Elektronika | Felsőoktatás » Differenciál műveleti erősítők

Differenciál erősítők Egyen feszültségű erősítők felépítése emlékeztető az előző fejezetben tárgyaltakhoz egy kicsit másként felrajzolva. 1. ábra Differenciál erősítő kapcsolási I C1  I S exp U BE1 UT I C 2  I S exp U d  U BE1  U BE 2 I 0  I C1  I C 2 Ud I  U UT I C1   0 1  th d U 2 2 U T 1  exp d UT I 0 exp I C1  U BE 2 UT     I0  U U d2  1  d        2  2  U T 24  U T  Integrált Műveleti erősítők Műveleti erősítőnek eredetileg analóg számítógépekben a számítási műveletek végzésérre használták, nagy erősítésű egyenfeszültségű erősítőket nevezték. Ezeknél az erősítőknél galvanikus csatolást, és az ilyenkor fellépő problémák megelőzésére nagymértékű negatív visszacsatolást alkalmaztak. A z általánosan alkalmazott műveleti erősítő szimmetrikus bemenetű és aszimmetrikus

kimenetű. Az általunk eddig vizsgált erősítők/ tranzisztoros alapkapcsolások/ aszimmetrikus bemenetűek és kimenetűek voltak. A be- és kimenő feszültséget is az erősítő egy pontja és a földpont között értelmeztük. A szimmetrikus bemenet azt jelenti, hogy az erősítőnek két bemenete van, és a bemenő feszültséget e két a „+” -szal jelölt nem invertáló és a” –” al jelölt invertáló bemenő pont közé kapcsoljuk. A kimenet itt is aszimmetrikus, azaz a kimenőfeszültség a kimenet és a földpont között mérhető. +U T U bes U bep + U ben -U T 2. ábra Műveleti erősítő jellemző paraméteri A műveleti erősítő be-és kimenő feszültsége közötti kapcsolat: U ki =A 0 (U bep - U ben )=A 0 U bes ahol A 0 a műveleti erősítő nyílthurkú (visszacsatolás nélküli) erősítése, U bep a pozitív bemenetre kapcsolt aszimmetrikus (a földhöz képest mért) jel, U ben a negatív bemenetre kapcsolt aszimmetrikus (a

földhöz képest mért) jel, U bes a pozitív és a negatív bemenetek között mérhető (szimmetrikus) jel. A képletből látható, hogy ha U bes pozitív ( az ábrán jelölt irányú), a kimenő jel is pozitív a földhöz képest, ha pedig U bes negatív az ábrán jelölt iránnyal ellentétes irányú a „- „ a „+” bemenet felé mutat, U ki a földhöz képest negatív lesz. Ez csak akkor igaz ha a műveleti erősítőt a földhöz képest pozitív és negatív Ú T tápfeszültséggel is ellátjuk. Kiolvasható a képletből, hogy(ideális műveleti erősítőnél) nincs jelentősége annak, hogy U bep és U ben a földhöz képest milyen értékű, a kimenőfeszültség csak a két feszültség különbségétől függ. Az ideális műveleti erősítő A 0 nyílthurkú erősítése végtelen, a valóságos erősítőké jellegzetesen 103.105 nagyságrendű, és a tápfeszültségnek is függvénye A műveleti erősítő transzferkarakterisztikája (a be-és kimenő

feszültség közötti összefüggés) a következő ábrán látható: U ki +U T1 12V 1,2mV U bes 1,2mV -U T 12V komparátor lineáris komparátor tartomány 3. ábra műveleti erősítő transszfer karakterisztikája A karakterisztikából látható, hogy az U ki =A 0 U bes összefüggés csak addig érvényesül, amíg a kimenőfeszültség el nem éri a pozitív illetve a negatív tápfeszültséget. A Műveleti erősítő nyilvánvalóan nem tud a tápfeszültségeknél nagyobb kimenőfeszültséget produkálni, ezért, ha a kimenőfeszültség elérte a tápfeszültséget, U bes bemenő feszültség növekedése már nincs hatással a kimenőfeszültségre. Legyen pl +Út=12v és –Út=12V valamint A 0 =104 (az ábra ezzel a feltételezéssel készült) Ha U bes =0V, akkor az U ki =0V. U bes növekedésekor U ki is nő, és akkor éri el a kimenőfeszültség a pozitív tápfeszültséget, amikor U bes eléri az 1,2 mV(=12/104) értéket. Ha U bes >1,2mV, a

kimenőfeszültség U bes értékétől függetlenül 12V. Hasonló a helyzet negatív bemenő feszültség esetén is csak negatív irányban. A ezeket a megállapításokat figyelembe véve a műveleti erősítő üzemekét szakaszra bontható: 1. lineáris szakasz , analóg üzem Amikor a kimenőfeszültség még nem érte el a tápfeszültséget, és az U ki =A 0 (U bep -U ben )=A 0 U bes összefüggés érvényes 2. komparátor üzem, amikor a két bement közötti szimmetrikus feszültség (U bes ) meghaladja azt a értéket, amikor U ki eléri a tápfeszültséget, és ekkor U ki = +Ú T , ha U bes >U ben és U ki = -Ú T , ha U bep <U ben Azaz az erősítő „összehasonlítja”, komparálja a nem invertáló bemenet és az invertáló bemenetre adott feszültségszintet, és ha a nem invertáló bemenet adott feszültségszintje magasabb, a pozitív, ellenkező esetben a negatív tápfeszültséget adja a kimenetre. Amikor a műveleti erősítőt erősítőként

akarjuk használni, a karakterisztika lineáris szakaszán kell maradnunk, amikor a kimenőjel még arányos a bemenőjellel. Ekkor a két bemenet között legfeljebb néhánytized milivolt feszültség lehet (az áramkörben mérhető egyéb feszültségekhez képest igen csekély) ezt a feszültséget a gyakorlati számításoknál el szoktuk hanyagolni, és azzal a közelítéssel élünk, hogy a műveleti erősítő bemenetei között a feszültségkülönbség 0. Az integrált műveleti erősítők bemenő ellenállása igen nagy, a bemenő áram nA vagy pA nagyságrendű. Ez az áramkörben folyó egyéb áramokhoz képest elhanyagolható, ezért azzal a közelítéssel élünk, hogy a műveleti erősítő bemenő árama 0. A műveleti erősítő munkapontjának beállítása a negatív visszacsatolással A műveleti erősítő munkapontját negatív visszacsatolással állítjuk be (azaz a kimenőjelet az erősítő negatív „-” bemenetére vezetjük vissza. I1 -U T R2

U1 R1 + U be U ki +U T 4. ábra Műveleti erősítő negatív visszacsatolással A műveleti erősítő nem invertáló bemenete a földre van kötve. A bemenőjelet az R 1 ellenállás és a földpont közé kapcsoljuk. I 1 =0 -U T R2 R1 + U ki U be -U ki +U T 5. ábra Visszacsatolt műveleti erősítő szakadt bemenettel Először vizsgáljuk meg, miként alakul a kimenő feszültség, ha a bemenetre nem kapcsolunk semmit. Ebben az estben az R 1 ellenálláson nem folyik áram, mivel feltételezésünk szerint a műveleti erősítő bemenő árama 0, Kirchhoff csomóponti törvénye szerint R 2 ellenálláson sem folyhat áram, azaz rajta nem esik feszültség, ezért az invertáló bemeneten U ki kimenő feszültség jelenik meg. Az 5 ábrából kiolvashatjuk, hogy: U be = U ki Ugyanis U be feszültség iránya a műveleti erősítő nem invertáló bemenetétől az invertáló bemente felé mutat. Minden műveleti erősítőre igaz: U ki = A 0 U be Ez azt jelenti

esetünkben U ki =-A 0 U ki Ami csak úgy lehetséges mivel A 0 ≠0, ha U ki =0 A negatív visszacsatolás tehát önmaga állítja be a kivezérlés nélküli 0V munkaponti feszültséget. Ha ugyanis a kimenőfeszültség valamilyen okból 0-nál kicsit pozitívabbá válna az invertáló bemenetre ez a pozitív feszültség, kerülne, márpedig ha az invertáló bemenet a pozitívabb, a kimenőfeszültség negatív irányba változik, egészen addig, amíg 0-ra nem csökken. Ha a kimenőfeszültség valamilyen okból 0-nál kicsit negatívabbá válna, ez a feszültség az invertáló bemenetre visszajutva a kimenőfeszültséget pozitívabbá tenné. Egyensúly ekkor is csak akkor alakulna ki, ha kimenőfeszültség 0. Ha műveleti erősítő nem invertáló bemenetére csatolnánk vissza, akkor pozitív visszacsatolást kapnánk. Ebben az esetben is kialakulna egyensúlyi állapot, a 0V kimenőfeszültség esetén a munkapont fennmarad. Ha a kimenőfeszültség egy kicsit

pozitívabbá válna, akkor ez a nem invertáló bemenetre jutva a kimenőfeszültséget még pozitívabbá tenné, ezért a kimenőfeszültség a pozitív tápfeszültségre ülne ki. Ha pedig a kimenet negatívabb valami oknál fogva ez a pozitív bemenetre jutva az erősítőt a negatív tápfeszültségre ülteti ki. A negatív visszacsatolás biztosítja a műveleti erősítő munkapontjának beállását úgy, hogy annak a kimenő feszültsége közel 0 legyen, ekkor pedig a műveleti erősítőnk analóg üzemmódba működik, tehát a két bemenet közötti feszültségkülönbség 0-va közelíthető. Példaként vizsgáljuk meg a 2-es ábra szerinti kapcsolás U ki /U be feszültségerősítésének alakulását! Abban az esetben, ha az invertáló bemenetre U be feszültséget kapcsolunk, a kimeneten U ki feszültség jelenik meg: 1. A nem invertáló bemenetre földet kötöttünk, tehát a földhöz képest a potenciálja 0. Mivel a két bemenet közötti

feszültségkülönbség feltételezésünk szerint 0, az invertáló bemenet is 0 potenciálon van. 2. R 1 ellenállás az U be bemenő feszültség, és a 0 potenciálú invertáló bemenet közé van kapcsolva. Ezért R 1 ellenállás sarkai között U be feszültség esik, és Ohm törvénye szerint rajta: I1  3. 4. U be R1 áram folyik. I 1 áram elvileg két irányba folyhat tovább a műveleti erősítő invertáló bemenete, és az R 2 ellenállás felé. Közelítésük szerint azonban a műveleti erősítő bemenő árama 0, ezért az I 1 áram csak R 2 ellenálláson folyhat keresztül, és azon Ohm törvény szerint: Ú R =I 1 R 2 feszültséget ejt. A feszültség irány a megegyezik az áram irányával, azaz az ellenállás bal oldala a pozitívabb, a jobb oldala a negatívabb. Tekintettel arra, hogy az ellenállás bal oldala a műveleti erősítő invertáló bemenete melynek potenciálja 0, jobb oldala pedig az erősítő kimenete, melynek potenciálja U ki , a

kimenő feszültség éppen az ellenálláson eső feszültséggel egyezik meg, irány pedig a földhöz képest negatív: U ki  I1 R 2   5. U be R2 R1 Az erősítő feszültségerősítése: AU  U U ki R 1   be R 2  2 U be R1 U be R1 A negatív előjel azt jelenti, hogy a bemenő feszültség és a kimenő feszültség előjele különbözik, azaz az erősítő fázist fordít, invertál, ezért az ábrán látható kapcsolást invertáló erősítőnek nevezzük. Az erősítés nagysága a visszacsatoló elemektől: R 1 és R 2 ellenállástól függ és (legalább is , ameddig a kiindulási közelítésünk alkalmazható) nem függ a műveleti erősítő nyílthurkú erősítésétől és annak Pl: a tápfeszültségétől függő változásaitól. Az természetes, hogy a műveleti erősítő feszültségerősítését csak csökkenteni lehet a negatív visszacsatolással növelni nem. A visszacsatolt erősítő A U erősítése tehát (R 1 és R

2 viszonyától függetlenül) csak kisebb lehet, mint A 0 . Ameddig A 0 >>A u , addig érvényes az a kiindulási közelítés, hogy a műveleti erősítő bemenetei közötti feszültségkülönbség 0, azaz elhanyagolható az áramkörben mérhető egyéb feszültségekhez képest. Ha az erősítés közelít a nyílthurkú erősítéshez, a nagy erősítéshez (és a tápfeszültségnél kisebb kimenőfeszültséghez) már olyan kicsi bemenő feszöltség tartozik, amely egy nagyságrendbe esik a műveleti erősítő bemenő feszültségével, ezért már nem hanyagolható el az áramkör többi feszültségeihez képest, ilyen esetben a nyílthurkú erősítés értékét is figyelembe kell venni a számításnál. Műveleti erősítők jellemző paraméterei Jellemző parméterek Bemeneti ell. Kimeneti ell. Erősítés Ofszetfesz. Kivezérelh. Határfrekv. Zajfesz. Tényleges mértékegység Bipoláris Ideális Rb Rk A0 U0 ΔU ki f/f U zaj ∞ 0 ∞ 0 <±U Táp

0/∞ 0 5*107 10 105 10 ±13 0/100 2 Ω Ω μV V MHz μV FET 1013 1 106 200 ±12 0/70 1 A műveletei erősítővel készíthetünk más áramköri elrendezést is. A visszacsatolás módja és a bemenetek elrendezése határozza meg az erősítő típusát. A teljesség igény nélkül néhány alapvető áramköri kapcsolást mutatunk be. Összeadó és kivonó áramkör U be1 R 1be I1 -U T R2 U be2 R 2be U1 U ben R nbe + U ki +U T kimeneti feszültség:  U ki  R2 R R U be1  2 U 2  .  2 U n R 1be R 2 be R nbe A kimeneten a bemenetekre adott feszültségek súlyozott összege jelenik meg. A kimenti feszültség ellentétes fázisban van a bemenő jelek algebrai összegével. Pl: u1=2V u2= -3V ∑u1+u2= -1V U ki = +1V Ha R 1be =R 1be . Nagy bemeneti ellenállású fázisfordító erősítő R1 + R2 -U ki R4 U3 R3 A kimeneti feszültség U ki  R2 R1  R  1  4  ha R 2 >>R 3 R3   Kivonó áramkör R1 R 1 /α

+ -U ki R 3 /α R3 U k = α (U be3 - U be1 ) α = visszacsatolási tényező Kisfrekvenciás nem fázisfordító erősítő C3 + U be - A kimeneti feszültség: R3 -U ki R2 R1 C1 R  R  U ki  1  2  U be R1   kimeneti hibafeszültség: U kihiba  U hiba  I be R 2  R 3  Az alsó határfrekvenciát R 1 C 1 és R 3 C 3 időállandója határozza megAz erősítő egyenfeszültségü visszacsatolása maximális, hibafeszültség erősítése egységnyi. A munkaponti bemenő áram R 2 -n és ( I be R 2 )feszültségesést hoz létre és at R 3 ellenálláson U ph  I be R 3 . Feszültség keletkezik