feszültségtérkép), ezért a DMM COM pontját célszerűen a GND ponthoz kötjük egy banándugós vezetékkel 15. A multimétert feszültségmérő üzemmódba kell állítanunk és 20 V-os méréshatárt kell kiválasztani! A V műszerhüvelybe egy DMM mérővezetéket csatlakoztatva ellenőrizzük a tápfeszültségeket (a felső csatlakozón +15 V-ot, míg az alsó csatlakozón -15 V-ot kell mérnünk)! Ha a tápfeszültségek helyesek, akkor DC OFF állás mellett kezdjük el megépíteni az áramkört. A 10. ábrán látható kapcsolást kell követnünk! A 4-es lábat a negatív táphoz, a 7-es lábat a pozitív táphoz, a 3-as lábat a GND-hez kell csatlakoztatnunk. Mindemellett a 2-es és a 6-os lábakat össze kell kötnünk. A 17. ábrán különböző színekkel jelöltük a különböző összeköttetéseket. Célszerű így eljárni a gyakorlaton is. Megszokás szerint piros (meleg szín) a pozitív táp, kék (hideg szín) a negatív táp és fekete a GND. Az egyéb pontokat valamilyen semleges színnel szoktuk összekötni. Egyes helyeken sárgával jelölik a jelvezetékeket. Az áramkör ellenőrzéséhez vegyük fel a DC feszültségtérképet! Kapcsoljuk át a tápegységet DC ON állapotba! Ellenőrizzük az IC 4-es és 7-es lábán a tápokat! A 3-as lábon 0 V-nak kell lennie (a multimétert kapcsoljuk át a legkisebb [200 mv-os] méréshatárba). A 2-es és a 6-os lábon az offset feszültséget kell mérnünk ( 5 mv). Amennyiben valamelyik érték nem egyezik meg az elméletivel, akkor a kapcsolást végignézve/ellenőrizve találjuk meg a hibát! 15 Ezt a csatlakozást a gyakorlat végéig nem bontjuk meg. 10/14

11 A 18. ábrán láthatjuk a neminvertáló alapkapcsolás (13. ábra) megépítését. +U T GND R 1 R U T 18. ábra: Követő erősítő megépítése breadboardon I. Mint előzőleg és a következőekben is mindig DC OFF állás mellett alakítsuk ki az áramkört, és DC ON mellett végezzük el a méréseket! Azért, hogy egyszerűbb és átláthatóbb legyen a felépítés az alsó tápsínre is kivezettük a GND pontot. Miután a 4-es és a 7-es lábra mindig a tápfeszültségek csatlakoznak, ezért az ezen lábakra elhelyezett kötéseket a gyakorlat végéig ne bontsuk meg! Az R 1 és R 2 ellenállások feszültségosztót alkotnak, amiket célszerű a kapcsolási rajzon is ábrázolt függőleges elrendezésben kialakítani a bal oldalon (a felső pontot pozitív tápra, míg az alsót földre kell csatlakoztatnunk). Vigyáznunk kell, hogy nehogy egy 5-ös oszlopba tegyük valamelyik ellenállás két lábát, mert ezzel rövidre zárnánk az adott alkatrészt (l. R 1 elhelyezése). A leosztott feszültséget (az R 1 és R 2 közös pontját) kössük a műveleti erősítő 3-as lábára! A 2-es és 6- os lábakat kössük össze (követő üzemmód). A 6-os láb és a föld közé kössük be az R 3 -as ellenállást! Az áramkör ellenőrzéséhez vegyük fel a DC feszültségtérképet! Kezdjük ismét a műveleti erősítő tápjával, hiszen ez a legkritikusabb az áramkörünkben. A 4-es lábon negatív tápnak, míg a 7- es lábon pozitív tápnak kell lennie. Az osztó két végpontját is vizsgáljuk meg (+U T ; GND)! A leosztott feszültséget ellenőrizzük először az ellenállások közös pontján, majd az IC 3-as lábán is! Vizsgáljuk meg, hogy a 2-es lábon, ill. a 6-os lábon is ugyanez a feszültség mérhető! Amennyiben valamelyik érték nem egyezik meg az elméletivel, akkor a kapcsoláson határoljuk be a hiba forrását egy-két alkatrészre, vagy összeköttetésre, és javítsuk ki a problémát! 11/14

12 A 19. ábrán szintén a feszültségkövető kapcsolást láthatjuk megvalósítani egy picit más elrendezésekben. +U T R 1 R 3 GND 741 -U R T 2 +U T R 1 R 3 GND 741 -U R T ábra: Követő erősítő megépítése breadboardon II. 12/14

13 A 20. ábrán a neminvertáló alapkapcsolást építettük meg. +U T GND -U T 741 R 2 R 1 U be 20. ábra: Neminvertáló erősítő megvalósítása breadboardon Kövessük a 13. ábrán látható kapcsolási rajzot! A táplábakat itt is hagyjuk a helyükön! A függvénygenerátorhoz kialakított műszerhüvelyt csatlakoztassuk a 3-as lábhoz, de még nem kössük rá a breadboardra a függvénygenerátort! Az R2-es ellenállást kössük a 6-os és a 2-es láb közé, az R1-es ellenállást csatlakoztassuk a 2-es láb és a föld közé! Állítsuk be a függvénygenerátoron a kívánt bemeneti gerjesztést az oszcilloszkóp segítségével! Kössük rá az oszcilloszkóp CH1 csatornáját a bemeneti, míg a CH2-es csatornáját a kimeneti jelre. Az erősítő üzembe helyezésénél tartsuk be a következő sorrendet! Először mindig a tápfeszültséget kapcsoljuk DC ON állásba, majd utána csatlakoztassuk az áramkörhöz a bemeneti jelet! Ha ki akarjuk kapcsolni az áramkört pont fordítva járunk el. Először levesszük a bemeneti jelet, majd átkapcsoljuk a tápegységet DC OFF állásba. Az oszcilloszkóp végig csatlakoztatva lehet az áramkörhöz. A függvénygenerátor és az oszcilloszkóp használatakor először mindig a földelést csatlakoztassuk a GND-hez azért célszerű ezzel kezdeni, mert ezt mindig ugyanoda a közös pontba kell bekötnünk. A függvénygenerátort a BNC banándugós vezeték fekete színű föld vezetékével tudjuk leföldelni. Az oszcilloszkópnak van egy banánhüvelyes föld bemenete, valamint az egyes csatornákon keresztül is lehet földelni. Célszerű a külön erre a célra tartott banánhüvelyes ponton földelni a műszert. A továbbiakban a meleg pontokat kell már csak csatlakoztatni. A függvénygenerátor meleg pontja (piros vezeték) a CH1 csatorna meleg pontjára (piros vezeték) csatlakozik. A CH2-es csatorna meleg pontját az erősítő kimenetére (6-os láb) kell rákötnünk. 13/14

14 A 21. ábrán az invertáló kapcsolás összeállítását figyelhetjük meg. Megépítésének és beüzemelésének menete nagyban hasonlít a neminvertáló alapkapcsolásra. +U T R 2 GND -U T 741 R 1 U be 21. ábra: Invertáló erősítő megvalósítása breadboardon 14/14