Upload
lykhuong
View
214
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Аnalogna elektronska kola
Prof. dr Predrag Petković
Dr Srđan Đorđević
12/10/2016 1
Аnalogna elektronska kola
Dobrodošli na treću godinu studija
Аnalogna elektronska kolaProf. dr Predrag Petković, dr Srđan Đorđević
12/10/2016 2
Osnovi elektronikeLiteratura:Основна литература:
1. Презентација са предавањаhttp://leda.elfak.ni.ac.rs/
12. oktobar 2016. 3
http://leda.elfak.ni.ac.rs/12/10/2016 3
Osnovi elektronikeLiteratura:
Додатна литература:
- Data sheet sa web adrese proizvođača AEK
12. oktobar 2016. 4
http://leda.elfak.ni.ac.rs/12/10/2016 4
Osnovi elektronikePredispitne obaveze:
Redovno pohađanje nastave (predavanja+vežbe) 10%Seminarski I (poslednja nedelja novembra) 25%Seminarski II (poslednja nedelja nastave) 25%
12. oktobar 2016. 5
http://leda.elfak.ni.ac.rs/
Ispit:Zadaci 20%Teorija 20%
12/10/2016 5
Osnovi elektronikePredispitne obaveze:
Redovno pohađanje nastave (predavanja+vežbe) 10%Seminarski I (poslednja nedelja novembra) 25%Seminarski II (poslednja nedelja nastave) 25%
http://leda.elfak.ni.ac.rs/
U januarskom roku Redovna nastava 20%Seminarski po 40%
12/10/2016 6
Osnovi elektronikeKonsultacije:
utorak, sreda, petak 12-13h kabinet 336najbolje da se najavite preko web sajta „pitanja profesoru“
ili preko e-mail adresa: [email protected]@[email protected]
http://leda.elfak.ni.ac.rs/12/10/2016 7
1- Operacioni pojačavači i primena1.1 OPERACIONI POJAČAVAČI
• Karakteristike i ograničenja operacionog pojačavača
• Kriterijumi stabilnosti
• Proračun greške projektovanja
• Tipovi operacionih pojačavača
• Strujni prenosnici (Current Conveyors)
Analogna integrisana kola
8A Vocational Degree programme developed by MCAST and Fraunhofer IAO.
1.2 Merna instrumentacija i merne tehnike• Specifikacije instrumenata
• Digitalni multimetar
• Merenje otpornosti sa 4 žice
• Mostne merne metode
• Merenje frekvencije, periode i vremena
• Konvertori frekvencije u napon i napona u frekvenciju
2- Izvori signala, Transdjuseri, Šum2.1 Izvori signala
• Osobine signala• Medicinski signal• Osobine i tipovi konvertora u električni signal (Transdjusera)
2.2 Šum• Tipovi, izvori, modelovanje šuma • Merenje šuma• Merenje šuma• Šumovi u komponentama: BJT, MOSFET i operacionim
pojačavačima• Analiza šuma u operacionim pojačavačima, • Metodi merenja šuma• Tehnike za smanjenje šuma
2.3 Elektromagnetna interferencija
12/10/2016 9
3 – Analiza i projektovanje analognih sistema• Fazno zatvorena petlja (PLL)• Konvertori efektivne u srednju vrednost• Sinhronizovani pojačavači (Lock in amplifiers)• Mešači (Up and down conversion)• Pojačavači u kolima za uzorkovanje (Sample and hold
amplifiers)• Kondicioniranje signala• Kondicioniranje signala• Niskošumni pojačavači• Izolacioni pojačavači• Pobuda kapacitivnih potrošača• Pobuda diferencijalnih struktura• Tehnike za smanjenje potrošnje
12/10/2016 10
4 – Analogne programabilne komponente
• Strukture FPAA (Field programmable analog arrays)• Mogućnosti FPAA• Prednosti i nedostaci FPAA• Primene FPAA
12/10/2016 11
Sadržaj:
1.1 OPERACIONI POJAČAVAČI
• Karakteristike i ograničenja operacionog pojačavača • Karakteristike i ograničenja operacionog pojačavača
• Kriterijumi stabilnosti
• Proračun greške projektovanja
• Tipovi operacionih pojačavača
• Strujni prenosnici (Current Conveyors)
12/10/2016 12
OPERACIONI POJAČAVAČ
Sadržaj
Operacioni pojačavači (OpAmp)a. Idealni operacioni pojačavačib. Polarizacijac. Modeld. Primene
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
d. Primenee. Realni operacioni pojačavači
12/10/2016 13
OPERACIONI POJAČAVAČ
Idealni OpAmp ponaša se slično idealnom naponskom pojačavaču:
Napon: Vi Vo
Ii IoRo
; [V/V] ∞=
= iRoV
A
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Vi VoRi 0
; [V/V] =
∞==
o
i
R
R
iV
oA
12/10/2016 14
OPERACIONI POJAČAVAČ
0 =iVVi
Ii
Vo
Io
Ri
Ro
0 ;
=
∞=∞→=
o
i
R
R
iV
oVA
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
∞→oV A ⇒∞→=iV
oVBeskonačno pojačanje !!!
12/10/2016 15
OPERACIONI POJAČAVAČ
Prenosna karakteristika
Vo [V]
Vi [mV]
Vo [V]
Vi [mV]
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA12/10/2016 16
OPERACIONI POJAČAVAČ
Idealna prenosna karakteristika
Vo [V]
Vi [mV] t[ms]
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Vi [mV] t[ms]
12/10/2016 17
OPERACIONI POJAČAVAČ
A0 =I ⇒∞→R
Vi
Ii
Vo
Io
Ri
Ro
0 ;
=
∞=∞→=
o
i
R
R
iV
oVA
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
A0 =iI ⇒∞→iR
Pojačavač sa beskonačnom ulaznom otpornošću
Ne slabi ulazni signal
Ne predstavlja opterećenje za prethodni stepen!!!
1=+ is
i
RR
R
12/10/2016 18
OPERACIONI POJAČAVAČ
Vi
Ii
Vo
Io
Ri
Ro
Izlaz naponskog pojačavača sa nultom izlaznom otpornošću ne zavisi od otpornosti opterećenja
RL A
0 [V/V] A
0
∞→
=
∞==
= o
i
IR
R
iV
oV
iVo
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
iAV
iAV
RR
R
oV
oR
Lo
L =+
=⇒= 0
)( LfoV R≠0
12/10/2016 19
OPERACIONI POJAČAVAČ
Izlaz
Dva ulazna porta
Simbol
Neinvertujući ulaz
Invertujući ulaz
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Dva ulazna portaneinvertujući“+”i invertujući “–” ulaz
Jedan izlazni port
Šta pojačavač operacioni pojačavač s obzirom da ima dva ulaza?
12/10/2016 20
OPERACIONI POJAČAVAČ
Invertujućiulaz
Izlaz
Operacioni pojačavač treba da pojačava
Naponsku razliku između
neinvertujućeg “+” i
invertujućeg “–” portaZajednička
masa
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Neinvertujući ulaz12 vvdviv −==
∞→−
=12 vv
ovA 0
12=− vv
12vv =
12/10/2016 21
OPERACIONI POJAČAVAČ
Ne treba da pojača srednju vrednost ulaznog signala
Značenje:
Pretpostavimo da ulaznisignali v2 i v1 imaju istujednosmernukomponentu, V00
superponiranu sasinusnim talasnim
)(2
1
−+
+= vv
icmv
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
sinusnim talasnimoblikom iste frekvencijei suprotne faze:
)sin( );sin( 00 tVVvtVVv uu ωω +=+
−=−
)sin(2 tVvvidv u ω=−−+= ;)(
2
10Vvv
icmv =
−+
+=
12/10/2016 22
);sin(12
tVvv u ω=−=
OPERACIONI POJAČAVAČ
,0
)12(2
1=
+===
vv
ov
icmv
ov
cmAA
Značenje:
Izlaz ne sme da sadrži jednosmernu komponentu
a razlika signala treba da bude pojačana
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
∞⇒−
===12 vv
ov
dv
ov
dAA
a razlika signala treba da bude pojačana
Faktor potiskivanja srednje vrednosti signala
120
12vvvv ==−
∞⇒=cmA
dACMRR
12/10/2016 23
OPERACIONI POJAČAVAČ
Karakteristike idealnog operacionog pojačavača:
0 [V/V]
0
0=
=
∞==
=
cm
o
i
Ii
A
R
R
iV
oVA
Beskonačno pojačanje diferencijalnog signala
Vi=0; V+=V-
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
Nulta izlazna otpornost Vo≠ f(RL)
Ne pojačava srednju vrednost signala Acm=0
Beskonačni propusni opsegIdealna frekvencijska
karakteristika
Beskonačna ulazna otpornost Ii=0; Vi≠ f(Rs)
12/10/2016 24
OPERACIONI POJAČAVAČ
Polarizacija operacionog pojačavača
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA12/10/2016 25
OPERACIONI POJAČAVAČ
Kako upotrebiti komponentu
sa beskonačnim pojačanjem ?
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
• Nikada se ne primenjuje samostalno – uvek sa povratnom spregom (biće
razmatrano kasnije)
• Za operacioni pojačavač bez kola povratne sprege kaže se
da radi u otvorenoj petlji.
• Pojačanje u otvorenoj petlji (open loop gain) = beskonačno
12/10/2016 26
OPERACIONI POJAČAVAČ
TIPOVI OPERACIONIH POJAČAVAČA
OPERACIONI POJAČAVAČ
ULAZNE I ULAZNE I
IZLAZNE
VELIČINE
TIP POJAČAVAČA TIP POVRATNE SPREGE
Xin Xout A β
V V NAPONSKI NAPONSKA
V I TRANSKONDUKTANSNI TRANSREZISTANSNA
I V TRANSREZISTANSNI TRANSKONDUKTANSNA
I I STRUJNI STRUJNA
OPERACIONI POJAČAVAČ
Sva četiri pojačavača imaju istu vrednost pojačanja koja ne zavisi od:pojačanja osnovnog pojačavača, ulazne otpornosti, izlazne otpornostiili otpornosti potrošača.
OPERACIONI POJAČAVAČ
Koje su karakteristike bitne za operacioni pojačavač ?
VRLO VELIKO POJAČANJE !1. Pojačanje AF ne zavisi od varijacija
u pojačanju osnovnog pojačavača A.2. Pojačanje AF ne zavisi od nelinearnosti osnovnog pojačavača3. Propusni opseg pojačavača je znatno veći od
propusnog opsega osnovnog pojačavača A
OPERACIONI POJAČAVAČ
Primene operacionog pojačavača
Uvek se određuje pojačanje u zatvorenoj petlji A=Vo/Vs
Značajne karakteristike su:
• Ulazna otpornost u zatvorenoj petlji Ri(cl)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
• Ulazna otpornost u zatvorenoj petlji Ri(cl)
• Izlazna otpornost u zatvorenoj petlji Ro(cl)
12/10/2016 31
OPERACIONI POJAČAVAČInvertujući pojačavač
i1
i2
ii=0
v2=0V
v2 –v1=0V
v1 =v2=0V
vgvo
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
ii=i1+i2=0A => i1=-i2
i1=
1
1
R
vgv −
i2=
2
1
R
vov −1R
gv
=
2R
ov=
12 R
gv
R
ov−= gvR
R
ov
1
2−=
0V
0V
1
2
R
R
gv
ovA −==
12/10/2016 32
OPERACIONI POJAČAVAČ
Ulazna otpornost invertujućeg pojačavača
i =i
?)( ==gi
gv
cliR
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
ig=i1
i1=
1
1
R
vgv −
1R
gv
= 1)( R
gi
gv
cliR ==
0V
Ukoliko je potrebna velika ulazna otpornostRi(cl), potrebno je da
otpornost R1 da bude što veće!
Veliko pojačanje (Ad=R2/R1) zahteva veliku vrednost R2
12/10/2016 33
OPERACIONI POJAČAVAČ
ig=i1
i2
iu=0
v2 –v1=0Vvg v0
i0
Ro(cl)Izlazna otpornost invertujućeg pojačavača
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
v0
Ω=== 02)( oRRoRcloR
Ro(cl)
Manja je od izlazne otpornosti u otvorenoj petlji Ro!
12/10/2016 34
OPERACIONI POJAČAVAČ
i1
i2ii=0
v =v
v2 –v1=0V
v1 =vg
vg
v
Neinvertujući pojačavač
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
v2=vg
ii=i1+i2=0A => i1=-i2
i1=
1R
gv−0
i2=
2R
gvov −1R
gv
−=
12 R
gv
R
gvov=
−gv
R
R
ov
+=
1
21
vo
+==
1
2
R
R
gv
ovA 1
14.10.2016 Analogna elektronska kola 35
OPERACIONI POJAČAVAČJedinični pojačavač
Voltage Follower - BUFFER
gvgVR
R
ov
R
R=
+=
∞→
=
1
201
21vg
vo
ii=0
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
R ∞→1
vi vo1 x vi
;)( ∞→cliRii=0
0)( =cloR
12/10/2016 36
OPERACIONI POJAČAVAČ
Algebarski sabirač
vg1
vo
v =0V
vg2
vgn
i1
i2
in
i
i
ii=0
+++=+++=
===
n
gnggn
n
gnn
gg
R
v
R
v
R
viiii
R
vi
R
vi
R
vi
... ...
... ; ;
2
2
1
121
2
22
1
11
fo iRv −= 0
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
v2=0Vfo iRv −= 0
+++−= gn
n
fg
fg
fo v
R
Rv
R
Rv
R
Rv ... 2
21
1
12/10/2016 37
OPERACIONI POJAČAVAČ
Odrediti izlazni napon kola sa slike
1. Zadatak
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
44
33
22
11
vR
Rv
R
Rv
R
R
R
Rv
R
R
R
Rv cc
b
ca
b
cao −−+=
12/10/2016 38
OPERACIONI POJAČAVAČ
Konfigruacija invertujućeg pojačavača sa
impedansom opšteg tipa u povratnoj sprezi
ViVg
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
)(1
)(2
)(
)(
sZ
sZ
sgV
soVA −==
12/10/2016 39
OPERACIONI POJAČAVAČ
+ vC -
vg
i1
i2
ii=0
vg
Diferencijator (frekvencijski domen)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
gvsCCj
gv
Z
gvi
C
⋅==−
=ω/1
)0(
1
R
ov
gsCv −= gvCRsiv ⋅⋅⋅−=R
v
R
vi oo −=
−=
02
21 ii =
o
sCRs
gv
ovsA
ω−=⋅⋅−==)(
14.10.2016 Analogna elektronska kola 40
OPERACIONI POJAČAVAČ
20log(Vo/Vg)o
ssRC
gv
ovsA
ω−=−==)(
RCsA ω=)(
)(Im sA
Diferencijator (frekvencijski domen)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
ω (log scale)
Ponaša se kao filtar propusnik opsega sa graničnom frekvencijom u beskonačnosti
2/0
)(Re
)(Im
πω
ϕ
−=
−=
=
=
RCarctg
sA
sAarctg
12/10/2016 41
OPERACIONI POJAČAVAČ
+ vC -
vg
i1
i2
ii=0
Diferencijator (vremenski domen)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
dt
tdvCti
dt
tvdC
dt
tdvCti
g
gC
)()(
)0)(()()(
1
1
=
−==
R
tov
dt
tgdvC
)()(−=
dt
tgdvRCtov
)()( −=
R
tvti o )(0)(2
−=
)()( 21 titi =
12/10/2016 42
OPERACIONI POJAČAVAČ
dt
gdvRCiv −=
Odrediti talasni oblik diferencijatora sa elementima kola:R=10k i C=10nF ukoliko je pobuđen signalom trouganog talasnog oblika.
2. Zadatak
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
dt
vi(t)
-10V
1ms 2mst
12/10/2016 43
Praktičan diferencijator Diferencijator ima dva bitna nedostatka:
• Kolo nije stabilno pri visokim frekvencijama• Kapacitivnost na ulazu čini kolo veoma osetljivim na šumove
Neophodno je ograničiti propusni opseg kola da bi se učinilo stabilnim i da bi se umanjilo pojačanje šuma i harmonijskih izobličenja. Dodatkom otpornika Rin umanjuje se pojačanje na visokim frekvencijama tako da se ovo kolo ponaša kao integrator na niskim frekvencijama i kao invertujući pojačavač na višim frekvencijama. Dodatno slabljenje na višim frekvencijama postiže se sa Cf.
OPERACIONI POJAČAVAČ
Integrator frekvencijski domen
R
gv
R
gvi =
−=
)0(
1
vo
+ vC -
vg
i1
i2
iu=0
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
RR
osCvR
gv−= gv
RCsov1
−=oo
o
C
o sCvCvjCj
v
Z
vi −=−=−=
−= ω
ω/1
02
21 ii =
ssRCgv
ivsA oω
−=−==1
)(
12/10/2016 45
OPERACIONI POJAČAVAČ
20log(Vo/Vg)
RCsA
ω1
)( =
ωω
ωωω ooo jjssRC
sA =−=−=−=1
)(
)(Im sA
Integrator (frekvencijski domen)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
ω (log scale)
Ponaša se kao filtar propusnik niskih frekvencija graničnom frekvencijom u nuli
2/0
/1
)(Re
)(Im
πω
ϕ
=
=
=
=
RCarctg
sA
sAarctg
12/10/2016 46
OPERACIONI POJAČAVAČ
vi
+ vC -
vg
i1
i2
iu=0
R
tgv
R
tgvti
)(0)()(1 =
−=
Integrator (vremenski domen)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
dt
todvCti
dt
tovdC
dt
tCdvCti
)()(
))(0()()(
2
2
−=
−==
RR1
dt
todvC
R
tgv )()(−=
∫−= dttgvRC
tiv )(1
)(
)()( 21 titi =
12/10/2016 47
OPERACIONI POJAČAVAČ
vg(t)
1V
-1V
1ms
t
2ms
vo(t) 1ms 2mst
Integrator (vremenski domen)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
R=10k, C=10nF
∫∫=
−=−=
msT
dttvdttvRCov
2
0g84g )(
1010
1)(
1
-10V
−⋅−= ∫∫
=
=
= msT
msT
msT
dtdtov2
012/
12/
0
4 V110
12/10/2016 48
OPERACIONI POJAČAVAČ
vi
+ vC -
vg
∫−= dtgv
RCiv
1vi
Integrator (vremenski domen)
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
vivg
vi
12/10/2016 49
OPERACIONI POJAČAVAČ
Integrator sa jednosmernom kontrolom pojačanja
Za jednosmerni signal standardni integrator funkcioniše kao pojačavač u otvorenoj petlji. Jednosmerni signal na ulazu može da uvede pojačavač u zasićenje.
Integrator sa jednosmernom kontrolom pojačanja na niskim frekvencijama funkcioniše kao invertujući pojačavač na na visokim kao integrator.
CsRR
R
V
V Fout
+⋅−=1
1
CsRRV Fin +⋅−=1
OPERACIONI POJAČAVAČ
• Komparator invertujući
• Komparator neinvertujući
• Šmitov komparator neinvertujući
• Šmitov komparator invertujući
• Idealna dioda (precizni usmerač)
Primene OPAMP za oblikovanje signala
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
• Idealna dioda (precizni usmerač)
• Detektor maksimalnog signala
12/10/2016 51
OPERACIONI POJAČAVAČ
Komparator
Komparator upoređuje napon signala na
jednom ulazu sa naponom na drugom
ulazu koji je poznat i naziva se naziva se
referentni napon.
satrefin VVVV −=⇒< 0
satrefin VVVV =⇒> 0
OPERACIONI POJAČAVAČ
Invertujući komparator
OPERACIONI POJAČAVAČ
=−
−==−=⇒=+
satoutsat
satoutsat
outin
VVzaR
RV
VVzaR
RV
R
RVVV
2
1
2
1
2
10
• Ovim kolom se konvertuje proizvoljni talasni oblik u pravougaoni. Ulazni napon
menja stanje na izlazu OP svaki put kada kada njegova vrednost prelazi prag okidanja.
Neinvertujući Šmitov komparator
2
OPERACIONI POJAČAVAČ
outVRR
RV ⋅
+=+
21
1
−=−
==
+=⇒=
satoutsat
satoutsat
outinindiff
VVzaR
RV
VVzaR
RV
RR
RVVV
2
1
2
1
21
1_ 0
Invertujući Šmitov komparator
OPERACIONI POJAČAVAČ
Idealna dioda (precizni ispavljač)
Obična dioda ima pad napona direktne polarizacije Vγ oko 0,6V. Ovo kolo se ponaša
kao dioda sa Vγ=0 V.
inoutin VVA
VV =⇒>
0
χ
00
=⇒< outin VA
VV
χ
0A
OPERACIONI POJAČAVAČ
DETEKTOR MAKSIMALNE VREDNOSTI SIGNALA
• Da bi kolo uspešno funkcionisalo neophodno je da:
• Vremenska konstanta punjenja bude CRD < 0,1 T
• Vremenska konstanta pražnjenja CRL> 10 T
OPERACIONI POJAČAVAČ
1. Šta je CMRR?
2. Kako koristiti pojačavače sa beskonačnim pojačanjem?
3. Algebarski sabirač.
4. Unapredjeni diferencijator.
5. Integrator sa kontrolom jednosmernog pojačanja.
Ispitna pitanja:
ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA
6. Invertujući i neinvertujući Šmitov komparator.
7. Efekat konačnog pojačanja operacionog pojačavača na invertujući (neinvertujući) pojačavač.
8. Efekti konačnog propusnog opsega operacinog pojačavača na invertujući (neinvertujući) pojačavač.
12/10/2016 58