Fakulta biomedic ınsk eho inˇzen yrstv ı Elektronick e obvody 2016 prof. Ing. Jan Uhl ıˇr, CSc. 1

Transkript

1 Fakulta biomedicínského inženýrství Elektronické obvody 2016 prof. Ing. Jan Uhlíř, CSc. 1

2 Obsah předmětu Elektronické obvody 1. Zesilovače analogových signálů 2. Napájení elektronických systémů 3. Nelineární a regenerativní obvody 4. Elektronické logické členy 5. Obvody pro číslicové zpracování signálů 2

3 1. Zesilovače analogových signálů Model zesilovače Zpětná vazba v elektronických obvodech - záporná zpětná vazba Ideální operační zesilovač - základní zapojení Reálný operační zesilovač - parametry integrovaných OZ a jejich význam 3

4 Zesilovač pro ozvučení sálu u 1 zesilovaè napìtí u z 4

5 Zesilovač napětí model a parametry R 0 A u R out R z u 0 R in u1 A u.u 1 u 2 u z. 1. vstupní odpor R in, 2. výstupní odpor R out, 3. napět ové zesílení A u, ideální zdroj napětí řízený napětím Zdroj signálu (mikrofon): vnitřní odpor R 0, napětí naprázdno u 0. Výstupní napětí u z je na zatěžovacím odporu R z (reproduktor). R in R z u z = u 0 A u R in + R 0 R out + R z 5

6 Model pro popis omezení přenosu v oblasti vysokých a nízkých kmitočtů C 1 R 2 x100 C 2 f d = 1/(2π C 1 ), = 1MΩ, C 1 = 1nF, f d = 159Hz f h = 1/(2πR 2 C 2 ), R 2 = 100Ω, C 1 = 10nF, f d = 159kHz 6

7 Omezení přenosu v oblasti vysokých a nízkých kmitočtů Micro-Cap 11 Evaluation Version circuit3.cir K 10K 100K 1M db(v(4)) K 10K 100K 1M ph(v(4)) (Degrees) F (Hz) 7

8 Zesilovač napětí se zpětnou vazbou R 0 A u R zv R out R z u 0 R in u1 A u.u 1 u 2 u z. 8

9 Zpětná vazba zjednodušený zesilovač (R in, R out 0, u z u 2 ) R 2 u 0 _ u u 1 2 R z + u 1 = u ( ) 2 R 2 R2 = u 0 u 2 = u 2 = u 0 A u + R 2 + R 2 + R 2 když A u, u 1 0, u 2 ( R 2 )u 0.. A u R (1 + A 1 u +R 2 ), 9

10 Zpětnovazební soustava X 0 X 1 X 2 A X 10

11 β = X β X 2 A = X 2 X 1 X 1 = X 0 + X β A = X 2 X 0 = A 1 βa Kde všechna X, A a β jsou reálná čísla (SUS), komplexní funkce ω (HUS), nebo Laplaceovy obrazy (LT). 11

12 Zpětná vazba kladná podkritická 0 < βa < 1 Mez stability, vazba kladná kritická βa = 1 Kladná nadkritická nestabilní obvod se zpětnou vazbou βa > 1 Záporná zpětná vazba βa < 0 12

13 Přímá větev A je v elektronických obvodech tvořena zesilovačem, často zesilovačem napětí. Zpětnovazební větev β je obvykle tvořena pasivním obvodem. Ve většině výpočtů lze zanedbat přenos vstupního signálu ze slučovacího bodu na výstup soustavy přes zpětnovazební větev (dominuje přenos přímou větví). Signál vedený z výstupu zesilovače do slučovacího bodu lze popsat jako signál ze zdroje napětí s určitým vnitřním odporem. Výstup zpětnovazební větve může být připojen ve slučovacím bodu ke vstupu zesilovače paralelně nebo v sérii. 13

14 Možnosti uspořádání slučovacího bodu zpětnovazebního obvodu R in R out R in R out vstup u 1 A u u 1 vstup u 1 A u u 1 R β u β β R β u β β sériová vazba paralelní vazba 14

15 Vstupní signál zpětnovazebního obvodu může být odvozen z výstupního napětí zesilovače nebo z jeho výstupního proudu zpětná vazba napět ová, nebo proudová: R in R out vstup u 1 A u u 1 i 2 R Z u 2 R β u β β u 2 napět ová vazba i 2 proudová vazba. 15

16 IDEÁLNÍ OPERAČNÍ ZESILOVAČ 16

17 Idealizace zesilovače IDEÁLNÍ OPERAČNÍ ZESILOVAČ A u βa u A 1/β pokud je zpětná vazba za všech podmínek záporná, bude u 1 = 0 a u 2 bude mít hodnotu právě takovou, že u 1 = 0. Ideální operační zesilovač má nulový výstupní odpor a vstupními svorkami při nulovém napětí neprotéká proud. 17

18 Zpětná vazba odporová, napět ová, sériová neinvertující zesilovač napětí R 2 _ u 1 u 2 R z + u 0. u 0 u 2 + R 2 = 0 u 2 = (1 + R 2 )u 0 Neinvertujcí zesilovač s R 2 = 0 nebo = se označuje jako napět ový sledovač u 2 = u 0. 18

19 Zpětná vazba odporová, napět ová, paralelní invertující zesilovač R 2 u 0 _ u u 1 2 R z +. u 0 R 2 + R 2 u 2 + R 2 = 0 u 2 = ( R 2 )u 0 19

20 Součet vážených napětí invertující sumátor (sčítací zesilovač). 4 3 R u 04 u 03 u 02 u 01 0 u 2 R z u 01 + u 02 + u 03 + u ( 04 R 2 R 2 R 2 R 2 = u 2 /R 2 u 2 = u 01 + u 02 + u 03 + u pokud 1 = 2 = 3 = 4 = u 2 = R 2 (u 01 + u 02 + u 03 + u 04 ). ) 20

21 Vážený rozdíl dvou napětí. R 2 _ u 01 R 3 0 u 2 R z + u 02 R 4 R 4 R 2 R 4 ( + R 2 ) u 02 = u 01 + u 2 u 2 = u 02 R 3 + R 4 + R 2 + R 2 (R 3 + R 4 ) u R 2 01 necht R 2 / = R 4 /R 3 příp. R 4 = R 2 a R 3 =, potom u 2 = (u 02 u 01 ) R

22 Odporový žebřík R 2R R R R R U r U 1 r 2 U 1 r 4 U 1 r 8 U 1 r 16 U r 2R 2R 2R 2R 2R 2R 22

23 D/A převodník R 2R R R R U r 2R 1 2 U r 2R 1 4 U r 2R 1 8 U r 2R 2R U r b 3 b 2 b 1 b 0 R z u 2 = U r R z 2R ( 1 b b b b 3 Když bude U r = 16V, pak binární číslo b 3 b 0 určuje napětí ve voltech hodnoty 0 15 V. Např. 1011B = 11D u 2 = 11 V. ) u 2 23

24 Operační jednocestný usměrňovač 7,5 R 2 5,0 2,5 D1 D2 0,0-2,0 7,5 5,0 2,5 0,0-2,0 0m 5m 10m 15m 20m 0m 5m 10m 15m 20m 7,5 5,0 2,5 0,0-2,5-5,0 0m 5m 10m 15m 20m 24

25 Izolační operační zesilovač s optickou vazbou nula 1 u 0 nula 2 R 2 u 2 nula 1 nula 2 u 2 = u 0 R 2 u

26 Integrátor s operačním zesilovačem R u C i C 0 u ms 4ms 6ms 8ms 10ms ms 4ms 6ms 8ms 10ms R = 1kΩ C = 1µF i 1 = u 0 R, i C = i 1, u 2 (t) = u 2 (0) 1 RC t 0 u 0(t)dt. 26

27 . Integrátor s operačním zesilovačem v harmonickém ustáleném stavu. R C Û ÎC 0 Û 2 R = 1kΩ C = 1µF Û 2 = Û 0 1 jωrc viz invertující zesilovač 27

28 Diferenční zesilovač s identickými vstupními obvody u 12 R 2 u 02 R 3 R R 3 u 01 u 11 R 2 u 2 ( u 11 = u R 3 R ) ( R u 3 02 R, u 12 = u R 3 R u 2 = (u 11 u 12 ) R ( 2 = (u 01 u 02 ) 1 + 2R 3 R ) u 01 R 3 R ) R2 28

29 Vzorkovací obvody (S&H) u 0 R 0 S C p up u 0 1 S C p 1 u p R 0 D S R 2 1 u0 R p C p u p u 0 S C p u p 29

30 REÁLNÝ OPERAČNÍ ZESILOVAČ 30

31 REÁLNÝ OPERAČNÍ ZESILOVAČ stejnosměrné parametry reálného zesilovače a jejich vliv na zpětnovazební obvody frekvenční vlastnosti reálného zesilovače a jejich vliv na stabilitu zpětnovazebních obvodů přechodné děje vliv konečné doby přeběhu výstupního napětí 31

32 Reálný operační zesilovač statické vlastnosti Konečné zesílení A u, které označíme jako A dif Nenulové vstupní napětí u 1 = u 2 /A dif Nenulový výstupní odpor R out Omezený rozkmit výstupního napětí (output voltage swing) Vstupní odpor R in Vstupní proud i in, Nesymetrie vstupů offset napět ový u off a proudový i off Přenos souhlasného napětí A com 32

33 Reálný operační zesilovač statický model. i in R out u 1 i off u i u off R in u 2 = A difu i + A comu com i in u com. 33

34 Vliv konečného zesílení A dif, ofsetového napětí u off a omezeného rozkmitu výstupního napětí na charakteristiku vstup/výstup A dif = , u out = ±13 V. 15 u mV -150mV -100mV -50mV 0 50mV 100mV 150mV 200mV u1 uo uo1. 34

35 Vliv napět ové nesymetrie (ofsetu) na invertující zesilovač (ostatní parametry ideální). R 2 u 0 _ 0 u 2 R z + u off u 2 = u 0 R 2 + u off ( 1 + R 2 Příklad: = 10kΩ, R 2 = 100kΩ, u 0 = 0, 5V, u off = ±2mV, u 2 = 5V ± 22mV ). 35

36 Vliv ofsetového napětí na integrátor s operačním zesilovačem u off 0 C u 2 u0 i C u 2 (t) = u 2 (0) + 1 C t 0 ( u 0 ± u off ) dt 36

37 Přenos souhlasné složky vstupního napětí u 1 /2 u1 u 1 /2 u 2 u com Činitel potlačení souhlasné složky (Common Mode Rejection Ratio) A CMRR = 20 log dif A [db] com 37

38 Setrvačné vlastnosti reálného zesilovače Frekvenční závislost A dif (jω) a z ní plynoucí frekvenčně závislý posun fáze výstupního napětí. Omezená doba přeběhu výstupu u 2 mezi dvěma napět ovými úrovněmi při skokové změně vstupního napětí u 1. Parametr SR [V/s] rychlost přeběhu (Slew Rate) ve voltech za sekundu, nebo voltech za mikrosekundu. 38

39 Vnitřní struktura reálného operačního zesilovače Většina integrovaných operačních zesilovačů je zkonstruována jako obvod složený ze tří zesilovacích stupňů. Prvý stupeň má dva vstupy, invertující a neinvertující, zesiluje rozdílové napětí a potlačuje souhlasné napětí Druhý stupeň zpracovává signál z prvého stupně a výrazně jej zesiluje Třetí stupeň má malý výstupní odpor a je odolný vůči nestandardním připojením zátěže. Celý řetězec přenáší (zesiluje) stejnosměrné rozdílové vstupní napětí, avšak každý stupeň má svůj horní mezní kmitočet (nemůže zesilovat signály s libovolně vysokým kmitočtem). Tuto vlastnost lze pro každý stupeň modelovat nezatíženým RC obvodem s určitou hodnotou časové konstanty, resp. s určitou frekvencí zlomu na amplitudové frekvenční charakteristice. Takový model frekvenčního omezení zesilovacích možností jednotlivých stupňů umožňuje sledovat i charakteristiku fázovou. To bude předmětem následujícího zkoumání jevů typických pro zpětnovazební struktury. 39

40 Zpětná vazba v třístupňovém zesilovači, uzavřená smyčka, stabilní zesilovač frekvenční závislost s převýšením na vysokých kmitočtech 1k M A = u A u= A u= u 0 1 F 10nF 10nF db (v(6)/v(5)) (v(6)/v(5)) kHz 10kHz 100kHz 500kHz 1kHz 10kHz 100kHz 50 A ex = U 6 /U 5 40

41 Otevřená smyčka frekvenční analýza amplitudy a fáze napětí vedeného do sčítacího uzlu na vstupu zpětnovazebního obvodu 1k R 3=200k resp M 7 5 A = u A u= A u=1 100 u 0 1 F 10nF 10nF βa = U 7 /U 5 41

42 Otevřená smyčka amplituda a fáze A 200 db/deg 150 db/deg 100 db/deg 50 db/deg 0 R = 200k 3 R = 1M 3 A -50 db/deg -100 db/deg 100Hz 1KHz 10KHz 100KHz 1MHz 42

43 Nestabilní zesilovač R 3 = 200 kω, u 0 = 0 22,5V 15,0V 7,5V 0,0V -7,5V -15,0V 0 s 40 s 80 s 120 s 160 s 43

44 Operační zesilovač s frekvenční kompenzací A (db) m 1000m K 10K 100K 1M 10M 200 F (Hz) 150 ( ) m 1000m K 10K 100K 1M 10M F (Hz) 44

45 Průběhy napětí v obvodu při velkém rozkmitu budicího impulsu invertující zesilovač ( = 1 kω, R 2 = 10 kω, OZ LM741) u0 300mV 200mV 100mV 0-100mV -200mV 0 s 10 s 20 s 30 s 40 s 50 s 60 s u2 2.4V 1.0V V -2.4V 0 s 10 s 20 s 30 s 40 s 50 s 60 s 2V/4 s SR = 0, 5 V/µs 45

46 Výstupní napětí při harmonickém buzení, různé amplitudě a různém kmitočtu invertující zesilovač ( = 1 kω, R 2 = 10 kω, OZ LM741) f = 30 khz a 100 khz, U m = 0, 2 V f = 30 khz, U m = 0, 2 V a 0, 5 V 46

47 Výstupní napětí při harmonickém buzení maximální kmitočet přenesený bez zkreslení du 2 (t) dt = ωu 2m cos ωt f MAX = SR 2πU 2m [MHz, V, µs] 47

48 Integrovaný operační zesilovač OP 07 48

49 Integrovaný operační zesilovač OP 07 Input Offset Voltage VOS V Input Offset Current IOS na Input Bias Current IB ±1.2 ±4.0 na Input Resistance, Differential Mode Input Resistance, Common Mode RIN M RINCM 160 G Input Voltage Range IVR ±13 ±14 V Common-Mode Rejection Ratio VCM = ±13 V Large Signal Voltage Gain RL 2 k, VO = ±10 V CMR db AVO V/mV Slew Rate RL 2 k SR V/ s Closed-Loop Bandwidth AVOL = 1 Open-Loop Output Resistance VO = 0, IO = 0 Output Voltage Swing RL 2 k Power Consumption VS = ±15 V, No load BW MHz RO 60 VO ±11.5 ±12.8 V Pd mw 49