3. Alapkapcsolások műveleti erősítőkkel

Átírás

1 3. lapkapcsolások műelet erősítőkkel öden tentsük át az ntegrált műelet erősítőkkel telezett alapkapcsolásokat. z áttenthetőség érdekén a kapcsolások paraméterenek leírását tartalmazó összefüggések leezetése általában deáls műelet erősítők alkalmazását feltételez. Hasonló okokból a tápfeszültségek csatlakozó pontja, alamnt a kompenzáló llete ofszetegyenlítő áramkörök csatlakozás pontja sem szerepelnek az ábrákon. Legyen a gyakorlat felhasználó feladata, hogy a segédáramkörök jellegét és az elemek értékét az áramkör sajátosságoknak megfelelóen meghatározza. 3. Nem nertáló erősítő alapkapcsolás nem nertáló erősítő alapkapcsolása a 3.. ábrán látható. menet jel ( ) ebn az esetn a nem nertáló menetre an kapcsola és fázsfordítás nélkül felerősíte jelentkezk a meneten. Megfgyelhető, hogy a műelet erősítő negatí sszacsatolással an elláta, amelyet az, ellenállásokból álló osztó alkot. műelet erősítő menetén fellépő dfferencáls feszültség: 3. ábra Nem nertáló erősítő Ha o a műelet erősítő sszacsatolt és nyílthrkú erősítése, 0 a kapcsolás feszültségerősítése pedg a sszacsatolt erősítést képsel: Krchhoff törényenek felhasználásáal kapjk a köetkező összefüggéseket: 0 0 sszacsatolt erősítés, ha az nertáló meneten folyó áram nlla ( N = 0 ): 0 Felhasznála az összefüggésn az feltételt, a sszacsatolt feszültségerősítésre a köetkező egyszerű összefüggést kapjk: Losoncz Lajos - nalóg áramkörök krzs - apenta dományegyetem Marosásárhely 3-

2 z erősítés poztí előjele azt mtatja, hogy az áramkör a felerősített jel fázsát nem fordítja meg. Mel értékét csak a sszacsatoló hálózatban leő ellenállások határozzák meg, ez a tény tükröz az áramkör előnyös tlajdonságat, amelyet a műelet erősítő negatí sszacsatolásáal alósíthatnk meg. z áramkör egy másk fontos paramétere az menet ellenállása. deáls műelet erősítő esetén a nem nertáló erősítő áramkör menet ellenállása: negatí sszacsatolás köetkeztén a menet ellenállás ( ) olyan mértékn csökken, mnt a sszacsatolt erősítés ( ) a nyílthrkúhoz ( 0 ) képest: Egy különleges nem nertáló erősítő kapcsolás a feszültségköető (3. ábra.). Ez gyakorlatlag egy olyan nem nertáló erősítő, amelyn = 0 és =. Ennek megfelelően = l, agys a menet jel reprodkálja a menet jelet. Előnye ennek a kapcsolásnak, hogy a menet jelet magas mpedancán fogadja és (erősítés nélkül), alacsony mpedancán áll rendelkezésre a meneten ábra Feszültségköető 3. nertáló erősítő alapkapcsolás z egyk legelterjedtebb műelet erősítőel telezett áramkör az nertáló (fázsfordító) erősítő kapcsolás. Elneezése onnan származk, hogy az, menet jelet az nertáló menetre kapcsoljk és a meneten egy olyan felerősített feszültség jelenk meg, amelynek fázshelyzete ellentétes a menet feszültség fázsáal. Vllamos kapcsolás rajza a 3.3 ábrán látható. 3.3 ábra nertáló erősítő Losoncz Lajos - nalóg áramkörök krzs - apenta dományegyetem Marosásárhely 3-

3 Krchhoff csomópont törényének felhasználásáal köetkezk: N deáls műelet erősítőt feltételeze, 0 és 0, köetkezk : N Láthatjk, hogy a sszacsatolt műelet erősítő erősítését (,), ha 0 nagyon nagy, csak az alkalmazott ellenállások határozzák meg. kapcsolás menet ellenállása:, ha 0, köetkezk: z erősítő menet ellenállásának értékét a negatí sszacsatolás csökkent: Különbségképző áramkör 3.4 ábrán látható kapcsolás egy különbségképző áramkörnek tenthető, mel menet feszültsége egyenesen arányos a menetekre kapcsolt feszültségek különbségéel. sszacsatolt erősítés számítása céljából meghatározzk a műelet erősítő két menetének potencálkülönbségét leíró összefüggést. 3.4 ábra Különbségképző áramkör z összefüggés megállapításánál feltételezzük, hogy a műelet erősítő menet árama nllának tenthetők. deáls esetn 0, köetkezk: kapcsolás feszültségerősítése: Losoncz Lajos - nalóg áramkörök krzs - apenta dományegyetem Marosásárhely 3-3

4 különbségképző áramkörök nagyon jól alkalmazhatók két nagy értékű feszültség között cs különbség erősítésére (példál egy mérőhíd menetén fellépő feszültség erősítésére). 3.4 Feszültségösszegező áramkör 8.3. ábrán látható kapcsolás menet feszültsége egyenesen arányos a (tetszőleges számú) meneten fellépő feszültségek algebra összegéel. kapcsolás működését egy két menetű feszültségösszegzőn zsgáljk a köetkezőkn. Mel az erősítő nertáló alapkapcsolásban működk, a menet jel fázsa ellentétes a meneteken fellépő feszültségek fázsáal. z áramkör menete látszólagos földpontnak tenthető: BE, köetkezk: r menet ellenállások értékét azonosnak álaszta ( = = ), a menet feszültség összefüggése a köetkező: ehát a menet feszültség egyenesen arányos, a meneten fellépő feszültségek összegéel. bban az esetn ha a menetre n számú feszültséget kapcsolnk azonos menet ellenállások alkalmazásáal, a menet feszültség:... n n k k 3.5 ábra Feszültségösszegező áramkör feszültségösszegző áramkör felhasználása gen sokféle lehet. lkalmazzák a méréstechnkában, az atomatkában, szabályozástechnkában és analóg számítógépek részegységeként. 3.5 ntegráló áramkör 3.6 ábrán látható fázsfordító ntegrátor az nertáló erősítőtől abban különbözk, hogy a sszacsatoló ellenállást a kondenzátor helyettesít. Ha c (t) a kondenzátoron folyó áram erőssége és kezdet dőpllanatban a kondenzátort töltés nélkülnek tentjük, akkor egy t dőpllanatban a kondenzátor kapcsan fellépő feszültség: t t 0 t dt Losoncz Lajos - nalóg áramkörök krzs - apenta dományegyetem Marosásárhely 3-4

5 3.6 ábra ntegráló áramkör el kapcsolása Mel a műelet erősítőt deálsnak tentjük, menet ellenállása égtelen nagy, menet árama és a menetek potencálkülönbsége nlla. Ennek megfelelően: t t és t 0 Köetkezk: t t kondenzátoron folyó áram összefüggése: t t 0 t dt Mel: t 0, köetkezk: t t t, tehát: ehát a menet feszültség egyenesen arányos a menet feszültség dő szernt ntegráljáal. z deáls ntegrátor áttel függénye, az nertáló kapcsolás erősítését meghatározó képlet felhasználásáal egyszerűen meghatározható: t 0 t dt j j s z áramkör ampltúdó- és fázs karaktersztkáját a 3.7 ábra szemléltet: 3.7 ábra deáls ntegrátor karaktersztká Losoncz Lajos - nalóg áramkörök krzs - apenta dományegyetem Marosásárhely 3-5

6 Ha az ntegráló áramkör menetére egy négyszög-mplzst ezetünk (3.6 ábra), nlla kezdet feltételek mellett, a meneten egy lneársan áltozó feszültséget kapnk: t t ehát ebn az esetn a menet feszültség az dőel arányosan nő. Ezen tlajdonsága matt a kapcsolás háromszög-, agy fűrészjel előállítására alkalmas. Ha a menet feszültség dőn cosznszfüggény szernt áltozk, = cos t, akkor a menet feszültség dőfüggénye: tehát: t t cos tdt 0 t sn t 0 z összefüggés azt mtatja, hogy a menet jel fázstolása nagyságú a menet jelhez szonyíta (a menet jel 90 -ot set a menet jelhez szonyíta ). 3.6 fferencáló áramkör 3.8 ábrán látható áramkört dfferencáló áramkörnek neezk, mel a menet feszültség egyenesen arányos a menet feszültség dő szernt deráltjáal. Megfgyelhető, hogy a kapcsolás egy olyan nertáló erősítő kapcsolásnak felel meg, amelyn a menet ellenállást egy kondenzátor helyettesít ábra fferencáló áramkör el kapcsolása z áramkör áttel függénye meghatározható, ha az nertáló menetre alkalmazzk Krchhoff csomópont törényét ( = c ): N 0 kondenzátoron folyó áram dőfüggénye: köetkezk: d d, mel: dt dt d dt 0 Ha 0, megkapjk a menet és menet feszültség között kapcsolatot leíró függényt: Losoncz Lajos - nalóg áramkörök krzs - apenta dományegyetem Marosásárhely 3-6

7 d dt kapott összefüggés azt bzonyítja, hogy az deáls dfferencáló áramkör a menet feszültség dő szernt deráltjáal arányos menet feszültséget állít elő. Áttel függénye az nertáló kapcsolás erősítését meghatározó képlet felhasználásáal a köetkező: j s z deáls dfferencáló áramkör ampltúdó- és fázs karaktersztkáját a 3.9 ábra szemléltet. 3.9 ábra fferencáló áramkör karaktersztkája bban az esetn, ha a menet feszültség dőfüggénye sznszos jellegű, t sn t dfferencáló áramkör menet feszültségének áltakozó áramú komplex összeteője a köetkező lesz: t cos t z összefüggés azt mtatja, hogy a menet jel fázstolása nagyságú, a menet jelhez szonyíta (a menet jel késése 90, a menet jelhez szonyíta). 3.9 ábrát tanlmányoza megállapítható, hogy a dfferencáló áramkör erősítése a frekenca nöekedéséel nő, határértékként égtelen felé tart. Gyakorlatlag ez azt jelent, hogy a meneten egy magas frekencás zajösszeteő jelentkezk, amelynek jelszntje gyakran nagyobb mnt a hasznos jelé. z áramkör működése ennek köetkeztén nem tenthető stablnak. z említett hátrányok megszüntetése érdekén a kondenzátorral sorosan ktatnak egy ellenállást és így a deráló áramkör felépítése a 3.0 ábrán láthatóan módosl. z áramkör így egészíte stablan működk. Mel az áramkör nertáló erősítőként ( / erősítéssel) működk, magas frekencán az erősítés értéke állandó. 3.0 ábra fferencáló áramkör gyakorlat kapcsolása Losoncz Lajos - nalóg áramkörök krzs - apenta dományegyetem Marosásárhely 3-7

8 3.7 Logartmks és exponencáls erősítők logartmáló áramkör menet feszültsége arányos a menet feszültség logartmsáal. legegyszerűbb logartmáló áramkör a 3. ábrán látható, dódáal sszacsatolt műelet erősítő. Emlékezzünk a dódakaraktersztkára: K exp m ahol s a sszáram, a hőfeszültség, m a korrekcós együttható. nnen köetkezk: tehát logartms függény. K m ln műelet erősítős kapcsolás az menet feszültséget pedg feszültség jelenk meg. ehát: K m ln árammá alakítja, a meneten ábra ódás logarmáló kapcsolás használható tartományt két tényező korlátozza. z egyk a dóda soros ellenállása, a másk az áramfüggő m együtható. Ezért elégítő pontosság csak egy-két dekádon lül érhető el. z m együttható kedezőtlen hatása elhanyagolható, ha a dóda helyett tranzsztort használnk a 3. ábrán látható módon. 3. ábra ranzsztoros logarmáló kapcsolás Mel exp BE, a tranzsztoros logarmáló menet feszültsége: BE BE ln Losoncz Lajos - nalóg áramkörök krzs - apenta dományegyetem Marosásárhely 3-8

9 + 3.3 ábra egy exponencáls függénygenerátor kapcsolását szemléltet. Ha a menetre negatí feszültséget adnk (>0), akkor a tranzsztoron BE exp áram folyk és a menet feszültség értéke: exp BE 3.8 Váltakozó feszültségű erősítők 3.3 ábra Exponencáls függénygenerátor kapcsolás móelet erősítő nertáló és nem nertáló alapkapcsolása módosítás nélkül alkalmasak áltakozó feszültségek erősítésére. bban az esetn, amkor szükség an a menet és menet egyenfeszültségű leálasztására, ezt legegyszerűbn csatolókondenzátorok alkalmazásáal tehetjük. csatolókondenzátorok sfrekencás erősítéscsökkenést okoznak, ezért az erősítő alsó határfrekencáját ezek határozzák meg nertáló alapkapcsolás 3.4 ábra egy nertáló alapkapcsolásban működő áltozó feszültségű erősítőt szemléltet. V - t 3.4 ábra Váltakozó feszültségű erősítő nertáló alapkapcsolásban kapcsolás jellemző a köetkezők: Bemenet ellenállás: Feszültségerősítés: Losoncz Lajos - nalóg áramkörök krzs - apenta dományegyetem Marosásárhely 3-9

10 menet nygalm áramot bztosító ellenállás: (mel az ellenálláson nem folyk áram a csatolókondenzátor leálasztó hatása matt) Bemenet csatolókondenzátor: f a f a Kmenet csatolókondenzátor: f a t z erősítő alsó határfrekencája, a két alsó határfrekenca (f a és f a ) közül, a kedezőtlenebb érték (a nagyobbk) lesz Nem nertáló alapkapcsolás 3.5 ábra egy nem nertáló alapkapcsolásban működő áltozó feszültségű erősítőt szemléltet. kapcsolás jellemző a köetkezők: Bemenet ellenállás: Feszültségerősítés: Bemenet csatolókondenzátor: Kmenet csatolókondenzátor: f f a a t f a 3.5 ábra Váltakozó feszültségű erősítő nem nertáló alapkapcsolásban 3.9 nalóg szorzó áramkörök d 0 bpolárs tranzsztorok meredeksége arányos a kollektorárammal: dbe kollektoráram megáltozása eszernt arányos a menet feszültségáltozás és a mnkapont kollektoréram szorzatáal. Ezt a tlajdonságot a 3.6 ábrán látható dfferencálerősítőnél szorzásra használjk. műelet erősítő menet feszültsége arányos a kollektoráramok különbségéel: Z dfferencálerősítő áramszonyat meghatároza a köetkező összefüggéshez jtnk: z x y y kapcsolás helyes működése matt feltétel, hogy y mndg negatí legyen, mközn x poztí és negatí s lehet. z lyen szorzót két síknegyedes szorzónak neezzük. Losoncz Lajos - nalóg áramkörök krzs - apenta dományegyetem Marosásárhely 3-0

11 3.6 ábra Meredekségszorzó ele Losoncz Lajos - nalóg áramkörök krzs - apenta dományegyetem Marosásárhely 3-