2.B lapáramkörök alkalmazásai Mőeleti erısítık Mutassa a mőeleti erısítık felépítését, jellemzıit és jelképi jelöléseit! smertesse a mőeleti erısítık tömbázlatos felépítését! smertesse a differenciálerısítık, az áramgenerátorok, a fázisösszegzık és a szinteltolók felépítését és mőködését! ajzolja fel a mőeleti erısítıs alapkapcsolásokat, értelmezze jellemzıiket: feszültségerısítésüket, meneti és meneti ellenállásukat! Mutassa a mőeleti erısítık mősza katalógus adatait! z erısítık osztályozása z elektronikai iparnak az 960-as éekn történt nagy iramú fejlıdése létrehozta a mikroelektronikát és ezen lül az integrált áramköri technikát is. z integrált áramkör ( angolul: ntegrated Circuit, röiden C) fı jellemzıje, hogy itt az aktí és passzí áramköri elemek egy-egy csoportját és az ezeket egyfoglaló összekötéseket egyidejőleg, azonos gyártástechnológiáal hozzák létre, ellentétn az egyedi (diszkrét) alkotórészekbıl felépített áramkörökkel, amelyeknél külön égezték el az alkatrészek gyártását és összeszerelését. mőeleti erısítı z analóg integrált áramkörök két nagy csoportra oszthatók: nierzális integrált áramkörök: amelyek sokféle üzemmódban, sokféle célra használhatóak. z unierzális áramkörök közül emelkedı jelentısége an az integrált mőeleti erısítıknek, amelyek a mérés- és irányítástechnika, híradástechnikai rendszerek unierzális elemeként tenthetıek. Funkcionális áramkörök: ezek meghatározott célfeladat megoldására készülnek. Mi ezen témakörn a mőeleti erısítıel fogunk foglalkozni. Ezek az erısítık különleges tulajdonságokkal rendelkeznek, bonyolult felépítésőek és sokoldalúan felhasználható egyenáramú erısítık. z elneezés onnan ered, hogy eredetileg a szabályozástechnika és az analóg számítógépek megoldandó feladataihoz készültek diszkrét, majd integrált formában. megfelelıen alacsony áruk lehetıé teszi a mőeleti erısítık széleskörő használatát és a felhasználási területek bıülését. Így jelenlegi felhasználási területük terjed az elektronika, híradástechnika, mérés- és irányítástechnika területeire. mőeleti erısítı tömbázlatos felépítése Ezek az erısítık egyenáramú erısítık, amelyek olyan áltakozó feszültségő erısítık melynek alsó határfrekenciája nulla. Tehát alkalmas egyen- és áltakozó feszültségő jelek erısítésére is. mőeleti erısítık felhasználásakor fontos feladat a drift alacsony értéken tartása, ezért menetükön étel nélkül differenciálerısítıt alkalmazunk. S N P - + Szinteltoló Erısítı Szinteltoló ifferenciálerısítı Fázisösszegzı Teljesítményerısítı mőeleti erısítı tömbázlata meneti differenciálerısítı nagy érzékenységő és jelentıs feszültségerısítéső. második fokozat a fázisösszegzı áramkör, amely a jelet aszimmetrikussá alakítja és szintillesztés után újabb feszültségerısítı fokozat köetkezik. meneti teljesítményerısítı egy szinteltoló fokozaton keresztül ezérlıdik. mőeleti erısítık szabányos jelölése z integrált mőeleti erısítık rajzjele a köetkezı ábrán látható. feszültségek a közös pontra, a testpontra onatkoznak, amelyet a köetkezı ábrán feltüntettünk. mőeleti erısítı rajzjele mőeleti erısítı onatkoztatási pontjai
ezetések elneezése és feladatuk + jellel jelölt pont menet és nem inertáló menetnek neezzük. Ez azt jelenti, hogy a rákapcsolt feszültség ( P ) a meneti ponton azonos polaritással, azonos fázisban jelenik meg. - jellel jelölt meneti pont az inertáló agy fázisfordító menet, hiszen az ide kapcsolt jel ( N ) a meneten fordított polaritással, illete ellenfázisban érzékelhetı. menıfeszültség meghatározása Ha a mőeleti erısítı két menetére az ábrán látható feszültséget kapcsolunk, akkor a meneti kapcsokon a két jel felerısített különbsége tapasztalható. u 0 ( P N ) u 0, ahol az a két meneti pont közötti feszültségkülönbség, az u0 pedig a differenciális nyílthurkú erısítés. mőeleti erısítı paraméterei z egységnyi erısítés határfrekenciája z egységnyi erısítés határfrekenciája: f. zt a frekenciát értjük alatta, amikor a nyílthurkú feszültségerısítés nullára csökken slew-rate Slew-rate: S. z erısítı meneti feszültségének a maximális áltozási sességét jelenti, egységugrás meneti jel esetén. jeláltozás sessége a nullátmenetnél a legnagyobb, hiszen ott a legmeredekebb az érintı. menı jel akkor tenthetı torzítatlannak ebbıl a szempontból, ha teljesül, hogy: S 2 π f cs tápfeszültségtartomány tápfeszültség tartomány: ± T. mőeleti erısítı szimmetrikus tápfeszültségének maximális és minimális értéke. nyugalmi teljesítményfelétel Nyugalmi teljesítményfelétel: P 0. Terheletlen és ezérlésnélküli állapotban az energiaforrásból felett teljesítmény nagysága, ha a meneti feszültség nulla értékő. z üzemi hımérséklettartomány z üzemi hımérséklettartomány: T ü. Üzemi hımérséklettartománynak neezzük azt a környezeti hımérséklettartományt, ahol a gyártó által a katalógusban megadott üzemi paraméterek garantáltak. helyettesítı kép mőeleti erısítı alacsonyfrekenciás helyettesítı képe mőeleti erısítı differenciális ezérlése mőeleti erısítı közös módusú ezérlése deális esetn, ha két (inertáló és nem inertáló) menetre azonos feszültséget kapcsolunk, akkor a meneti feszültség nulla értékő lesz, hiszen az differenciális feszültség nulla: u 0 ( P N ) 0 z ideális mőeleti erısítıkre jellemzı, hogy torzítás nem lép fel, paraméterei nem hımérséklet függıek, tápfeszültség függetlenek és a közös módusú erısítésük nulla. Fıbb jellemzıik:. nyílthurkú erısítésük: u0 Bemeneti ellenállásuk:. Kimeneti ellenállásuk: 0. 2
meneti áramok értékei: P N 0. Mőködési frekenciatartományuk : 0 Hz... Hz. meneti munkaponti áram Bemeneti munkaponti áram: B. meneti differenciálerısítı munkaponti bázisáramainak számtani középértéke. meneti ofszet áram Bemeneti ofszet áram: B0. z a szimmetrikus meneti áram, amely nulla meneti feszültség eléréséhez kell. B0 B B2 meneti ofszet feszültség Bemeneti ofszet feszültség: B0. z a szimmetrikus meneti feszültség, amely a meneten nulla feszültséget eredményez. meneti ellenállás Bemeneti ellenállás:. lacsony frekencián a szimmetrikus meneti feszültség és a szimmetrikus meneti áram hányadosa. B meneti ellenállás Kimeneti ellenállás:. mőeleti erısítı meneti ellenállása alacsony frekencián az üresjárási meneti feszültség és a röidzárási áram hányadosa. z üresjárási nyílthurkú feszültségerısítés Üresjárási (nyílthurkú) feszültségerısítés: u0. isszacsatolatlan erısítı terheletlen menete esetén az alacsonyfrekenciás szimmetrikus meneti jellel mért feszültségerısítése. u0 közös módusú feszültségerısítés Közös módusú feszültségerısítés: uk. Ha a mőeleti erısítı két meneti kapcsán azonos amplitúdójú és fázishelyzető feszültség an jelen, akkor közös módusú ezérlésrıl szélünk. Ez a feszültségerısítés a mőeleti erısítı terheletlen menettel, isszacsatolás nélkül, alacsony frekencián, közös módusú meneti jellel mért feszültségerısítése: uk K közös módusú feszültségelnyomási tényezı Közös módusú feszültségelnyomási tényezı (CM, E K ): G. nyílthurkú differenciális erısítés és a nyílthurkú közös módusú erısítés hányadosa: CM E K sászélesség G u0 uk Sászélesség: f 0. z a frekencia, amelynél a nyílthurkú feszültségerısítés értéke 3 db- el csökken, többnyire a 0 Hzhez képest. Tipikus értéke: 0 Hz. z ideális mőeleti erısítı paraméterei mőeleti erısítıkkel égzett számítások során olyan mőeleti erısítıket alkalmazunk, amelyet ideálisnak tenthetünk. alóságban ilyen erısítı nincs, iszont a napjainkban készült jó minıségő áramkörök ezen eszközt megközelítik, s nem köetünk el nagy hibát, ha ezzel az idealizált áramkörrel dolgozunk. alóságos mőeleti erısítı paraméterei: a katalógus gyártás során nem lehetséges idealizált tulajdonságokkal felruházott mőeleti erısítıt elıállítani, a gyártás során készített áramköröket alóságos mőeleti erısítıknek neezzük. Bár igyekeznek a gyártók a minél jobb megközelítésére az ideálisnak, a gyártástechnológia ezt nem teszi lehetıé. 3
Nem fogunk jelentıs hibát elköetni a számításaink során, ha a napjainkban gyártott nagyon jó minıségő áramkört ideálissal helyettesítjük. Egy alóságos mőeleti erısítı fıbb jellemzı értékei: nyílthurkú erısítésük: u0 3 0 6 Bemeneti ellenállásuk: 200MΩ Kimeneti ellenállásuk: 0 meneti hibafeszültség: 0,5mV meneti áram: 0p közös módusú erısítés: uk 0,2 meneti áramdrift: 0,5n/K mőeleti erısítı feszültségátiteli karakterisztikája isszacsatolatlan mőeleti erısítı frekenciamenete mőeleti erısítı tokozása L tok L-8 tok TO-99 tok differenciálerısítık, az áramgenerátorok, a fázisösszegzık és a szinteltolók felépítése és mőködése differenciálerısítık bipoláris agy térezérléső tranzisztorokkal alakított differenciál-erısítık az analóg integrált áramkör alapetı kapcsolási egysége. Általános alkalmazását elsısorban szimmetrikus felépítésének és jó egyenáramú erısítı tulajdonságainak köszönheti. iffrenciálerısítı alapkapcsolás bipoláris tranzisztorral diffrenciálerısítı alapkapcsolás unipoláris tranzisztorral kapcsolási rajz mőeleti erısítık meneti fokozatai differenciál-erısítık, bipoláris agy térezérléső tranzisztorral felépíte. 4
bipoláris tranzisztorok két bázisa, a FET-ek esetén a kapuelektródája képezi a földhöz képest a szimmetrikus meneteket. szimmetrikus meneti feszültség s a két kollektor, a FET- ek esetén a két drain között mérhetı. nullázás, ofszetegyenlítés differenciál- erısítı akkor ideális, ha a két tranzisztor paraméterei és a megfelelı ellenállások azonosak, tehát teljesen szimmetrikus áramkörrıl an szó. Ha nem ezéreljük az erısítıt, akkor: 2 C C 2 E2 2 S 2 2 2 egyenlítés lehetıségei alóságos differenciál-erısítı az alkatrészek szórása miatt nem lehet szimmetrikus, ezért az erısítı menetén feszültség jelenik meg nulla menı jel esetén is. Ezért az erısítıt szimmetrizálni kell, amit nullázásnak agy ofszetegyenlítésnek neezünk. P potenciométer segítségéel a két kollektor áramot azonos értékőre állítjuk úgy, hogy a meneti feszültség nulla értéket egyen fel. diszkrét tranzisztorokkal alakított diffrerenciál-erısítık alkatrészeinek megfelelı álogatásáal csak s aszimmetria jelentkezik, ezért ideálisnak is tenthetı. iffrenciálerısítı alapkapcsolás bipoláris tranzisztorral, nullázási lehetıséggel diffrenciálerısítı alapkapcsolás unipoláris tranzisztorral, nullázási lehetıséggel közös módusú feszültségerısítés kkor, ha közös módusban ezéreljük a differenciál- erısítıt, felfogható két párhuzamosan kapcsolt, terheletlen közös emitterellenállással rendelkezı fokozatnak. lyenkor a közös módusú feszültségerısítés értéke: uk k 2 k 2 C E alóságos differenciál- erısítık esetén az uk 0 3, míg az us 0 2 nagyságrendő. differenciál- erısítık minıségi jellemzıje a CM, amelyet közös módusú jelelnyomási tényezınek neeznek. us Ek, agyis a differenciális és a közös módusú feszültségerısítések hányadosa. uk CM ezérlési módok z erısítı ezérlése két módon történhet: ifferenciális ezérlés: ilyenkor bipoláris tranzisztornál a két bázist a földhöz képest különbözı jelek ezérlik, amint azt a köetkezı ábrán szemléltetjük. Közös módusú ezérlés: a ezérlı jel közös, szimmetrikus összeteıt nem tartalmaz. Ekkor a két bázist illete a ezérlıelektródát a földhöz képest azonos jel ezérli. Ha tökéletes szimmetriát tételezünk fel, akkor a két 5
tranzisztor áramainak a áltozása is azonos nagyságú és fázishelyzető, a két kollektor potenciálja is azonosan áltozik, így szimmetrikus menı jel nincs: s us ( 2 ) 0 + T C C2 T T 3 T 2 2 E C3 diffrenciálerısítı ezérlése - T z aszimmetrikus menető diffrenciálerısítı fázisösszegzı áramkör z integrált erısítık általában többfokozatúak és szimmetrikus menetőek. Kimeneti fokozatuk azonban szinte étel nélkül aszimmetrikus (aminek az az oka, hogy a terhelés egyik égpontja többnyire földelt). Ezért az erısítın lül a szimmetrikus és aszimmetrikus fokozatot egymáshoz csatolni kell. Ezt a feladatot látja el a fázisösszegzı áramkör, ami a differenciál-erısítı két földszimmetrikus jelét egyetlen jellé egyesíti (lehetıleg csillapítás nélkül). T 3 tranzisztor bázis-emitter köre a differenciálerısítı szimmetrikus menetére an köte. Munkapontját a dióda nyitófeszültsége állítja, ezzel s aszimmetriát okoza a differenciálerısítı mőködésén. menet T 3 munkaellenállásán ( C3 ) már aszimmetrikus. arlington-kapcsolás bipoláris tranzisztorok áramerısítése nem mindig megfelelı. lyenkor használhatjuk a tranzisztorok arlingtonkapcsolását. darlington kapcsolás komplementer darlington kapcsolás arlington-fokozat kapcsolás tulajdonképpen két azonos típusból felépített egyetlen tranzisztornak felel meg. smere a tranzisztor alapegyenletét és a h paraméterek jelentését leezethetı, hogy az így elıállított tranzisztor paraméterei a köetkezıképpen alakulnak. Jellemzı, hogy a számunkra fontos paraméterek h -szeresre nöekednek. Számos esetn elınyös lehet két különbözı típusú tranzisztorból alakítani a párt. Ezt a kapcsolási módot komplementer arlington-kapcsolásnak neezzük. tranzisztoros áramgenerátor z áramgenerátorok feladata, hogy állandó áramot szolgáltassanak egy terhelésen, függetlenül a rajta esett feszültségtıl. 6
alóságos áramgenerátor meneti árama csak egy bizonyos tartományban állandó értékő. Ha egy normál mőködési tartományban mőködı negatí áram- isszacsatolással ellátott tranzisztoros erısítı bázisfeszültségét stabil értéken tartjuk, akkor az terhelı áram közel állandó értékő és nem függ az terhelı (kollektor) ellenállástól. Tranzisztoros áramgenerátor eli megoldása Tranzisztoros áramgenerátor feszültségosztóal Áramgenerátor Zener-diódáal felépíte z egyszerő áramtükör Kis menı áramú áramtükör kapcsolási módok izsgálat Egyik megoldás, hogy a bázisfeszültséget egy már jól ismert bázisosztó határozza meg. Egy másik mód, hogy a bázisfeszültség állandó értéken tartása megoldható Zener- diódáal is. z összefüggések z összefüggések ismertetése kapcsolás meneti árama: B BE0 t E E összefüggéssel írható le. smerünk ún. speciális áramgenerátorokat, amelyeket áramtükörnek is szoktak neezni. mőeleti erısítık meneti fokozatai z integrált áramkörök égerısítı fokozatától s meneti ellenállást, nagy ezérelhetıséget és lehetıleg s torzítást kíánunk. mőeleti erısítık meneti fokozataként leggyakrabban s munkaponti áramú komplementer tranzisztoros emitterköetı erısítıt alkalmaznak. Jellemzıje, hogy kettıs tápfeszültség alkalmazása esetén, ezérlés nélkül az erısítı menetén feszültség nem jelenik meg. meneti fokozat kapcsolása nem inertáló alapkapcsolás mőködése és fontosabb jellemzıi isszacsatolás mutatásra kerülı kapcsolásban ideális mőeleti erısítıt alkalmazunk, az áttenthetıség miatt elhagyjuk a tápfeszültségek csatlakozási pontjait és nem szerepeltetjük a kompenzálási megoldásokat. Egy mőeleti erısítı akkor an isszacsatola, ha menıjel egy részét isszaezetjük a meneti kapcsára. isszacsatolást külsı isszacsatoló hálózat segítségéel alósítjuk meg. 7
Negatí isszacsatolás Ha a isszacsatolt jel onódik a menı jelbıl, akkor negatí isszacsatolásról szélünk. z erısítı áramkörök esetén a negatí isszacsatolásnak an jelentısége, a pozití isszacsatolást az oszcillátorok esetén tárgyaljuk. z ábra jelöléseit alkalmaza, felírható: u + u β u Megállapítható, hogy a kapcsolás feszültségerısítését csak a külsı isszacsatoló hálózat határozza meg, nem függ a mőeleti erısítıtıl. legegyszerőbb isszacsatoló hálózat egy ohmos feszültségosztóból áll. Így lineáris erısítıként mőködik, mert erısítését csak a feszültségosztó osztási aránya határozza meg. kapcsolásban a isszacsatoló áramkör egy ellenállás. Felíra a csomóponti törényt az inertáló menetre, s együk figyelem, hogy ideális erısítırıl an szó, hiszen N 0,. meneti áram átfolyik az ellenálláson, és felíra a huroktörényt: N N kapott összefüggések érényesek lesznek akkor is, ha más áramkört kapcsolunk a mőeleti erısítı menetére és menetére. z áramkörnek a meneti ellenállása zérus, miel az nulla értékő: 0 nem inertáló erısítı nem inertáló erısítı alapkapcsolásán a menı jel a nem inertáló menetre an kapcsola, és fázisfordítás nélkül erısíte jelenik meg a meneten. Mőeleti erısítı negatí isszacsatolással nem inertáló erısítı negatí isszacsatoló áramkör negatí isszacsatoló áramkör, negatí isszacsatolással an elláta, amelyet az és ellenállások hoznak létre. mőeleti erısítı menetén jelentkezı differenciális feszültség:. mőeleti erısítı nyilthurkú és isszacsatolt erısítése: u0, u Kirchhoff-törények felhasználásáal adódnak a köetkezı összefüggések: u 0 u 0 ( ) u 0 + negatí isszacsatolás megalósítása feszültségköetı 8
isszacsatolt erısítı erısítése isszacsatolt erısítés: u + + u0 + Feltételeze, hogy az ideális mőeleti erısítı nyílthurkú erısítése égtelen nagy, az összefüggésünk a köetkezı egyszerőbb formában is felírható: u + z összefüggést elemeze, látható, hogy értéke csak pozití lehet, hiszen a tört értéke nulla agy pozití értéket ehet fel. Ez azt jelenti, hogy az áramkör a felerısített jel fázist nem, fordít. meneti ellenállás másik fontos jellemzı az erısítı meneti ellenállása, amely ideális mőeleti erısítı esetén:. isszacsatolt erısítı meneti ellenállása negatí isszacsatolás hatására, a meneti ellenállás, a nyílthurkú meneti ellenálláshoz képest is sebb lesz, értéke az erısítés csökkenés arányában csökken: u. u0 isszacsatolás hatása Ha elemezzük a nyílt hurkú erısítı erısítésének frekenciafüggıségét, akkor láthatjuk, hogy sebb erısítés esetén a törésponti frekencia a nagyobb frekenciák felé tolódik, tehát sebb erısítés esetén (negatían isszacsatolt erısítı) a sászélesség nöekszik. feszültségköetı erısítı fenti kapcsolás egy érdekes nem inertáló erısítı, amelyet feszültségköetınek neezünk. Ha a nne szereplı ellenállásokat felismerjük, akkor derül, hogy az u érték adódik, tehát a meneti jel köeti a meneti jel értékét. kapcsolás a meghajtó fokozatot nem terheli és feszültséggenerátoros menettel rendelkezik. mőeleti erısítı mutatásra kerülı kapcsolásban ideális mőeleti erısítıt alkalmazunk, az áttenthetıség miatt elhagyjuk a tápfeszültségek csatlakozási pontjait, és nem szerepeltetjük a kompenzálási megoldásokat. Egy mőeleti erısítı akkor an isszacsatola, ha menıjel egy részét isszaezetjük a meneti kapcsára. isszacsatolást külsı isszacsatoló hálózat segítségéel alósítjuk meg. z inertáló mőeleti erısítı negatí isszacsatolással z inertáló erısítı Ez az egyik legjobban elterjedt mőeleti erısítıs alapkapcsolás. z elneezés onnan ered, hogy az jelet az inertáló menetre kapcsoljuk. meneten a felerısített jel, mérhetı, amely a meneti jelhez képest ellenfázisban an. 9
negatí isszacsatoló áramkör z ábrára az alaptörényeket alkalmaza: + N N + + + deális mőeleti erısítı esetén, amikor 0 és N 0: + + melybıl köetkezik, hogy:. 0 isszacsatolt erısítı erısítése isszacsatolt mőeleti erısítı feszültségerısítése:. u z eredménybıl köetkezik, hogy az erısítı erısítését csak az alkalmazott ellenállások határozzák meg. meneti ellenállás kapcsolás meneti ellenállása:. isszacsatolt erısítı meneti ellenállása isszacsatolt erısítı meneti ellenállása: u. u0 isszacsatolás hatása isszacsatolás hatására az erısítı erısítése csökken u értékre, az erısítı sászélessége pedig nöekszik, hiszen nı a felsı határfrekencia. 0