Operaatiovahvistin
Transcription
Operaatiovahvistin
Sähkötekniikka ja elektroniikka Kimmo Silvonen (X) 16.11.2015 Operaatiovahvistin Operational Amplifier Opva Opamp. Versio 16.11.2015. Ï Ideaalivahvistin elektroniikan peruslohkona Ï Takaisinkytkentä Ï Operaatiovahvistin vahvistaa signaalin amplitudia (jännite) Ï Sovelluksia, helppo ja hyvä yleistyökalu! Ï Laskusäännöt: 0 0 0 Ï Laskuesimerkkejä Ï Invertoiva ja ei-invertoiva vahvistin Ï Teoria vs. käytäntö Ï Epäideaalisuuksia Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 2 (25) Signaalin vahvistaminen, esim: CD-soitin → kaiutin Lukuarvot esimerkkinä, alinna sijaiskytkentä eli piirimalli P = 0,1 mW 0,1 mA + 1V CD − ? Au = 6 1,5 A HH ? + + − 6V Tuloresistanssi 10 kΩ Kaiutin 4 Ω Ai = 15000 Ap = 90000 Esim. Operaatiovahvistin CD ROUT = 0 P = 9W RIN virtavahvistimeksi tehotransistorit HH + − Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 3 (25) Ideaalinen jännitevahvistin (VCVS) Voltage-Controlled Voltage Source, Voltage Amplifier Control + uIN − ? uOUT 6 uout = ∆uOUT Voltage Source HH uOUT ? u -IN ∆uIN = uin ∆uOUT uout uOUT Au = = 6= ∆uIN uin uIN Tässä ∆ viittaa u:n muuttumiseen ajan funktiona! Vahvistus Au kohdistuu muutokseen uin — ei suuruuteen uIN (case!). Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 4 (25) Jänniteohjattu jännitelähde (VCVS) Alinna amerikkalainen symboli ja ideaaliset resistanssit RIN = ∞, ROUT = 0 b u b + ROUT RIN e = Au − b? b b b + u @ e = Au @ − ? b RIN ≈ ∞ b ROUT ≈ 0 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 5 (25) Differentiaalivahvistin Differential Amplifier Kuvassa kelluva symmetrinen tulo, epäsymmetrinen (yksipäinen) lähtö Jos v+ kasvaa tai v− pienenee, ∆uIN ja ∆uOUT kasvavat: v b + b + b Out b b ∆uIN − "" " ? b ∆uOUT = AD ∆uIN @ v− ? b 0 = GND Tässä ∆ viittaa potentiaalieroon kahden solmun välillä — sen voisi itsestäänselvyytenä jättää poiskin! APLAC labrassa: OPAMP Nimi + − Out 0 = GND $ IDEAL Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 6 (25) Operaatiovahvistin, DIL-kotelo, IC Mikropiiri, myös kaksikko (dual), nc = not connected, DC: V+ ja V− B ∞ b +b b − "" " − + + 8 V+ out nc 1 V+ 7 + + @ @ @@ − − @ @ d b −b b + "" " V− 1 − + V− Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 7 (25) Taustaa ja sovelluksia Background and Applications Ï Analogiaelektroniikan yleistyökalu, µA702 IC 1963 Ï Fairchild Semiconductor (Sherman Fairchild, Fokker F-27, ks. Wikipedia) Ï Fairchild → Intel → mikroprosessorin µ Ï Signaalin vahvistaminen ja muokkaaminen Ï Haluttujen tai ei-toivottujen signaalien suodatus Ï Jännitteenregulointipiirin osana Ï Audiosignaalien käsittely, mm. sävynsäätö Ï Mittaus- ja säätöjärjestelmät, instrumentointi Ï A/D- ja D/A-muunnos, anturien liitäntä Ï Digitaalisten järjestelmien liitäntä ulkomaailmaan, maailma mokoma on yhä analoginen! Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 8 (25) Kaksipuolinen syöttöjännite DC Supply Voltage Elektroniikkapiirit tarvitsevat tasajännitelähteen! 6 6 Rail-to-Rail vOUT 0 - 0 2 . . . 22V ? iO + i b +b b− "" i O " E r E ? i iO 6 ? ? Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 9 (25) Toimintaperiaate, liitännät Differentiaalinen tulojännite on nolla! Ääretön raakavahvistus säädetään pienemmäksi vastuksilla (negatiivinen takaisinkytkentä). b d v+ b ? b v ?− b b +b b − "" " b d uOUT ? b E2 E1 E2 E1 − 0 + d d d E2 E1 Labran poveri d uOUT = A · (v+ − v− ) | {z } ∆u=∆uIN =uD uOUT = ∞ · 0 Labrassa opva saa käyttövoimansa piirilevyn sisäisen johdotuksen kautta reunaliittimistä! Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 10 (25) Negatiivinen takaisinkytkenta NFB Kokeile itse alinna olevia lukuarvoja! Negative Feedback Example uIN + a ∆u+ − BuOUT uOUT = A∆u a A B ∆u z }| { uOUT = A (uIN − BuOUT ) A uIN uOUT = 1 + AB 1 A → ∞ ⇒ uOUT → uIN & ∆u → 0 B 1 Esim. uIN = 1 ja B = 10 A = 1, 10, 100, 1000, . . . Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 11 (25) Operaatiovahvistinmies (just a stupid joke) ©X, credits to the LC’s, Horowitz and Hill H HH − + H HH H HH O-Man HH HH ? H a a H H 0 + * @ g@ − @ @ Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 12 (25) Operaatiovahvistimen laskusäännöt Ideal Operational Amplifier, Simple Rules — couldn’t be much simpler! DC i+ = 0 - ? iO + IDC b +b b uD = ∆u = v+ − v− = 0 − "" iO 6= 0 ? " uOUT ? IDC i− = 0 ? DC DC Ground Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 13 (25) Invertoiva vahvistin Inverting Amplifier Sovelluskytkentä Input Signal i1 uIN + − ? Virtuaalinen maa Virtual Ground R2 i 2 R1 i1Output Voltage ? r i2 0 R2 R1 ? b ? −b b uO 0 + "" " ? ? r 6’zombivirta’ kömpii maasta uIN − 0 0 − uO i1 = i2 i2 = R1 R2 uIN uO uO R2 =− ⇒ =− R1 R2 uIN R1 i1 = Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 14 (25) Kaksi vaihtoehtoista laskutapaa Kuva edellisellä sivulla, laskareissa molemmat. Two Alternative Ways: 1. Jännite- ja silmukkayhtälöt (KJL, vrt. muut laskuharjoitukset) −uIN + R1 i1 + 0 = 0 −0 + R2 i2 + uO = 0 i1 = i2 2. Virta- ja solmuyhtälöt (KCL, tässä hyvin suositeltava!) uIN − 0 R1 0 − uO i2 = R2 i1 = i2 i1 = Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 15 (25) Ei-invertoiva vahvistin Non-Inverting Amp. Yleinen sovelluskytkentä Another Recommended Application 0 uIN + − b +b b − "" ? " i ? i R2 uOUT R1 ? ? −uIN + 0 + R1 i = 0 ⇒ i = uIN R1 −R1 i − R2 i + uOUT = 0 uOUT R2 = 1+ uIN R1 Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 16 (25) Jännitteenseuraaja, puskurivahvistin Yet another: Voltage Follower, Buffer + RS e − e 0 v+ b +b e RL Au v+ b − "" " ? ? Au =1 z}|{ RIN RL e· · 1 · = uOUT RS + RIN ROUT + RL | {z } | {z } v+ =e RS << RIN 1 ROUT << RL Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 17 (25) Integraattori vs. derivaattori Signaalinkäsittelyssä, katso myös Wikipediasta: ’Analog Computing’ - R + uIN − - bC −b b + "" " 1 uO (t) = − RC Z uO + C uIN − ? R b −b b + "" " t t1 uIN (t)dt + uO (t1 ) uO (t) = −RC uO ? duIN dt Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 18 (25) Signaalin integrointi ja derivointi Myös aaltomuodon muokkaus Integration vs. Derivation 6 integrointi - t ? 6 6 @ @ @ derivointi - t Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 19 (25) Ideaalinen vs. käytännön operaatiovahvistin Tyypillisiä arvoja. Ideal vs. Typical Characteristics Suure Ideaalinen Tyypillisesti RIN ∞ 2 MΩ . . . 1 TΩ BJT JFET ROUT 0 100 Ω ∞ 105 uD = v + − v − 0 < 100 µV i+ 0 < 100 nA i− 0 < 100 nA A= uOUT uD Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 20 (25) Yksikkövahvistuksen rajataajuus ja GBP Gain–Bandwidth Product, Slope: 6 dB/octave, 20 dB/decade 20 lg A 6 fC ≈ 10 Hz 100 dB @ fT ≈ 1 . . . 50 MHz @ @ 70 dB @ 64 dB @ @ @ @ @ 50 dB @ @ @ 0 dB @ fC f 2f 10f [log] @ @ fT Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 21 (25) Offset-jännite (nollatason siirtymä ) ja bias- eli esivirta Epäideaalisuuksia; vrt. laboratoriotyön epätarkka DC- vs. tarkka AC-jännitevahvistus! Jos mittaat labrassa jännitevahvistuksen esim. arvoilla uIN = +0,5 V 2 ja uIN = −0,5 V, saat vahvistustenkeskiarvoksi tasan − R R1 . HH HH H HH H HH + H HH n b IB+ UOS +b H b H ? " −" " − n IB− ? |UOS | ≤ 5 mV IB− ≈ IB+ ≤ 100 nA IOS = |IB− − IB+ | ≤ 10 nA Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 22 (25) Tulo- ja lähtöresistanssi Input and Output Resistance Yleensä tässä yhteydessä merkityksettömiä! Often negligible in practice HH H + 2RCM RD − HH H HH AD uD H HH H HH ROUT + − 2RCM H H Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 23 (25) Yhteismuodon vaimennus, CMRR Common Mode Rejection Ratio, ideaalisella muuntajalla se olisi ∞! uD ? uD 2 − + uD 2 − + b +b b − "" " uOUT uCM + − ? b +b b − "" " uOUT ? A = AD = uOUT /uD ≈ 100 dB ACM = uOUT /uCM ≈ 20 dB CMRR = AD /ACM ≈ 80 dB Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 24 (25) Ensi kerralla; teholähteet eli poverit Ensi viikolla on kurssin viimeinen ja ehkä hyödyllisin luento, joka käsittelee povereita eli erityisesti elektroniikan tasajännitelähteitä, kuten "verkkolaitteita"! Laboratoriotyöt päättyvät to 3.12.2015. Viimeisiin vuoroihin saa mielellään tulla tekemään rästejä! Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C4210 16.11.2015 Page 25 (25)