Elektronika 1 8. Előadás Műveleti erősítők. Alapkapcsolások műveleti erősítővel. Irodalom - Megyeri János: Analóg elektronika, Tankönyvkiadó, 1990 - U. Tiecze, Ch. Schenk: Analóg és digitális áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, 1999 - B. Carter, T.R. Brown: Handbook of Operational Amplifier Applications, TI, 2001 - Ron Mancini (szerk): Op Amps for Everyone, Texas Instruments, 2002 - Borbély Gábor: Elektronika II, 2006
Az ideális műveleti erősítő Feszültség-visszacsatolt műveleti erősítő paraméterei: szimmetrikus invertáló és nem invertáló bemenetekkel rendelkezik; bemeneti ellenállás végtelen nem terheli az őt jellel ellátó áramköröket; bemeneti áram nulla nem okoz munkapont-eltolódást a meghajtó generátor belső ellenállásán jelentkező feszültségesés; kimeneti ellenállás nulla egyszerűbb visszacsatolás-tervezés; szimmetrikus bemeneti jelek erősítése végtelen (csak negatív visszacsatolással használható); közös bemeneti jeleket csillapít; nincs bemeneti ofszet; nem érzékeny tápfeszültség- vagy hőmérséklet-ingadozásra; nagy bemeneti jel és kimeneti rövidzár védelem; a karakterisztikák frekvencia-függetlenek.
Műveleti erősítők felépítése Egyenfeszültség-erősítők, az egyes fokozatok között nincs csatoló kondenzátor, így munkapont-beállításaik kihatnak egymásra.
Műveleti erősítők felépítése Komplementer kaszkód Munkapont-beállítás hőkompenzált Rövidzár-védett differenciálerősítő bemenet áramgenerátorral és áramtükör-lánccal kimenet
Műveleti erősítők paraméterei Szimmetrikus bemeneti ellenállás (differential input resistance) bipoláris tranzisztorokkal néhány MW térvezérlésű tranzisztorokkal 10 12 W Szimmetrikus bemeneti kapacitás (differential input capacitance) néhány pf (frekvencia- és hőmérséklet-függő) Kimeneti ellenállás (output resistance) aktív rövidzár-védelemmel 100 W, passzívval néhány 100 W negatív visszacsatolásnál osztódik a hurokerősítéssel Nagyjelű szimmetrikus feszültségerősítés (large signal differential voltage gain) 100 110 db chopper-stabilizált (folyamatos offszet korrekció) erősítőknél 175 db Közös módusú feszültségerősítés (common mode voltage gain) közös jel nyílt hurkú erősítése terheletlen kimenettel vagy adott terheléssel Közös módusú feszültségelnyomási tényező (common mode rejection ratio) a nagyjelű szimmetrikus és a közös módusú erősítés hányadosa, legalább 90 db
Műveleti erősítők paraméterei Bemeneti nyugalmi áram (input bias current) közös bemeneti egyenáram pontosan nulla kimeneti feszültséghez bipoláris tranzisztorokkal 100 na térvezérlésű tranzisztorokkal 30 pa (hőmérsékletfüggő) Bemeneti ofszet feszültség (input offset voltage) bemeneti szimmetrikus egyenfeszültség pontosan nulla kimeneti feszültséghez néhány mv fontos hibaforrás, pontosan ki kell egyenlíteni Bemeneti ofszet áram (input offset current) bemeneti szimmetrikus egyenáram pontosan nulla kimeneti feszültséghez bipoláris tranzisztorokkal néhány 10 na térvezérlésű tranzisztorokkal 1..2 pa Ofszet vándorlás (drift) okozza: hőmérséklet-változás, tápfeszültség-változás, áramkör öregedése (1..2 mv/hónap) Bemeneti hőmérsékleti feszültség drift (input offset voltage drift) 3 10 mv/ C Bemeneti hőmérsékleti áram drift (input offset current drift) Tápfeszültség drift (supply voltage sensitivity) 10 100 mv/v
Műveleti erősítők paraméterei Maximális tápfeszültség (maximum supply voltage) 15 V névleges értékhez 18 V Minimális tápfeszültség (minimum supply voltage) egyes CMOS eszközök már 0.5 V-nál működnek Tápfeszültség elnyomási tényező (supply voltage rejection ratio) tápfeszültség drift és az előidéző tápfeszültség-változás hányadosa 100 mv/v, 90 db Maximális kimeneti feszültség (maximum peak output voltage swing) terhelésfüggő 2 3 V-ra megközelíti a tápfeszültséget Maximális kimeneti áram (maximum output current) 500 600 mw-os tokozásnál 20 30 ma, korlátlan ideig Üzemi hőmérséklettartomány (operating temperature range) ahol a paraméterek garantáltan tűréshatáron belül maradnak kommersz 0 +70 C ipari: 25 C +85 C katonai: 55 C +125 C
Műveleti erősítők dinamikus paraméterei Maximális kimeneti jelváltozási sebesség (slew rate, SR) 260 3500 V/ms, külső kompenzálással befolyásolható áramvisszacsatolt műveleti erősítőknél 10000 V/ms Kivezérlés határfrekvencia (maximum output swing bandwidth) ameddig a maximális kimeneti feszültséget adott torzítás mellett szolgáltatja néhány 100 khz
Műveleti erősítők dinamikus paraméterei Nyilthurkú feszültségerősítés határfrekvenciája (open loop bandwidth) ahol a feszltségerősítés 3 db-el csökken az alacsonyfrekvenciás érték alá néhány Hz Sávjóság: egyetlen domináns töréspont esetén a feszültségerősítés és határfrekvencia szorzata Egységnyi feszültségerősítés határfrekvenciája (unity gain frequency) ahol a feszltségerősítés egységnyire csökken néhány száz MHz
Alapkapcsolások műveleti erősítővel A legfontosabb egyszerűsítő feltételezések: végtelen bemeneti ellenállás; végtelen feszültségerősítés A végtelen bemeneti ellenállás miatt a bemeneti áram mindkét bemeneten nulla. A végtelen szimmetrikus feszültségerősítés és véges kimeneti feszültség miatt a két bemenet között feszültségkülönbség nem lehet a műveleti erősítő a két bemenetet azonos potenciálon tartja. Negatív visszacsatolás nélkül már a zajerősítés miatt telítődik (kapcsolőként működik). Alapvető visszacsatoló hálózatok Invertáló (fázisfordító): Nem invertáló (fázistartó):
Feszültségkövető, leválasztó fokozat Igen magas bemeneti, alacsony kimeneti impedancia. Fázistartó (nem-invertáló) erősítő Soros feszültség-visszacsatolásnál a hurokerősítés:
Ofszet-csökkentés A műveleti erősítő mindkét bemenetén azonos generátor-ellenállást lát. Véges erősítésből származó hiba (végtelen bemeneti ellenállás mellett)
Fázisfordító (invertáló) erősítő Az invertáló bemenet (A) virtuális földpontnak tekinthető. Véges erősítésből származó hiba (végtelen bemeneti ellenállás mellett)
Integráló áramkör Differenciáló áramkör
Fázisfordító súlyozott feszültségösszegző kapcsolás A virtuális földpont miatt az egyes bemenetek nem befolyásolják egymást. A ME ideális mivolta miatt érvényes szuperpozíció elve szerint a kimeneten az egyes bemenetek külön kiszámított hatásainak összege jeleni meg.
Különbségképző (differencia-erősítő) A szuperpozíció elvét alkalmazva:
Differencia-erősítő nagyobb bemeneti ellenállással Az invertáló bemenet alacsony ellenállását hivatott javítani. R (MW) >> R 1, R 2
Műszererősítő Nagy bemeneti ellenállású precíziós differencia-erősítő. Első fokozat: Második fokozat: neminvertáló pár differenciaerősítő R3 középpontja szimmetrikus jelre virtuális föld Nagy közösjel-elnyomási tényezőhöz A u1 >> A u2 (A uk1 =1).
Áramvisszacsatolt műveleti erősítők A feszültségvisszacsatolt ME-nél kevésbé precíz (nem differenciálerősítő a bemenet), viszont lényegesen gyorsabb. Elsősorban nagyfrekvenciás alkalmazások esetén használják (100 MHz fölött).
Áramvisszacsatolt műveleti erősítők R be+ nagy; R be kicsi Áramvezérelt feszültségforrás (transzimpedancia erősítő). Egységnyi feszültségerősítés. Nagy meredekség (transzfer impedancia): kis bemeneti áram nagy kimeneti feszültséget eredményez. Nagy kimeneti jelváltozási sebesség (slew rate): 10 V / ns. Sávjóság: több GHz. Ok: a kizárólag emitterkövető erősítőkben nem érvényesül a Miller-hatás.
Áramvisszacsatolt műveleti erősítő neminvertáló kapcsolása Z B 0 : Z :
Áramvisszacsatolt műveleti erősítő invertáló kapcsolása Z B 0 : Z : Ritkán használják az alacsony bemeneti impedancia miatt. Nagy Z G (és Z F az egységnyi erősítés megőrzéséhez) rontja a sávszélességet. Kis Z G esetén a frekvenciafüggő Z B dominál és az erősítés növekedik frekvenciával.