MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉNÖKI ÉS INFOMATIKAI KA ELEKTOTECHNIKAI-ELEKTONIKAI TANSZÉK D. KOVÁCS ENŐ ELEKTONIKA II. (MŰVELETI EŐSÍTŐK II. ÉSZ, OPTOELEKTONIKA, TÁPEGYSÉGEK, A/D ÉS D/A KONVETEEK) Villamosmérnö szak (BS) Nappali agoza ELŐADÁS JEGYZET 008.
3.0. MŰVELETI EŐSÍTŐK (FOLYTATÁS) 3.3.5. Akív szűrők A szűrők feladaa, hogy egy jel frekveniaarományának egy részé a öbbi frekvenia rovására emeljék, vagy elnyomják. A szűrők megvalósíásuka (realizálásuka) enve lehenek: Passzív C szűrők: alasony frekvenia arományokban használ, egyszerű szűrési köveelmények eseén megfelelő. Passzív LC szűrők: magas frekvenia arományokban használ, i jó szűrési paraméerek érheők el. Akív szűrők: alasony és közepes frekvenia arományokban használ, jó szűrési paraméerek érheők el. Kapsol kapaiású szűrők: alasony és közepes frekvenia arományokban használ különösen jó szűrési ulajdonságok érheők el. Gyakran ezeke már a hardver digiális szűrőkhöz sorolják, bár működésű elvük elér azokól. Digiális hardver- és szofverszűrők: a felhasználási frekvenia aromány a digializálás ulajdonságai dönik el, különösen jó ulajdonságú szűrők valósíhaók meg (gyakran analóg szűrőkkel megvalósíhaalan ulajdonságok is, pl. lineáris fázismeneű FI szűrők). A szűrőkkel kapsolaos alapismereeke és a passzív C szűrőke az Elekronika I. során eneünk á vázlaosan, a fejeze ovábbi részén sak az akív szűrőkkel és a kapsol kapaiású szűrőkkel foglalkozunk. Az LC szűrőke a szasmerei árgyak árgyalják. Az akív szűrő ervezés örénhe: Approximáiós eljárással: indulás a olerania sémából (összeeebb, bonyolulabb, de alkalmas opimális szűrőrendszerek ervezésére) Közvelen szűrőervezés a jósági ényező és a haárfrekvenia ill. sávközepi frekvenia érékekből indulva (egyszerű, de gyors ervezési eljárás, öbbfokozaú szűrők ervezésére korláozoan alkalmas). A ervezés lépései: 3.3.5.. Szűrőervezés approximáiós eljárással A) Toleraniaséma felvéele B) Transzformálás normál referens aluláeresző szűrő C) Fokszám (rendszám) meghaározása D) Gyökök és a normál referens aluláeresző szűrő ávieli függvényének meghaározása E) Visszaranszformálás az eredei szűrő ípusba F) A valóságos szűrő ávieli függvényének realizálása akív szűrőkkel Az A) ponban meghaározo felada végrehajásá az Elekronika I. aglala. 3.3.5... Ingadozás paraméerek A ervezés során a sillapíási érékek (a) helye gyakran az ingadozási paraméereke (ε) adjuk meg. Az ingadozás paraméerek a szűrők karakeriszikus egyenleével vannak összefüggésn. a 0lg ε ε s 0 0 [ ε ] ah 0 as 0 ε ha ha a a s 0 a 0 3dB ε 40dB ε s 0 3 0 0 40 0 00 Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze nappali agozaos villamosmérnök hallgaóknak
3.3.5... Normál referens aluláeresző szűrők Az egyes szűrőípusok visszavezeheők - és maemaikai úon áranszformálhaók- aluláeresző szűrő. Az áranszformálás élszerű úgy végrehajani, hogy az abszolú frekveniák helye relaív frekveniáka kapjunk, mer így az egyes szűrőervező áblázaok és eljárások egységesíheők és végrehajhaók azonos módon a szűrő ípusáól és eredei paraméereiől függelenül. A sillapíás érékeke a ranszformáió válozalanul hagyja, zárólag a frekveniáka érini. A ranszformáiók során az eredei frekveniáka () egy dimenzió nélküli relaív frekveniába (Ω) ranszformáljuk. Az áranszformálás minden szűrőípus érin, leérve az aluláeresző szűrő is. A ranszformálás során a sillapíási (ingadozási) érékek nem váloznak. a) Aluláeresző szűrő ranszformálása normál referens aluláeresző szűrő A ranszformáiós összefüggés: s S Az s az eredei ávieli függvény Laplae-operáora, az S a ranszformál ávieli függvény Laplae-operáora. A ranszformál oleraniasémák: a Aluláeresző szűrő oleraniaséma A() s lg eferens normál aluláeresző szűrő oleraniaséma A(Ω) Ω s lgω a A jellemző frekveniák ranszformáljai: Ω j Ω j jω s j js Ωs s a s a s b) Felüláeresző szűrő ranszformálása normál referens aluláeresző szűrő A ranszformáiós összefüggés: S s A ranszformál oleraniasémák: Felüláeresző szűrő oleraniaséma A() a a s s lg eferens normál aluláeresző szűrő oleraniaséma A(Ω) Ω s - lgω a a s A jellemző frekveniák ranszformáljai: jω j Ω j jω s Ωs j s s Megjegyzés: a ovábbi számolásoknál a ranszformál frekveniák abszolú érékével számolunk. ) Sáváeresző szűrő ranszformálása normál referens aluláeresző szűrő A ranszformáiós összefüggés: s S s ( ) o Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 3
Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 4 A jellemző frekveniák ranszformáljai: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Ω Ω o j j j j ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) s s s s s s s s s s o s s j j j j Ω Ω A ranszformál oleraniasémák: d) Sávzáró szűrő ranszformálása normál referens aluláeresző szűrő A ranszformáiós összefüggés: ( ) o s s S A jellemző frekveniák ranszformáljai: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) s s s s s s s s s o s s s o j j j j j j j j Ω Ω Ω Ω A ranszformál oleraniasémák: C) Fokszám meghaározása A szűrő karakeriszikájá leíró ávieli függvény polinomjának szükséges fokszámá meghaározhajuk:. közvelenül számolással a leíró függvény karakeriszikus egyenleének sorbafejése uán kapo sor első agja alapján (a képleek rendelkezésre állnak a különböző fajájú szűrőkre),. áblázaosan szűrő kaalógusokból, az ismerebb szűrő fajákra megado karakeriszika seregek segíségével. Számolással: s o s lg a a s A() Sáváeresző szűrő oleraniaséma Ω s - Ω s lgω a a s A(Ω) Normál referens aluláeresző szűrő oleraniaséma s o s lg a a s A() Sávzáró szűrő oleraniaséma Ω s - Ω s lgω a a s A(Ω) Normál referens aluláeresző szűrő oleraniaséma
Például a Buerworh-ípusú normál aluláeresző szűrőkre rendelkezésre álló összefüggések alapján ( ): ε s lg ε n Ω s lg Ω Csebisev ípusú szűrő eseén ( ): ε s arh ε n Ωs arh Ω Példa ( ): Legyen ado az alábbi aluláeresző szűrő speifikáió: a 3 db, a s 40 db, f khz, f s 4 khz Haározzuk meg a szükséges szűrő fokszámá a feni ké szűrő ípusra. Megoldás: ε, ε s 00, Ω, Ω s f s /f 4 ε s lg 00 lg ε Buerworh szűrő eseén: n 3.3 n 4 Ωs 4 lg lg Ω ε s arh 00 arh ε Csebisev szűrő eseén: n.57 n 3 Ωs 4 arh arh Ω A feni érékekből láhaó, hogy Csebisev szűrővel az ado felada alasonyabb fokszámú ávieli függvénnyel realizálhaó, amely az jeleni, hogy kevesebb alkarész kell a megvalósíáshoz, sebb az esély az alkarész oleraniák miai szűrő paraméer válozásra. Nem szabad azonban elfelejeni, hogy a Csebisev szűrő sillapíása ingadozik az áereszősávban, ezér rikán használjuk 3 db áereszősáv szélességgel. Grafikus módszer: Gyakrabban használ áereszősávi sillapíásokra (álalában 3 db-re, de néhány szűrőfajánál pl. Csebisev szűrőnél eől elérő esere is) rendelkezésre állnak karakeriszika seregek. -3 db a s A(Ω) Ω s lg(ω) n n n3 Pl. Az előző felada alapján a grafikus módszerrel meghaározva öödrendű szűrő lenne szükséges Thomson-Bessel ípusú szűrővel örénő realizáláshoz. n (alkalmazhaó) D) Gyökök meghaározása A gyökök meghaározására is ké leheőség van:. Táblázaosan ervező kaalógusokból a legfonosabb szűrőfajákra és áereszősávi sillapíásra megado érékek alapján. Számíással eszőleges paraméerek eseén a gyökök elhelyezkedése alapján a gyök-hely görbén. Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 5
Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 6 A számíásos módszer a Buerworh-szűrőkre muajuk meg, mivel i a legegyszerűbb meghaározni a gyökök éréké az elhelyezkedésük alapján. A szűrő fokszáma vagy rendszáma lehe páros és páralan. Célszerű a ké esee külön kezelni, mer így egyszerűsödik a gyökök felírása. Gyökök meghaározása páros esere ( ): Az i. gyök: ( ) i n j n S i e π ε, ahol i n A gyökök konjugál komplex gyökpárok, így egy gyökpárra felírhaó: ( ) ( ) ) ( os os / os i n S S S Y S S S S S S S S S S S S S S S Y i n i n i n n i n i i i i i i i i i n i n π ϕ ε ϕ ε ε ϕ ε ε ϕ ε 3 443 Példa ( ): Legyen n4 és a 3 db. Haározzuk meg a referens normál aluláeresző szűrő ávieli függvényé. Megoldás: a 3 db ε ( ) 0.765.848 os S S S S S S S Y i i ϕ Gyökök meghaározása páralan esere ( ): Az i. gyök: i n j n S i e π ε, ahol i n Egy gyök valós, a öbbi gyök konjugál komplex gyökpár, így felírhaó az alábbi összefüggés: ( ) ( ), os i n és S S S S Y i n i n i n n π ϕ ε ϕ ε ε Példa ( ): Legyen n3 és a 3 db! Haározzuk meg a referens normál aluláeresző szűrő ávieli függvényé! Megoldás: a 3 db ε ( ) os S S S s S S S Y i i ϕ e Im ϕ ϕ ϕ/ ϕ ϕ/ n ε e Im ϕ ϕ/ ϕ ϕ/ n ε
E) Visszaranszformálás A visszaranszformálás a ranszformáiós képleek formális helyeesíésé jeleni. Példa ( ): Az előbbi feladaban ado n3, a 3 db szűrő indulási feladaa legyen egy aluláeresző szűrő f khz frekveniával! Haározzuk meg a szűrő ávieli függvényé a normál referens aluláeresző szűrőre számol ávieli függvény alapján! Megoldás: πf 6.8 kr/s A ranszformáiós képle: s S.590 4 s Y ( S ) Y () s S S S.590 s.590 s.530 4 4 8 A visszaranszformálás ugyanígy végezzük el a öbbi szűrőípusra is. F) ealizálás A realizálás a számol ávieli függvény fizikai megvalósíásá jeleni, amelyre számos áramköri megoldás léezik. Akív szűrőke álalában művelei erősíős kapsolásokkal realizálunk. Az eljárás során a fizikailag megvalósíhaó áramköri kapsolás elsőfokú vagy másodfokú ávieli függvényé összehasonlíjuk a megerveze ávieli függvénnyel és az együhaó összehasonlíás, valamin a szabad paraméerek helyes megválaszása uán a kapsolás megméreezzük. Elsőfokú ag méreezése: (sak alul- vagy felüláeresző szűrő lehe, mivel a sávszűrő és a sávzáró szűrő minimálisan sak másodfokú lehe) s Elsőfokú aluláeresző szűrő ag: A kapsolás ávieli függvénye: Y () s sc A számol szűrő ávieli függvényének alakja: Y () s, az a és a valós együhaók. a s Összehasonlíva az együhaóka: C a u C u A ké összefüggés összehasonlíva láhajuk, hogy ké egyenlee lehe felírni, de 4 alkarész van, ezér alkarész éréké szabadon felvehejük. Pl. válasszuk és C! (élszerű a kondenzáor válaszani, mer érékre sebb válaszék áll rendelkezésre, min az ellenállásból.) Elsőfokú felüláeresző szűrő ag: A kapsolás ávieli függvénye: Y () s sc sc u C u Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 7
A számol szűrő ávieli függvényének alakja: Y () s s, az a és a valós együhaók. a s Összehasonlíva az együhaóka: C C a A ké összefüggés összehasonlíva láhajuk, hogy ké egyenlee lehe felírni, de 3 alkarész van, ezér egy alkarész éréké szabadon felvehejük, pl. válasszuk C! Másodfokú agok realizálása Másodfokú ag realizálására számos kapsolási ehnika áll rendelkezésre (egyszeresen visszasaol, öbbszörösen visszasaol, keős T-híd kapsolás, állapoegyenlees, sb. ) A szűrőkapsolás válaszásánál fonos szempon a megvalósíhaóság (Q max. éréke), az érzékenység az alkarész oleraniára, sabiliás, alkarészszám, sb. (Kapsolásoka és annak jellemző paraméerei és ulajdonságai ervező kaalógusok aralmazzák) Példa ( ): Másodfokú aluláeresző szűrő realizálása öbbszörösen visszasaol akív szűrővel C 3 A kapsolás ávieli függvénye: Y () s sc 3 3 s CC 3 A másodfokú aluláeresző ag álalános ávieli függvénye: Y A a s b s o () s Az együhaó összehasonlíásból kapo összefüggések A o 3 a C 3 b C C 3 Három egyenle és ö ismerelen van, így ké paraméer szabadon felveheő, pl. C C C és. Minden kapsolásnak vannak korláozó feléelei. Pl. a feni kapsolásnál az alábbi feléeleke kell arani: Q < 0 A o Q < 00 T < 00 A o Q u Az T a művelei erősíő egységnyi erősíéséhez arozó haárfrekvenia (ranzi frekvenia). Az A 0 az erősíő nyílhurkú erősíése. C u Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 8
3.3.5.. Közvelen szűrőervezés A módszer a konjugál komplex gyökpár szűrési ulajdonságain alapul. Korábban bizonyíouk (Elekronika I.), hogy sak a gyökpár mozgaásával a bal félsíkon különböző jósági ényezőjű szűrőke állíhaunk elő. Ha a gyökpár a valós engely irányába közelí, akkor nő a sávszélesség és sökken a jósági ényező, ellenkező irányban nő a jósági ényező és sökken a sávszélesség. Egyszerűbb szűrési feladaok megoldására alkalmas, mivel magasabb rendszámú szűrők opimálisan nem ervezheők ezzel a módszerrel. endszerin akkor alkalmazzuk, ha egy-, keő- vagy eseleg harmad-rendű szűrő akarunk ervezni. Az ilyen ípusú szűrőervezés nem a szűrő ulajdonságai szemponjából elsődleges paraméerekből indul (frekveniák és sillapíások), hanem az áereszősávi haárfrekveniából alul- és felüláeresző szűrőknél ( ) vagy a sávközepi ( o ) frekveniából sávszűrőknél, a szűrő erősíéséből (A 0 ) és a jósági ényezőből (Q). A módszer zárólag 3 db áereszősávi szűrőke ud ervezni! A ervezés indulása a válaszo akív szűrő kapsolás és annak ávieli függvénye, valamin a szűrőípus elmélei ávieli függvényének a jósági ényezővel fejeze alakja. Példa közvelen szűrőervezésre( ): Felüláeresző szűrő ervezése egyszeresen visszasaol Sallen-Key kapsolással Kiindulás: A o,, Q A válaszo kapsolás és az elmélei ávieli függvénye: s Y () s Ao s s Q u C C 3 4 u A kapsolás ávieli függvénye a ényleges alkarészekkel fejezve: Y () s 4 3 s Együhaó összehasonlíás alapján: Ao s C C 4 3 Q CC 4 ( C C ) C s CC 3 C C C C Három egyenle áll rendelkezésre és ha ismerelen paraméer, így három paraméer vagy feléel szabadon válaszhaó! Válasszuk: C C C és 3! 4 3 C C ( A ) ( A ) 4 3 o o C Q A feni egyenleek alapján a hiányzó paraméerek meghaározhaók. Alkalmazási feléelek: Q < 0 A o Q < 00 < 00 Q T [ Q ( Q ) ] Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 9
3.3.6. Kapsol kapaiású szűrők A kapsol kapaiású szűrők ámenee képeznek az analóg szűrők és a digiális szűrők közö. A szűrők álal kezel jel analóg diszkré jel. A szűrők alapelve: Vizsgáljuk meg az alábbi elrendezés a ölésáramlás szemponjából: S S C Az S és S kapsolók szinkronban, de ellenfázisban működnek. Amikor S zárva, akkor S nyiva és fordíva. Legyen az S és az S kapsolási ideje (rendszerin ) A kapsolás periódusideje ehá T. Ha S van kapsolva, akkor a kondenzáor Q C érékre ölődik fel. Ha S van kapsolva, akkor a kondenzáor Q C érékre válozaja ölésé. A ölésválozás méréke ehá Q C Q ( ) Q C Vizsgáljuk meg egy ellenálláson a ölésáramlás méréké T idő ala: Q T 0 id T T Feléelezve azonos ölésválozás megállapíhajuk, hogy a kapsolgao kondenzáor úgy viselkedik, min egy idővel válozahaó érékű ellenállás: Q T C Q T C ( ) Az ellenállás éréke a kapsolgaás frekveniájával állíhaó, mivel C konsans. Figyelem kell venni azonban, hogy a jel megszaggaása ugyanolyan haású, min egy minavéelezés és ezér ugyanazok a szabályok is vonakoznak rá. (Nyquis minavéelezési szabály). A feni módszerrel felépíheők ehá olyan C akív szűrők, amelyek sak kapsolóka, kondenzáoroka valamin erősíő aralmaznak (a s érékű kondenzáor nagyon jól inegrálhaó). Példa: erősíő kapsolás kapsol kapaiású ehnikával: S S S C S S S S C u C u u C u erősíés (γ50%): A u C C Az Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 0
Példa: inegráor kapsolás kapsol kapaiású ehnikával: C u S C S u Az S és S szinkronban működő válókapsolók (Morse kapsolók). Az elrendezés előnye, hogy a gyárás során kelekező szór/parazia kapaiások haása sökkenheő. Példa: elsőfokú aluláeresző szűrő kapsol kapaiású ehnikával ( ): S S S C S S u C C u Magasabb fokszámú univerzális szűrők ( ) Magasabb fokszámú szűrők rendelkezésre állnak, min kaalógus áramkörök. A megvalósío srukúrák álalában a szűrők állapoválozós alakjának gyakorlai megvalósíásán alapulnak, azaz az álalános leíró függvények megvalósíása inegráorokkal és arányos elemekkel. Ez leheővé eszi, hogy egy kapsolással mindenfaja szűrő lehessen realizálni (3 eseleg négy művelei erősíővel egy másodfokú ag, pl. MF6-00 (Naional Semionduor gyármány), amely alkalmas max. haodrendű Buerworh-karakeriszikájú szűrők megvalósíására. A felső haárfrekveniá az f T >00f h haározza meg, ahol f T a kapsolgaás frekveniája max. 3.5 MHz. Az ilyen ípusú szűrőkkel nagy meredekségű, válozahaó áereszősávi frekveniájú szűrők állíhaók elő, amelyekre a nagysességű adagyűjés és jelfeldolgozásnál van szükség, pl. anialiasing szűrők, sinx/x korreláor szűrők, sb. 3.4. A művelei erősíők hibái Erősíő C A művelei erősíő lineáris alkalmazásaiban a művelei erősíő, min közel ideális áramkör veük figyelem elhanyagolva a saikus és dinamikus hibáka (néhány ese véelével, ahol ualunk a hibákra). A művelei erősíők hibái közül emel figyelme érdemelnek az ofsze és a frekvenia problémák, min a leggyakoribb hibaforrások. A hibák küszöbölése (kompenzálása) lehe megelőző jellegű, amelye az áramkörervezés során alkalmazunk, vagy uólagos, amikor a kompenzálás leheőségé épíjük az áramkör. A hiba kompenzálása lehe saikus, amely egy ado körülményre örénő kompenzálás jelen vagy dinamikus, amely az áramkör működése során auomaikusan hajódik végre. A frekvenia problémáka a ervezés során minimalizáljuk, ennek uólagos korrekiója -az áramkör módosíása nélkül- álalában nem leheséges. 3.4.. A frekvenia karakeriszika és kompenzálása A művelei erősíők nyílhurkú ampliúdó és fázis karakeriszikái nagyon különbözőek lehenek. A haárfrekvenia a lső kompenzálású áramkörök néhány Hz-es haárfrekveniájáól a külső kompenzálású szélessávú vagy impulzus/videó erősíők MHz arományáig erjed. A haárfrekvenia nagymérékn meghaározza a művelei erősíő egyéb dinamikus ulajdonságai, a fázisaralék pedig a sabiliásá. A frekvenia karakeriszikára meghaározó haása van a negaív visszasaolásnak. Elsőkén vizsgáljuk meg a nyílhurkú karakeriszikák jellegzeességei, majd a negaív visszasaolás haásá. A frekvenia karakeriszika kompenzálása elő megvizsgáljuk a fázisaralék haásá a linearíásra, majd a haárfrekvenia haásá vizsgáljuk a ranziens paraméerekre. 3.4... A nyílhurkú erősíés frekveniafüggése A művelei erősíő nyílhurkú erősíésé a korábbi kapsolásokban (az inegráor és a deriváor véelével) frekvenia-függelennek éelezük fel. A gyakorlaban azonban a frekveniafüggés egy, vagy öbb örésponos karakeriszikával lehe közelíeni. Egy örésponos közelíés eseén is valószínű, hogy a későbbi Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára
épíésnél a külső áramkörök és vezeékek szór kapaiása a művelei erősíő karakeriszikájában egy második öréspono is eredményez. A 0 A 0 () Az a nyílhurkú erősíő haárfrekveniája, A0 a frekveniafüggelen nyílhurkú erősíés. A lső kompenzálású erősíők, amelyek inegrál áramköri elemkén aralmaznak egy visszasaoló kondenzáor, alasony örésponi frekveniával rendelkeznek ( Hz). Ezeke az áramköröke álalános felhasználási élokra, minimális külső alkarészigényre ervezék. A szélessávú erősíők külső kompenzálás igényelnek, de leheőség van a visszasaol erősíésnek és az előír haárfrekveniának megfelelő állíására. ( 00 khz MHz). 3.4... A negaív visszasaolás haása a frekveniamenere Egy öréspono feléelezve a nyílhurkú erősíés karakeriszikájának maemaikai leírása: A 0 ( ) A0 s A negaív visszasaolás álalános képleé helyeesíve a nyílhurkú erősíés egy örésponos karakeriszikájának egyenleé: A v * ( ) A0 A Keskenysávú erősíő ( ) ( ) 0 ( A K ) 0 A0 s K A0 K s Szélessávú erősíő A negaív visszasaolás haásá grafikusan ábrázolva: lg() A0 A K s 0 443 Av 0 443 ( A K ) * Av s * A 0 A v Nyílhurkú haárfrekvenia A visszasaolás nélküli erősíő karakeriszikája A 0 () * A visszasaol erősíő karakeriszikája A v () Zárhurkú haárfrekvenia lg() * Az összefüggéséből láhaó, hogy az erősíő haárfrekveniája a negaív visszasaolás kövekezén jelenősen megnő! Minél nagyobb a hurokerősíés, annál nagyobb a haárfrekvenia és annál sebb a visszasaol erősíés. Ez egy újabb indok, hogy egy erősíő fokozaal miér nem valósíunk meg nagyobb erősíés. Példa ( ): Legyen az erősíő nyílhurkú erősíése A o.0 5,a nyílhurkú erősíés haárfrekveniája f 5 Hz, a visszasaol erősíés A v 0! Haározzuk meg a visszasaol erősíő haárfrekveniájá! Megoldás: K A v Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára
5 * A o 0 f f 5 ( ) 50kHz A v 0 A példából is láhaó, hogy nagy haárfrekveniához alasony visszasaol erősíés arozik. 3.4... A haárfrekvenia haása a dinamikus paraméerekre A haárfrekveniának közvelen haása van mind a fel- és lefuási időre, mind a állási időre. A állási idő függ az előír állási sáv szélességéől, így a állási idő minden sávhoz más és más. Pl. állási idő 0.% állási sávhoz:. T 0. f * A jelfelfuási idő is összefügg a sávszélességgel: Példa ( ): 0.35 r f * Legyen az erősíő nyílhurkú erősíése A o.0 5,a nyílhurkú erősíés haárfrekveniája f 5 Hz, a visszasaol erősíés A v 0! Haározzuk meg a 0.%-os állási idő és a felfuási idő! T f * r 0. Ao f 50kHz A v...4µ s * 3 f 50.0 0.35 0.35 * f 50.0 3 7µ s Amennyin az erősíés 00 lenne, akkor közelíőleg mindké idő megnőne öszörösére (a dinamikus ulajdonságok romlanának), a haárfrekvenia pedig öödére sökkenne. Ez az egy újabb ok, amiér nem valósíunk meg egy fokozaal nagy erősíés. (További okok lehenek: fázisaralék, ofsze és drif állíhaósága, sb.) 3.4... Fázisaralék Korábban az erősíők árgyalásánál álalában az ampliúdó áviel kerül előér. Vizsgáljuk meg mos a fáziskarakerisziká és definiáljuk a fázisaraléko. Néhány példán kereszül megvilágíjuk a fázisaralék szerepé A 0 () az erősíők sabiliásában és dinamikus A 0 ulajdonságaikban. A vizsgálahoz éelezzünk fel egy ké örésponos modell, ahol a második öréspon jelenősen elér frekveniában az elsőhöz képes. Ez elsősorban akkor áll fenn, ha a második öréspono szerelési T és épíési szór kapaiások hozzák lére. ϕ() -π/4 -π/ -3π/4 -π ϕ fázis aralék Az ábrán láhaó, hogy a fázisaralék az egységnyi hurokerősíéskor a ényleges fázisforgaás és a 80 közöi különbség. (Lásd Barkhausen kriérium oszilláoroknál, önfennaró gerjedés.) Minél nagyobb a fázisaralék, annál sebb az esélye annak, hogy a bizonyalan (szór kapaiások mia) második gyök illeve egy szerelési környeze mia alakuló eseleges harmadik gyök fázisforgaása az erősíő Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 3 lg() lg()
fázisforgaásá oly mérékn megválozassa, hogy fennálljon a gerjedés veszélye. Nagy fázisaralék s erősíések eseén állíhaó. A úlzoan nagy fázisaralék azonban az erősíő dinamikus ulajdonságai folyásolhaja hárányosan. 3.4... A fázisaralék haása a dinamikus ulajdonságokra h() () δ ϕ 45 ϕ 65 A úllövés, állási idő, fel- és lefuási idő függ a fázisaralékól, pl. ϕ 65 eseén a úllövés δ 4%. Csökkenő fázisaralék erősebb úllövés eredményez, míg nagy fázisaralék lassú állás. ϕ 90 3.4... A fázismene haása a linearíásra A relaív fázismene: ϕ() ideális valóságos ϕ rel () lg() A nemszinuszos menei jel nemsak az erősíés nemlinearíása mia orzul, hanem a nemlineáris fáziskarakeriszika mia is. Ez elsősorban összee, öbb frekvenia komponens is aralmazó jelek eseén lényeges, mivel a különböző komponensek nem azonos fázisolással érkeznek meg a menere, fázisorzulás szenvednek. Az alábbi ábrán láhaó a) és b) eseekn lineáris ampliúdó és nemlineáris fázismene van, míg a ) esen nemlineáris ampliúdó és lineáris fázismene van. A gyakorlaban álalában ezek kombináiója fordul elő. Az ábrákból láhaó, hogy a nemlinearíás milyen jelalak orzulás eredményez. A() A() A() lg() lg() lg() ϕ rel () ϕ rel () ϕ rel () lg() lg() lg() u () u () u () a) b) ) Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 4
3.4..3. A frekvenia karakeriszika kompenzálása A frekvenia karakerisziká kíván fázisaralékra kompenzáljuk. A legegyszerűbb kompenzálás eseén sak a nyílhurkú karakerisziká vesszük számíásba, amely azonban az eredményezhei, hogy az indokolnál nagyobb lesz a fázisaralék méréke. Ez a módszer sávszűkíő kompenzálásnak nevezik. Amennyin a kompenzálás során a visszasaol erősíés karakeriszikájából indulunk, akkor a sávbővíő kompenzálásról szélünk, bár a sávszélesség sak a sávszűkíő esehez képes bővebb. Egyéb sraégiák is ismerek a kompenzáláshoz. A sávszűkíő kompenzálás elve (45 -os fázisaralékra): Kompenzál karakeriszika k A o -π/4 -π/ 3π/4 -π A o () ϕ() eredei nyílhurkú karakeriszika lg() lg() Az k frekveniára egy új öréspono helyezünk el egy külső kondenzáor salakozaásával úgy, hogy az új karakeriszika a 0 dbs engely éppen az eredei öréspon frekveniáján messze. Minden gyök 90 - forga (a örésponban 45 o), így a fázisaralék legrosszabb esen is legalább 45. ϕ 45 fázisaralék a kompenzálás uán ϕ fázisaralék a kompenzálás elő Gyakorlai megoldás: k C A b k 0 C k b A sávbővíő kompenzálás elve (45 -os fázisaralékra): Az k frekveniára egy új öréspono helyezünk egy külső kondenzáor salakozaásával úgy, hogy az új karakeriszika a 0 db-s engely éppen a * zárhurkú karakeriszika örésponi frekveniáján messze. A o Kompenzál karakeriszika k A o () eredei zárhurkú karakeriszika * lg() Gyakorlai megoldás: C k b k ϕ() -π/4 -π/ 3π/4 -π lg() ϕ fázis aralék kompenzálás elő ϕ 45 fázis aralék kompenzálás uán Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 5
I b I b0/ Miskoli Egyeem Elekroehnikai-Elekronikai Tanszék k k ( ) b ( A K ) * 0 A A v 0 A K k C k 0 A 0 ( A K ) 0 A0 A0 Av A sávszűkíő kompenzálás eseén a kompenzál öréspon /A 0 így a sávszélesség-nyereség a sávszűkíőhöz képes (A 0 /A v ) -szeres. A gyakorlai apaszala azonban az, hogy a indulási adaok egy része nem hozzáférheő, ezér a gyári kaalógusok aralmazzák vagy szöveges, vagy grafikus formában a kompenzáláshoz szükséges külső alkarészek javasol éréké. 3.4.. Ofsze hibák és kompenzálásuk A művelei erősíős kapsolások analizálásakor feléelezük, hogy az áramkör meneén áram nem folyik. A gyakorlaban pa-ől (FET meneű áramkör) na-ig (ranziszoros meneű áramkör) válozik az áram. A kapsolásoknál az is feléelezük, hogy az ofsze feszülség nulla, ami a gyakorlaban rikán eljesül, álalában az éréke mv nagyságrendű. A hibák meghaározásánál vegyük fel a valóságos művelei erősíő helyeesíőképé egy olyan kapsolás feléelezve, amelye nem vezérlünk (azaz a meneére 0V feszülsége adunk akár inveráló, akár neminveráló menről vezérelve). Az egyes hibaforrások haásának szűrése érdekén hanyagoljuk el a közösmódusú erősíés okoza hibá. ± b0 I bn I b I b0 / A 0 u s0 u 0 3 I b I bp I b -I b0 / A menei hibafeszülsége a szuperpozíió módszerével haározhajuk meg, mivel a generáorok (I bn, I bp és b0 ) függelenek egymásól: I.) Működjön az ofsze feszülség generáor, akkor a ké (I bn és I bp ) áramgeneráor meg kell szakíani. Az áramgeneráorokon áram nem folyik, így az 3 -s ellenálláson nem esik feszülség, ehá a (-) mene feszülsége ± bo, így a menei feszülség: 0I ± b0 II) Működjön az I bp áramgeneráor, akkor az bo feszülséggeneráor rövidre zárjuk az I bn áramgeneráor megszakíjuk. A () mene feszülsége: bp 0II I 3 bp bp 3I bp III) Működjön az I bn áramgeneráor, akkor az b0 feszülséggeneráor rövidre zárjuk az I bp áramgeneráor megszakíjuk. A () mene feszülsége 0 V. Ebből kövekezik, hogy a (-) men feszülsége is sak 0 V lehe, így a meneen folyó áram sak az irányából érkezhe. 0 III I bn Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 6
A menei hibafeszülség a három eredmény algebrai összege: 0 ± b0 I b ± b Ib 0 0 3 3 44 43 4 4 44 4443 4 44 4443 A I Ib b0 B Ib 0 3 Ib C 3.4... Ofsze hiba sökkenése a ervezés során A feni levezeésből szabályoka állíhaunk fel, amelyeke a ervezés során kell arani az ofsze hiba sökkenése érdekén. Az ofsze hiba minimalizálása egyn az ofsze feszülség és áram drifjei álal okozo hibá is sökkeni. G) Az (A) képleből láhaó, hogy az ofsze feszülség hibája egyenesen arányos a visszasaol erősíéssel, ehá nagy ofsze feszülségű áramkörök eseén sak s erősíés engedheő meg. H) A (B) összefüggés leheővé eszi a nyugalmi áram haásának ejésé, amennyin az 3 ellenállás úgy válaszjuk meg, hogy a zárójeles ag nulla legyen: 3 0 3 Álalános összefüggéskén elmondhaó, hogy a kompenzáló ellenállás úgy kell megválaszani, hogy mindké mene azonos ellenállás lásson. I) Ha az ellenállásoka a B összefüggés alapján válaszjuk meg, akkor az ofsze áram okozo hiba sak az ellenállásól függ (C): I bo 3 Ibo A visszasaoló ellenállásnak nem szabad úl nagynak lenni az ofsze áram okoza hiba sökkenése érdekén. Megjegyzés: a FET meneű erősíők ofsze áramai elhanyagolhaóan sik (pa nagyságrendűek), így a gyakorlaban az 3 -s ellenállásra nins szükség, de válozó hőmérsékle haására az egyébkén s érékű ofsze áram is megnő. Ha a drifeke is sökkeneni akarjuk, akkor FET-es erősíő eseén is indokol lehe a kompenzáló ellenállás alkalmazása. 3.4... Ofsze kompenzálás A 3.4... fejezen megfogalmazo szabályok szigorú arása eseén is szükség lehe ofsze kompenzáióra. A művelei erősíők soporosíása ofsze kompenzálás szemponjából: 3. Külső kompenzálású áramkörök (állíó poenioméerrel) 4. Kivezee kompenzáió nélküli áramkörök A kompenzáió során a saikus ofsze feszülség és áram haása kompenzálhaó, de a drifek nem. A gyakorlaban a drifek okoznak öbb gondo, azaz az ofsze paraméerek megválozása hőmérsékle, ápfeszülség és hosszú idejű üzemelés során. Ezek ellen sak megfelelő ervezéssel, alasony drifű áramkörök alkalmazásával, vagy auomaikus kompenzáiójú áramkörök alkalmazásával védekezheünk. Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 7
3.4... Külső vezee kompenzáiójú áramkörök A művelei erősíők ulajdonságai alapveően meghaározza a menei differeniál erősíő, amely egyn az áramkör legérzékenyebb része is. Az ofsze kompenzáió érdekén a menei differeniálerősíő áramgeneráorában hoznak lére külső alkarészekkel olyan aszimmeriá, amely a menei feszülsége nullára állíja. A külső alkarészek élő áramkör avakoznak, így a lső áramkör ismeree hiányában a javasol kapsolásól és érékekől elérni nem szabad. 0 MΩ Kompenzálás µa748-s erősíőnél Pl. µa74/748-s áramkör kompenzáiója ( ) ofsze - ofsze - Kompenzálás µa74-s erősíőnél Σ0 kω 3.5. Művelei erősíők kapsolóüzeme A művelei erősíők elíéses üzemén a menei feszülség éréke nins lineáris kapsolaban a menei feszülséggel. A elíéses aromány jellemző paraméerei: a) saikus paraméerek maximális menei feszülségek: max (röviden Û ) és - max (röviden Û -). (A ké feszülség különböző lehe.) Maximális szimmerikus menei feszülségaromány: ± smax Maximális közösmódusú menei feszülségaromány: ± kmax b) dinamikus paraméerek max. menei jelválozási sesség (slew rae) egyéb ranziens paraméerek A művelei erősíők menei jelválozási sessége alasony (különösen akkor, ha áramkorláozás is van épíve), ezér speiálisan erre az üzemállapora fejlesze, művelei erősíő kapsolásehnikán alapuló (és ezér ide sorol) komparáor áramkörök állnak rendelkezésre, amelyek sokkal gyorsabb jelválozási sességgel rendelkeznek. A komparáorok eseén a ranszfer karakeriszika linearíása is rosszabb, min az álalános élú művelei erősíőknél, mivel erősíőkén ezeke az áramköröke nem alkalmazzuk. A komparáorok speiális meneekkel is rendelkezhenek, így TTL vagy CMOS kompaibilis és nyio kollekoros (OC) mene. A legjellemzőbb alkalmazási erüleek: Komparáorok Mulivibráorok Hullámforma generáorok (a szarodalom alkalmankén ez az áramkör-soporo nem ide sorolja) 3.5.. Komparáorok A komparáorok ké feszülség összehasonlíására használ áramkörök. Az egyik feszülség a referenia feszülség ( EF ), amely ünee feszülség és ezzel hasonlíjuk össze a másik feszülsége. A komparáor egyik menei állapoa az > EF, míg a másik az < EF állaponak felel meg. Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 8
Komparáor ípusok: Hiszerézis-nélküli komparáorok Hiszerézises komparáorok Ablak-komparáorok Miskoli Egyeem Elekroehnikai-Elekronikai Tanszék A hiszerézises komparáorok abban különböznek a hiszerézis-nélküli komparáorokól, hogy az egyik elíési állapoból a másikba örénő felfuáshoz szükséges menei feszülségek elérnek egymásól. A közük lévő feszülségkülönbsége nevezzük hiszerézis-feszülségnek. A hiszerézises komparáoroka poziív visszasaolással gyorsíjuk, míg a hiszerézis-nélküli komparáorok álalában nem visszasaolak. Az ablakkomparáorok jelzik, hogy a vizsgálandó jel le esik-e a jel egy meghaározo arományába. 3.5... Hiszerézis-nélküli komparáorok A differeniál erősíő (ranszfer karakeriszikája mia) alapveően alkalmas ké feszülség s hibával örénő összehasonlíására. A művelei erősíők (még inkább a komparáorok) pedig felépíésük alapján a szimmerikus különbségi feszülsége erősíik, így ovábbi áramkörök nélkül is alkalmasak ilyen feladaok elláására. A hiszerézis-nélküli komparáor elvi kapsolása és ranszfer karakeriszikája: ˆ u u EF EF u ˆ Bármelyik mene lehe a referenia mene (eől függ, hogy a menei feszülsége hogyan érelmezzük). ˆ A0u ˆ s, ha, ha, ha EF u ˆ A u 0 u EF EF ˆ A ˆ A 0 EF 0 ˆ A A feni összefüggésekből láhaó a hiszerézis-nélküli komparáorok egyik háránya, hogy van egy aromány (a lineáris erősíés arománya, u u s A 0 ), ahol az áramkör nem komparáorkén, hanem erősíőkén viselkedik, bár ez a aromány a eljes menei jelarományhoz képes nagyon szűk. Az ilyen komparáorok alkalmazásá megnehezíi, hogy a menei jelre szuperponálódo - akár s mérékűzaj, zavar is a menei feszülsége állandóan válozaja, így a zajos menei jele előzeesen le kell szűrni. Ezek a hibák a hiszerézis-nélküli komparáorok alkalmazhaóságá erősen korláozzák. A gyakorlaban elsősorban nullpon (nullámene) deekorkén alkalmazzuk őke. A mene védelme a szimmerikus menei feszülség-úlerhelés ellen: 0 Az ellenállások helyes méreezésével a maximális szimmerikus menei feszülség ± D lesz. u EF Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 9
A mene védelme a közösmódusú menei feszülség-úlerhelés ellen: u EF A menei feszülségek A komparáorok ké menei feszülség érékkel rendelkeznek, azonban ezek a feszülségek nem sabilak, érékük a erhelésől, ápfeszülség-válozásól és a hőmérsékleől függ és smérékn válozha. Amennyin sabilabb, vagy meghaározo feszülség-arományú jelre van szükség, akkor a menee sabilizálni kell. A menei feszülség sabilizálása Zener diódákkal: Z Z D ( Z D) Az méreezésénél figyelem kell venni a komparáor maximális menei áramá, a erhelés áramá és a Zener szükséges minimális áramá is! Z Speiális menei feszülségek A komparáorok menee salakozha TTL vagy CMOS áramkörökhöz, illeve meghajha speiális erheléseke, pl. relé, LED, sb. A digiális áramkörökhöz illeszkedő menenek kell elégíeni a szigorú menei feszülségekre vonakozó előírásoka. Így, pl. a TTL szinű mene előállíhaó: Gyárilag TTL szinre illesze meneű speiális komparáorokkal (kaalógus áramkörök) Illesző áramkörök alkalmazásával (eseleg szigeel leválaszással, pl. oposaolókkal) Nyio kollekoros (OC) meneű komparáorokkal (kaalógus áramkörök) Speiális Zener-diódás sabilizálással A sességigény mia a gyors TTL meneű komparáor az opimális megoldás, de ezek speiális áramkörök. Egy másik leheőség a nyio kollekoros meneű áramkörök alkalmazása 5 V Az erhelés lehe egyéb erhelés is, pl. relé. A ápfeszülség is növelheő, pl. 5 V-ra CMOS áramkörökhöz. 3.5... Hiszerézises komparáorok A hiszerézises komparáorok poziív visszasaolás aralmaznak, amelynek előnye, hogy haározoá eszi a komparálás (a legsebb különbség haására - a poziív visszasaolás mia- a különbségi jel folyamaosan nő és a mene elíés megy) és felgyorsíja a mene elíési állapoának elérésé. Gyakorlailag lineáris erősíési aromány nem lehe. A hiszerézises komparáorok egy elsősorban a digiális ehnikában használválfajának elnevezése: Shmi-riggerek. A Shmi-riggereke megvalósíják diszkré áramkörökkel, pl. ranziszorokkal, de gyakrabban inegrál formában a Shmi-riggeres digiális áramkörök formájában. A komparáor mind az inveráló, mind a nem inveráló mene felöl lehe vezérelni. Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 0
Inveráló mene felöl vezérel komparáor u u s EF u u p A poziív mene feszülsége a szuperpozíió éel segíségével számíhaó: u p u EF A mene billenése (egyik elíési állapoból a másikba áválása) akkor kövekezik, amikor az u s előjele vál. A válás az u u p feszülségnél kövekezik. A mene ké éréke vehe fel, így a billenés ké menei állaponál örénik: ˆ ˆ EF EF Ha az u s poziív, akkor a mene Û éréken lesz. Ez akkor áll fenn, ha a u. A mene akkor lesz Û - éréken, ha u. A referenia feszülség eszőleges előjelű lehe. A feniek alapján az áramkör ranszfer karakeriszikája: Û u EF /( ) u Û - H A hiszerézis aromány nagysága: ( ˆ ) ˆ H Neminveráló mene felöl vezérel komparáor EF u s u u u p A poziív mene feszülsége a szuperpozíió éel segíségével számíhaó: u p u A billenés haára: EF u p. u Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára
A billenés ké menei állaponál örénik: ˆ ˆ EF EF Miskoli Egyeem Elekroehnikai-Elekronikai Tanszék Amennyin az u s poziív, akkor a mene Û éréken lesz. Ez akkor áll fenn, ha a u. A mene akkor lesz Û - éréken, ha u. A referenia feszülség eszőleges előjelű lehe. A feniek alapján az áramkör ranszfer karakeriszikája: EF ( / ) u Û u Û - H A hiszerézis aromány nagysága: ( ˆ ) ˆ H 3.5..3. Ablak-komparáorok Az ablak-komparáorok az előbbiekől elérően a meneükön az jelzik, hogy a menei jel egy ado arományban van-e vagy sem. Alapveően ké hiszerézisnélküli komparáor logikai kapsolaán alapul. EF 4 Működési feléel: EF > EF, ami az oszóval bizosíhaó. EF u 3 D D Az áramkör viselkedésé a menei feszülség három arományára vizsgáljuk: 5. Az u > ref > EF.Ekkor az komparáor menee aû -, az komparáor menee perig Û állapoban lesz. A D dióda veze, a D zár. A menei feszülség Û - D lesz. 6. Az r ef >u > EF. Ekkor az és az komparáor menee Û állapoban lesz. A D és a D dióda zár. A menei feszülség lesz (erhelés nélkül). 7. Az ref > EF >u. Ekkor az komparáor menee Û, az komparáor menee perig Û - állapoban lesz. A D dióda veze, a D zár. A menei feszülség Û - D lesz. A ranszfer karakeriszika a feniek alapján: u EF EF u Û - D Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára
3.5.. Mulivibráorok Miskoli Egyeem Elekroehnikai-Elekronikai Tanszék A mulivibráorok ké menei állapoal rendelkező impulzusehnikai áramkörök. Aól függően, hogy a ké mene közül hány mene állapoa sabil és hány válozha meg külső avakozás nélkül a mulivibráoroka három soporra oszjuk: Asabil mulivibráorok (AMV): mindké menei állapo insabil, állapoá külső avakozás nélkül meghaározo időfüggvény szerin válozaja (szabadon fuó oszilláor). Monosabil mulivibráorok (MMV): egy sabil állapoa van. Az áramkör ebből a sabil állapoból sak külső jel (rigger) haására billen, de a mene áhaladva az insabil állapoon ismé a sabil állapoba ju. Különbség van a különböző MMV áramkörök közö abban, hogy a már elindío mulivibráor a billenési idő ala újra indíhaó-e vagy sem egy újabb indíó jellel. Bisabil mulivibráorok (BMV): ké sabil meneel rendelkeznek és inkább a digiális ehnikában alkalmazoak (árolók). A sabil állapookból sak indíó jelek segíségével billenheők. Álalában ké jelre van szükség a billenéshez és a visszabillenéshez (SET, ESET), de vannak áramkörök, ahol egy jellel is megoldhaó az egyszer oda- egyszer visszabillenés (T ároló) Diszkré kapsolásehnikával mindhárom áramkörfajá megvalósíják, de művelei erősíőkkel sak az AMV és az MMV áramkörök megvalósíása szokásos. Digiálisehnikai áramkörökkel (TTL, CMOS) monosabil mulivibráor és ároló áramköröke valósíoak meg, az AMV a monosabil áramkörökkel valósíhaó meg. Működése: 3.5... Asabil mulivibráor művelei erősíővel A kapsolás ké visszasaolás aralmaz a) egy poziív visszasaolás ellenállásoszón kereszül és b) egy időfüggő negaív visszasaolás az C inegráoron kereszül. A () meneen a feszülség ( p ) mindenkor a menei feszülség egy meghaározo (leoszo) része. A ( ) meneen a feszülség (u ) a kondenzáoros inegráor mia exponeniálisan válozik (a menei feszülség közel állandó, így a ölés konsans feszülségről örénik, ami exponeniális ölőáramo eredményez). u C i Amennyin a kondenzáor feszülsége eléri az p feszülségé (ami konsans, ha a menei feszülség konsans), akkor a mene az u s előjelválása mia ellenkező állapoába vál. p Û u u p Elmélei kondenzáor feszülség Û - Legyen a ké menei feszülség abszolú éréke azonos: Û.! p ˆ τ u e ( ˆ p ) p A ölés (vagy süés) addig ar, amíg u p nem lesz. p u e τ ( ˆ ) p p τ ln Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 3
Ha a ké menei feszülség azonos (feléel vol), akkor a ölési és süési idő is azonos lesz, így a periódusidő T Az AMV frekveniája: A ölési ényező f T τ ln γ 50% T A frekvenia válozahaó az / aránnyal, a ölési ényező és a frekvenia együ válozahaó, ha az ölő/süő ágban egy diódával különböző ölő és süő ellenállás állíunk. Működése: 3.5... Monosabil mulivibráor művelei erősíővel A kapsolás hasonló felépíésű, min az AMV, sak egy indíó meneel rendelkezik és a kondenzáor feszülsége negaív irányban egy dióda segíségével az D feszülségen haárolva van. u C A működés feléele p > D D C i Alapállapoban (sabil állapo) a mene u Û - éréken van (a dióda u jelenlegi köési iránya melle, de fordío köés eseén is működik a kapsolás, sak akkor érelemszerűen minden állapo ellenéesre válozik). Az -C áramkör deriváor áramkörkén működik és a menei jele deriválja. A deriválás során előállío poziív impulzus hozzáadódva az p mene jeléhez a mene feszülségé megemeli a dióda feszülsége fölé és így a mene ábillen a másik elíési feszülségre. (Ennek ovábbi feléele, hogy a deriválás során kelekező impulzus szélessége akkora legyen, hogy a menei jelválozási sessége figyelem véve legyen elegendő idő az áválásra, mielő az impulzusjel leseng.) p Û u Elmélei kondenzáor feszülség p D u -Û u indíás derivál jel A negaív impulzus a sabil állapoo nem folyásolja, mivel az így kapo feszülség a mene feszülségé olyan irányba válozaja, hogy a sabil állapo ne válozzon. Az insabil állapoban ( ) a kapsolás úgy működik, min az AMV kapsolás. A ranziens lezajlása uán a mene a sabil állapoba ábillen és o marad, amíg újabb indíó impulzus nem érkezik. Fordío sabil állapo állíhaó, ha a dióda irányá megfordíjuk. Újabb indíó impulzusnak sak idő uán szabad érkeznie, egyébkén a működés bizonyalan lesz. Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 4
Legyen a ké menei feszülség abszolú éréke azonos: Û. Hanyagoljuk el a dióda feszülsége a menei feszülséghez képes, mivel Û >> D. p ˆ τ u e ( ˆ D ) D Az insabil állapo (billenés) addig ar, amíg u p nem lesz. p u e τ ( ˆ ) D D τ ln A billenési idő válozahaó az / aránnyal. Az érzékelenségi aromány ( ) meghaározhaó az előzőek szerin: ( ˆ p ) p u τ e Az érzékelenségi aromány addig ar, amíg u - D nem lesz. D u e τ ( ˆ ) p p τ ln τ ln 3.5.3. Időzíők/imerek Az időzíő áramkörök a komparáorok és a logikai áramkörök olyan speiális kapsolásai, amelyek álalános élú időzíés, valamin AMV, MMV, PWM, sb. feladaok végrehajására alkalmasak. Egy ipikus imer éláramkör: Az áramkör széles ápfeszülség-arományban működik és mind ranziszoros, mind FET-es ehnikával megvalósíják. ese örlés hreshold küszöb Conrol vezérlő Trigger indíás Cl S _ Q erősíő Q disharge süés S Oupu mene ároló Működése: A menee alapállapoba a ESET mene segíségével lehe állíani. Ha a TIGGE meneen a feszülség sebb, min /3, akkor az a ároló billeni Q állapoba (ez a mene is egyn) és a kapsoló S kapsol, mivel a negál mene állapoa0 lesz. Ha a THESHOLD meneen a feszülség nagyobb, min /3, akkor a ároló örlődik, a Q0, lesz és a kapsoló ranziszor kapsol. A CONTOL meneen kereszül leheőség van a referenia feszülség állíására. Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 5
Alkalmazási példa: AMV időzíő áramkörrel ( ) Tölés: Kisüés: τ ( ) 3 e τ ln τ C 3 e τ ln A frekvenia: τ C 3 ( ) 0.7τ τ ( ) 0.7τ f A ölési ényező: 3 3 3 ( τ τ ) ln( ) ( ) ln( ) C τ γ T τ τ A menei jel elvileg sem lehe szimmerikus, mivel a ké időállandó különböző! C ESET CONTOL THESHOLD TIGGE OT DISCHAGE 3.6. Jelkondiionáló áramkörök A jelkondiionáló áramkörök feladaa, hogy alasony jelszinű jelforrások jelé olyan szinre hozza, hogy az ovábbi feldolgozásra alkalmas legyen. A jelforrások álalában alasony jele szolgálaó (µv...mv) nemvillamos mennyiségeke áalakíó szenzorokól (ransduer) származnak, és nagy erősíés igényelnek különlegesen nagy lineariással és sabiliással alasony zajszin melle (ezek mérésehnikai erősíők, így a mérési hiba mia különösen alasony hiba engedheő meg). Gyakran egyéb járulékos feladaoka is meg kell oldani, pl. galvanikus leválaszás vagy karakeriszika linearizálás, hőkompenzáió, sb. Gyakori, hogy a jelforrás és a jelfeldolgozás helyileg jelenős ávolságra van egymásól, így analóg jelávieli és EMC zavarvédelmi problémák is felmerülnek. Ennek megoldására szolgáló erősíők a feszülség/áram áalakíó erősíők. A jelkondiionáló áramkörök közé lehe sorolni a jelformáló erősíőke is, amelyekről korábban már szó ese (Elekronika I.). A ovábbi fejezeek elsősorban a mérésehnikában fonos jelkondiionáló erősíők jellemzőivel foglalkoznak. Tipikus jelforrások: reziszív érzékelők indukív érzékelők kapaiív érzékelők piezoelekromos érzékelők, sb. A jelforrások (J), ápelláás (T) és a jelkondiionáló áramkörök (A) salakozaásának leheséges módjai (a jelforrás ípusáól függően): -vezeékes rendszerek: A módszer háránya, hogy a zavarvédelmi szemponból legérzékenyebb vezeék a referenia vagy vonakozaási vezeék (kevésbé szabaosan a földvezeék) bizonyalan impedaniájú. Ez a megoldás álalában olyan helyen alkalmazzák, ahol a vezeékekkel való akarékosság fonos, pl. gépjárművek elekromos és elekronikai egységei. J A Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 6
-vezeékes rendszerek: A módszer elsősorban konakusnélküli közelíéskapsolók (rendszerin kéállapoú) jeleinek ovábbíására használjuk. A jeladó önfogyaszásá egy minimális áram fedezi és az ennél nagyobb áram hordozza az informáió, amelye egy ellenállással alakíunk á feszülséggé a jelfeldolgozó számára. Szokásos, pl. a 4 ma referenia szin vagy élőnulla és 0 ma, min jelszin. Élőnulla alkalmazása leheővé eszi a vezeékszakadás szűrésé is. A módszer vezeék akarékos, de analóg ávielre korláozoan alkalmas. J A T 3-vezeékes rendszerek: jel A megoldás közös földvezeéke használ, amely analóg jeláviel eseén galvanikus saolási hibáka hordozha magában. Különösen jól alkalmazhaó azonban közelíéskapsolók jelének ovábbíására, ahol a jel-mene lehe relés, NPN vagy PNP ranziszoros. J - A T 4-vezeékes rendszerek Különösen jól használhaó fél-, vagy eljes hídba kapsol, illeve egyéb szimmerikus menei feszülségű áalakíók eseén (pl. nyúlásmérőbélyeges híd). A jel szimmerikus jelkén kerül feldolgozásra, így a közösmódusú problémák jobban kezelheők. A jelvezeék álalában árnyékol, mivel a jelszin alasony és érzékeny az elekromágneses zavarokra. A módszer háránya, hogy hosszú vezeékek eseén (amely az ipari gyakorlaban a jelforrás helye és a feldolgozás helye közöi ávolság mia jelenős lehe) a vezeék impedaniák haásá, az árammal ájár ápfeszülség vezeékeken fellépő feszülségesések mérési ponosságo ronó haásá nem lehe kompenzálni. J - Jel- Jel A T 6-vezeékes rendszerek: Ké árammal nem erhel- vezeékkel (sense és sense-) érzékeljük a híd ápfeszülségé a szenzor helyén és a ápegység a ápfeszülsége nem a jelfeldolgozási, hanem a jelforrási oldalra sabilizálja így a ápfeszülség vezeékek impedaniáján lérejövő feszülségesés kompenzálja. Ezzel a megoldással a 4-vezeékes rendszerre elmondo hiba jelenősen sökkenheő. A szenzor (sense) vezeékeke árammal erhelni nem szabad. J - Sense- Sense Jel Jel- A T 3.6.. Mérőerősíők (Műszererősíők, Insrumenaion amplifiers) A mérőerősíők az alasony jelszinű jelforrások jelé erősíik fel az analóg ehnikában szokalanul nagy, gyakran öbzer-szeres erősíéssel nagy linaríás és sabiliás melle. Bizonyos ípusaik egészíő elekronikakén aralmazhanak szűrőke is (monoliikus műszererősíők). Az alapveő probléma az, hogy a jelforrás jelszinje és a külső és lső forrásokból származó zaj és zavar, valamin a drifek (hőmérséklei, ápfeszülség okoza és hosszúidejű alkalmazás okoza drif) a jelforrással közel azonos jelszine eredményezhenek, amely leheelenné enni a hasznos jel és a zajok zavarások széválaszásá. Leheséges megoldás a jel megszaggaása (hopper-sabilizál egyenáramú erősíők) és válakozó jelkén örénő erősíése (ilyenkor az egyenáramú hibák haása lesökken), majd az egyenszin visszaállíása szűrőkkel, azonban ez a módszer jelenősen lekorláozza a jövő jel felső haárfrekveniájá a szükséges minavéelezés mia. A fejeze ovábbi részei ezér sak a gyakrabban alkalmazo, szélesebb sávú egyenáramú műszererősíőkkel foglalkoznak. Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 7
A mérőerősíők álalános jellemzése: szimmerikus mene, aszimmerikus mene nagy erősíés alasony menei feszülség aromány nagy CM alasony zaj nagy menei ellenállás nagy linearíás alasony drifek (nagy sabiliás) 3.6... Három művelei erősíős mérőerősíő (műszererősíő) Mérőerősíőke egy- és kéműveleierősíős megoldásokkal is fejleszeek, de jobb megoldás eredményeznek a fejezeen mérésehnikai élokra fejlesze műszererősíők, amelyeke gyakran egy inegrál formában illeve összeeebb -egyéb funkiókkal is egészíe- esen hibrid áramkörkén gyáranak. Az áramkör alkalmas nagyobb erősíések megvalósíására (000-500), amely különösen alasony jelszinű áalakíók eseén fonos. Az alasony zaj, nagy linearíás és sabiliás, s drifek és nagy CM alapköveelmény. Inegrál formájában úgy alakíják, hogy sak minimális külső alkarész igényelnek, mivel ezek ulajdonságai leronhaják az egész áramkör ulajdonságai. Gyakran épíésre kerül a hídmeghajó ápegység (6-vezeékes alakíásban), valamin hibrid esen hangolhaó analóg szűrő kapsolások is salakoznak az áramkörhöz. Alapkapsolás: I 4 4 3 u 3 s 4 u Megjegyzés: A meneen lévő C agok (szaggaoan rajzolva) a zajok, zavarok szűrésé szolgálják, illeve a menei ellenállás állíják opimális érékre, alkalmazásuk opionális. Az erősíés meghaározása: A A A, ahol A I az első, az A II a második fokoza erősíése, A u az eredő erősíés. u I II Az első fokoza erősíésé abból indulva haározhajuk meg, hogy a művelei erősíők ké menei kapsa közö a feszülség elhanyagolhaóan si lineáris üzemn. Ez figyelem véve az 4 ellenállás feszülsége meg kell, hogy egyezzen közelíőleg a menei feszülséggel. Figyelem véve az, hogy elhanyagolhaó a művelei erősíő folyó menei áram, így az 3 ellenállásokon folyó áramoknak meg kell egyezni az 4 ellenálláson folyó árammal. u 4 I u i 3 i 3 4 u u 4 4 4 u 4 I. fokoza II. fokoza 3 4 u 3 4 I AI u 3 4 Dr. Kovás Ernő: Elekronika II. előadás jegyze Villamosmérnök alapszakos (BS) nappali agozaos hallgaók számára 8