Vybrané vlastnosti obvodů pracujících v proudovém módu a napěťovém módu

Podobné dokumenty
AKTIVNÍ PRVKY V SOUČASNÉ ANALOGOVÉ TECHNICE

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela analýza obvodů s regulárními prvky

II. Nakreslete zapojení a popište funkci a význam součástí následujícího obvodu: Integrátor s OZ

Punčochář, J.: OPERAČNÍ ZESILOVAČE V ANALOGOVÝCH SYSTÉMECH 1

PŘEDNÁŠKA 2 - OBSAH. Přednáška 2 - Obsah

KOMPLEXNÍ DVOJBRANY - PŘENOSOVÉ VLASTNOSTI

Základy elektrotechniky

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

Zesilovače. Ing. M. Bešta

Operační zesilovač (dále OZ)

1 Elektrotechnika 1. 11:00 hod. R. R = = = Metodou postupného zjednodušování vypočtěte proudy všech větví uvedeného obvodu. U = 60 V. Řešení.

elektrické filtry Jiří Petržela aktivní prvky v elektrických filtrech

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ NÁVRH TRANSKONDUKTANČNÍHO ZESILOVAČE CMOS

Fyzikální praktikum 3 Operační zesilovač

(s výjimkou komparátoru v zapojení č. 5) se vyhněte saturaci výstupního napětí. Volte tedy

Obr. 1 Činnost omezovače amplitudy

VY_32_INOVACE_06_III./1._OBVOD STŘÍDAVÉHO PROUDU

Přednáška v rámci PhD. Studia

0,2 ma ZP 1 T 4 I (-) I B T 3 O (+) I (+) ZP 2. 1,3 ma T 1 T 2. zdroj proudu invertující řízený proudem

Kompenzovaný vstupní dělič Analogový nízkofrekvenční milivoltmetr

elektrické filtry Jiří Petržela filtry se syntetickými bloky

Studium tranzistorového zesilovače

Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití:

Praktické výpočty s komplexními čísly (především absolutní hodnota a fázový úhel) viz např. vstupní test ve skriptech.

POZNÁMKY K ZADÁNÍ PREZENTACÍ - 17BBEO - TÉMA 1

Signál v čase a jeho spektrum

popsat princip činnosti základních zapojení čidel napětí a proudu samostatně změřit zadanou úlohu

1 Elektrotechnika 1. 11:00 hod. = + Δ= = 8

OPERAČNÍ ZESILOVAČE V ANALOGOVÝCH SYSTÉMECH

I. Současná analogová technika

Přednáška 3 - Obsah. 2 Parazitní body effect u NMOS tranzistoru (CMOS proces) 2

10. Operační zesilovače a jejich aplikace, parametry OZ. Vlastnosti lineárních operačních sítí a sítí s nelineární zpětnou vazbou

Dvoustupňový Operační Zesilovač

Operační zesilovač. Úloha A2: Úkoly: Nutné vstupní znalosti: Diagnostika a testování elektronických systémů

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela obvodové funkce

1.6 Operační zesilovače II.

Obvodové prvky a jejich

Teorie úlohy: Operační zesilovač je elektronický obvod, který se využívá v měřící, výpočetní a regulační technice. Má napěťové zesílení alespoň A u

elektrické filtry Jiří Petržela filtry založené na jiných fyzikálních principech

OPERA Č NÍ ZESILOVA Č E

Operační zesilovače. U výst U - U +

Základní zapojení s OZ. Vlastnosti a parametry operačních zesilovačů

ISŠ Nova Paka, Kumburska 846, Nova Paka Automatizace Dynamické vlastnosti členů členy a regulátory

ISŠT Mělník. Integrovaná střední škola technická Mělník, K učilišti 2566, Mělník Ing.František Moravec

Kapacita, indukčnost; kapacitor-kondenzátor, induktor-cívka

Zdroje napětí - usměrňovače

elektrické filtry Jiří Petržela všepropustné fázovací články, kmitočtové korektory

Teorie elektronických

r Odvoď te přenosovou funkci obvodů na obr.2.16, je-li vstupem napě tí u 1 a výstupem napě tí u 2. Uvaž ujte R = 1Ω, L = 1H a C = 1F.

Wienův oscilátor s reálným zesilovačem

PROTOKOL O LABORATORNÍM CVIČENÍ - AUTOMATIZACE

Přednáška v rámci PhD. Studia

FYZIKA 2. ROČNÍK. Příklady na obvody střídavého proudu. A1. Určete induktanci cívky o indukčnosti 500 mh v obvodu střídavého proudu o frekvenci 50 Hz.

elektrické filtry Jiří Petržela aktivní filtry

Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing. Miroslav Krýdl Tematická oblast ELEKTRONIKA

Abychom se vyhnuli užití diferenčních sumátorů, je vhodné soustavu rovnic(5.77) upravit následujícím způsobem

Vznik střídavého proudu Obvod střídavého proudu Výkon Střídavý proud v energetice

Teorie elektronických obvodů (MTEO)

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Elektronické obvody pro optoelektroniku a telekomunikační techniku pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TU

Přednáška 4 - Obsah. 1 Základní koncept přesného návrhu Koncept přesného operačního zesilovače... 1

PŘEDNÁŠKA 1 - OBSAH. Přednáška 1 - Obsah

Děliče napětí a zapojení tranzistoru

CW01 - Teorie měření a regulace

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Zpětná vazba a linearita zesílení

U1, U2 vnější napětí dvojbranu I1, I2 vnější proudy dvojbranu

Vznik a vlastnosti střídavých proudů

Podívejte se na časový průběh harmonického napětí

Fázorové diagramy pro ideální rezistor, skutečná cívka, ideální cívka, skutečný kondenzátor, ideální kondenzátor.

Obrázek č. 1 : Operační zesilovač v zapojení jako neinvertující zesilovač

( ) Induktory se vzájemnou vazbou

Rezonanční obvod jako zdroj volné energie

2. Určete optimální pracovní bod a účinnost solárního článku při dané intenzitě osvětlení, stanovte R SH, R SO, FF, MPP

popsat činnost základních zapojení operačních usměrňovačů samostatně změřit zadanou úlohu

D C A C. Otázka 1. Kolik z následujících matic je singulární? A. 0 B. 1 C. 2 D. 3

1.5 Operační zesilovače I.

Základní vztahy v elektrických

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

Klasické pokročilé techniky automatického řízení

POZNÁMKY K ZADÁNÍ PREZENTACÍ - 17BBEO - TÉMA 2

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Hustopeče, Masarykovo nám. 1

4. TROJFÁZOVÉ OBVODY

VY_32_INOVACE_ENI_3.ME_01_Děliče napětí frekvenčně nezávislé Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno Ing.

Prvky a obvody elektronických přístrojů II

Schmittův klopný obvod

2 Přímé a nepřímé měření odporu

2. Pomocí Theveninova teorému zjednodušte zapojení na obrázku, vypočtěte hodnoty jeho prvků. U 1 =10 V, R 1 =1 kω, R 2 =2,2 kω.

Czech Technical University in Prague Faculty of Electrical Engineering. Fakulta elektrotechnická. České vysoké učení technické v Praze

2.6. Vedení pro střídavý proud

[Otázky Autoelektrikář + Mechanik elektronických zařízení 1.část] Na rezistoru je napětí 25 V a teče jím proud 50 ma. Rezistor má hodnotu.

1A Impedance dvojpólu

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela analýza šumu v elektronických obvodech

filtry FIR zpracování signálů FIR & IIR Tomáš Novák

1. Navrhněte a prakticky realizujte pomocí odporových a kapacitních dekáda derivační obvod se zadanou časovou konstantu: τ 2 = 320µs

Stabiliz atory napˇet ı v nap ajec ıch zdroj ıch - mˇeˇren ı z akladn ıch parametr u Ondˇrej ˇ Sika

Spojité regulátory Zhotoveno ve školním roce: 2011/2012. Spojité regulátory. Jednoduché regulátory

Základní pasivní a aktivní obvodové prvky

Cvičení 11. B1B14ZEL1 / Základy elektrotechnického inženýrství

Transkript:

Vybrané vlastnosti obvodů pracujících v proudové ódu a napěťové ódu Vratislav Michal, DTEE Brno University of Technology Vratislav.ichal@gail.co, www.postreh.co/vichal Teoretický úvod: Označení obvodů pracujících v proudové ódu vychází z principu činnosti těchto obvodů, tj. z použití proudu jako veličiny nesoucí inforaci. Podle typu obvodu je poto zpracování signálu založeno pouze na operaci z proudy nebo na operaci s napětí i s proudy (obvod ve síšené ódu). Tato úloha se zabývá ěření a porovnání některých dynaických vlastností vybraných obvodů pracujících v proudové a napěťové ódu (AD844, LM3700,TL072). ) Základní pojy Kitočtový rozsah Kitočtový rozsah obvodu udává rozsah přenášeného kitočtového pása při dodržení určitých podínek. Zpravidla se jedná o páso kitočtů v něž pokles hodnoty napěťového přenosu nepřesáhne hodnotu -3dB. Rychlost přeběhu Rychlost přeběhu (SR Slew Rate) udává axiální rychlost nárůstu napětí za jednotku času na výstupu aktivního prvku. Hodnota SR je v podstatě velikost dv/dt odezvy výstupu zesilovače na jednotkový skok. Jednotka rychlosti přeběhu je V/s, či běžněji užívaná V/µs. Na rozdíl od ezního tranzitního kitočtu je rychlost přeběhu paraetr, který á nelineární projevy a ůže proto způsobit zkreslení signálu. Zároveň jsou jeho projevy závislé na velikosti aplitudy a kitočtu zpracovávaného signálu. Títo se odlišuje od hodnoty transitního kitočtu na které je jinak hodnota SR závislá. Haronický (sinusový) signál dosahuje axiální rychlosti (strosti) v ístech průchodu nulou, kde lze vyjádřit jako derivace: d U ax sin( ϖ t) t = 0, () dt kdy po derivování dostáváe hodnotu (pro danou frekvenci a axiální požadovanou aplitudu) požadované rychlosti přeběhu: SR = ϖu [V/s]. (2) Budee-li tedy chtít dosáhnout na výstupu zesilovače napětí sinusového průběhu o kitočtu f a axiální hodnotě U ax, usí hodnota SR zesilovače iniálně splňovat podínku (2). V souvislosti s rychlostí přeběhu se někdy ziňuje paraetr axiální výkonová frekvence, což je frekvence při které je zesilovač schopen ještě dosahovat daného rozkitu výstupního napětí U M bez zkreslení vlive oezení rychlosti přeběhu (viz. obr. ).

2 0 8 6 4 2 0 0 00 000 0000 00000 000000 0000000 GBW G = f Obr. : Porovnání kitočtové charakteristiky zesílení G operačního zesilovače s otevřenou syčkou zpětné vazby s axiální rozkite haronického výstupního napětí s vrcholovou hodnotou U M v závislosti na jeho kitočtu. Transkonduktance g [S] Uvažuje převodník typu napětí/proud s převodní konstantou K, zatížený rezistore R. Tento převodník á ke vstupní svorká připojený zdroj napětí U IN a výstupní svorka je tak protékaná proude K*U IN. Rozěr hodnoty K lze určit z následujícího vztahu: A [ K ] = = = S. (3) V Ω Hodnota K představuje tak přío transkonduktanci g. Zatížíe-li výstup tohoto převodníku zatěžovací rezistore R z, ůžee hodnotu výstupního napětí definovat rovnicí U RZ = I R = g R U (4) out z Shoda jednotek napětí/proud=sieens není náhodná. Analýzou obvodu které vykazují transkonduktanci obvykle zjistíe, že její hodnota je určovaná určitý rezistivní prvke. V literatuře je často transkonduktance udávaná v jednotkách ho (oh čteno pozpátku). z in 2) Dynaické vlastnosti operačního zesilovače s napěťovou zpětnou vazbou VFA (Voltage Feedback Aplifier) Princip a základní vlastnosti operačního zesilovače jsou dostatečně popsány v literatuře. Z hlediska dynaických vlastností je vhodné zabývat se vnitřní strukturou operačního zesilovače.

Obr. 2: Zjednodušená vnitřní struktura operačního zesilovače s napěťovou zpětnou vazbou. Libovolný operační zesilovač ůžee prakticky rozdělit na dvě hlavní části: vstupní diferenciální stupeň s převodník U/I a výstupní zesilovač (viz. obrázek 2). Vstupní diferenciální stupeň s převodníke transforuje vstupní napětí na jediný, vzhlede k zei souěrný signál. Proud z převodníku U/I je veden na ipedanci R p, která dosahuje vysokých hodnot (je realizována parazitníi vodivosti ve struktuře zesilovače). Označíe-li transkonduktanci převodníku U/I g (vztaženo k vstupní svorká zesilovače), pak je zisk G prvního stupně, tj. v uzlu A roven: G = g R P. (5) Napětí je pak zesilováno ve druhé části zesilovače (v oddělovací zesilovači) se zesílení G 2. Tento zesilovač je z důvodů zajištění stability obvykle přeostěn kopenzační kapacitou C. Kapacita ezi vstupe a výstupe zesilovače tvoří ekvivalentní Millerovu kapacitu C M transforovanou v poěru: C M ( G + ) C =. (6) Přenos v uzlu A je pak daný paralelní spojení rezistoru R p a kapacity C M (5): G = g = = G RCs R Z g + τ s +, (7) kde Z je ipedance paralelní kobinace R p a C M. Ze vztahu (7) je patrné že v přenosu operačního zesilovače vzniká pól, označovaný jako doinantní (obrázek ). Celkové zesílení zesilovače pro kitočty nižší než kitočet doinantního pólu je pak G 0 =G *G 2. Vynásobení hodnoty kitočtu doinantního pólu celkový zesílení G 0 dostáváe tzv. Gain Bandwidth Product, označovaný jako GBW. Navrhujee-li zesilovač s operační zesilovače na zesílení G, je hodnota ezního kitočtu pro pokles -3dB dána: GBW f M =. (8) G Je zřejé, že pro jednotkové zesílení je hodnota ezního kitočtu rovna přío GBW. Vzhlede k vysoké hodnotě rezistoru R p, tvoří převodník U/I z obrázku 2 a kapacita C M integrátor proudu I. Odezvu napětí na kondenzátoru na jednotkový skok vstupního proudu I ůžee vyjádřit jako: uc () t Iax t C =. (9)

Jelikož hodnota proudu I neůže dosahovat nekonečné hodnoty, je i rychlost odezvy integrátoru oezená. Je tedy zřejý echanizus původu konečné hodnoty rychlosti přeběhu SR. 3) Dynaické vlastnosti operačního zesilovače s proudovou zpětnou vazbou CFA (Current Feedback Aplifier) Při zapojení klasického VFA zesilovače v lineární obvodě je vlive účinků zpětné vazby regulováno vstupní diferenciální napětí na nulovou hodnotu. U zapojení CFA zesilovače je na nulovou hodnotu nastavovaný proud tekoucí neinventující vstupe. G [db] 20 R I - I O R f A G P C M out 00 80 60 40 VFA zesilovac GBW G = f -20dB/dek CFA zesilovac +in I - =I 0 U A =U OUT =I 0 R P A=+ R f R 20 0 0 00 k 0k 00k M 0M F[Hz] Obr. 3: Operační zesilovač s proudovou zpětnou vazbou: a) principielní uspořádání tohoto zesilovače b) porovnání vlivu nastaveného zesílení VFA a CFA zesilovačů na hodnotu ezního kitočtu. Princip CFA zesilovače je patrný z obrázku 3a). Vstupní část tvoří jednotkový zesilovač s napěťový (vysokoipedanční) vstupe na kladné svorce a výstupe na záporné vstupu. Proud I 0 je obraze proudu I_, který prochází inventující vstupe. Tento proud vytváří na parazitní vodivosti G P, která dosahuje vysokých hodnot úbytek napětí. V toto bodě je realizováno veškeré zesílení obvodu. Zesílení oddělovacího stupně je nastaveno na a je tedy zřejé že parazitní Millerova kapacita dosahuje podstatně nižších hodnot než v porovnání s VFA zesilovače. To je i hlavní důvod proč CFA zesilovače dosahují výrazně vyšších hodnot rychlostí přeběhu (v řádech až tisíců V/µs v porovnání s desítkai u VFA zesilovačů). Sníání proudu I_ se nejčastěji provádí proudovýi zrcadly zapojenýi ve výstupní obvodu jednotkového zesilovače. Je zřejé že přenos veličiny ze vstupních obvodů do výstupních je na úrovni proudů. Právě tato vlastnost je pro obvody v proudové ódu typická. Přenos proěnné veličiny např. proudový zrcadle vyvolává jen nepatrné variace napětí na jeho vstupu. Je tedy zřejé že i případnýi parazitníi kapacitai tohoto vstupu

protéká zanedbatelný proud. Jejich vliv je tedy o poznání enší než u obvodů v napěťové ódu. Další zajíavou vlastností v porovnání s VFA zesilovači je, že velikost šířky pása B s reálný zesilovače nezávisí na celkové zesílení G 0, ale pouze na velikosti zpětnovazebního rezistoru R f. (viz. obrázek 3b). Odvození a vysvětlení tohoto jevu je popsáno v dostupné literatuře. Pro volbu zpětnovazebního rezistoru R f je z důvodu stability dodržovat doporučení výrobce. Na druhou stranu je třeba zínit, že transkonduktanční zesilovače neají příliš vhodné stejnosěrné a šuové vlastnosti a při nedodržení podínek daných výrobce jsou i náchylnější k nestabilitě. Jejich použití je tedy vhodné pouze ta, kde vyžadujee vysokou rychlost přeběhu (kapacitní zátěž, spínané kapacitory, koaxiální vedení apod.) či neproěnnou šířka pása v závislosti na nastavené zesílení. 4) Transkonduktanční zesilovač OTA (Operational Transconductance Aplifier) Transkonduktanční zesilovač je v podstatě napětí řízený zdroj proudu i out iout = g ( u+ u ), (0) kde u + a u - jsou napětí inventujícího a neinventujícího vstupu. Vnitřní struktura transkonduktančního zesilovače je zobrazena na obrázku 4a). Vstupní obvod je tvořen diferenciální vstupe a převodníke U/I. Výstup z tohoto převodníku je již přío výstupe transkonduktančního zesilovače. Transkonduktance g je obvykle říditelná externí proude Bias current I ABC. Připojení zatěžovacího rezistoru na jeho výstup obdržíe výstupní napětí naprázdno u ( u u ) = G ( u ) out = Rz g + 0 + u. () Ze vztahu () vyplývá že trankonduktanční zesilovače ají z principu konečné zesílení a nevyžadují použití zpětné vazby. Tento fakt způsobuje že ezi vstupy transkonduktančního zesilovače není nulové napětí jako u VFA či CFA. Diferenciální stupeň je však více či éně nelineární a lze tedy připustit axiální vstupní rozdílové napětí v řádech stovek V. Překročení této eze vede k výraznéu zkreslení signálu. Absence zpětné vazby je výhodná z hlediska stability a kitočtového rozsahu. +Vcc Bias current U/I +Vcc Bias current +in + - Out +in + - -Vee Out +in Bias current -Vee A R P C Z U 0 G 0 =g R P

Obr. 4 a) Transkonduktanční zesilovač: a) používané scheatické značky těchto zesilovačů a b) zjednodušené vnitřní uspořádání s připojenou zátěží na výstupu. Připojení kondenzátoru Cz jako zátěže vzniká bezeztrátový integrátor s přenose: g F( s) =, (2) s C který je s výhodou (integrátor s uzeněný kapacitore) používán v integrovaných realizacích kitočtových filtrů. Zapojení se často označuje jako OTA-C. Ztrátový integrátor lze vytvořit z bezeztrátového připojení paralelního rezistoru R. Kitočtový přenos pak bude ít podobu: G0 H ( s) = g Z = g R =, (3) RCs + τ s + což foruje dolní propust prvního řádu s ezní kitočte ω=rc a sěrnicí potlačení 20dB/dek.