Χαρακτηριστικά Ιδανικού Τελεστικού Ενισχυτή ΙΤΕ. Κοινός ακροδέκτης i τροφοδοσίας

Transcript

1 ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Τελεστικοί Ενισχτές VLS Technology and Computer rchtecture Lab Τελεστικοί Ενισχτές Γ. Τσιατούχας ΒΑΣΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Διάρθρωση. Ιδανικός τελεστικός ενισχτής. Η αναστρέφοσα σνδεσμολογία. Επίδραση πεπερασμένο κέρδος. Αντιστάσεις εισόδο/εξόδο 5. Αθροιστής με βάρη 6. Η μη αναστρέφοσα σνδεσμολογία 7. Ακόλοθος τάσης Τελεστικοί Ενισχτές

2 Ο Τελεστικός Ενισχτής Σύμβολο Τελεστικού Ενισχτή ο (peratonal mplfer pmp) Οτελεστικόςενισχτής αισθάνεται τη διαφορά τάσης μεταξύ των σημάτων εισόδο ( ) και εμφανίζει ατή τη διαφορά πολλαπλασιασμένη κατά Α στην έξοδό το. o [ ] V V Τροφοδοσία 5 5 V V Ο τελεστικός ενισχτής είναι ενισχτής διαφορικής εισόδο μονής εξόδο (dfferental nput sngle output). Το κέρδος Α ονομάζεται διαφορικό κέρδος ή κέρδος ανοικτού βρόχο. Τελεστικοί Ενισχτές Ο Ιδανικός Τελεστικός Ενισχτής () Χαρακτηριστικά Ιδανικού Τελεστικού Ενισχτή ΙΤΕ Ο ΙΤΕ δεν τραβάει ρεύμα από τις εισόδος το ( 0). Η σύνθετη αντίσταση εισόδο είναι άπειρη. ( - ) ο Κοινός ακροδέκτης τροφοδοσίας - Ισοδύναμο κύκλωμα ΙΤΕ Ο ακροδέκτης εξόδο δρα σαν ιδανική πηγή τάσης. Δηλ. o σταθ. ανεξαρτήτως τιμής ρεύματος o. Η σύνθετη αντίσταση εξόδο είναι μηδέν. Το κέρδος Α ενός ΙΤΕ είναι πολύ μεγάλο, ιδανικά άπειρο. Το εύρος ζώνης ενός ΙΤΕ είναι άπειρο, δηλ. ενισχύει με το ίδιο Α όλα τα σήματα οποιασδήποτε σχνότητας. Τελεστικοί Ενισχτές

3 Ο Ιδανικός Τελεστικός Ενισχτής () ( - ) - ο Αν η διαφορά 0τότε η έξοδος o 0. Δηλ. ο ΙΤΕ αγνοεί οποιοδήποτε κοινό σήμα και στις δύο εισόδος. Η ιδιότητα ατή ονομάζεται: απόρριψη κοινού σήματος. Ισοδύναμο κύκλωμα ΙΤΕ Η έξοδος o είναι εν φάση (έχει το ίδιο πρόσημο) με την είσοδο και αντίθετο πρόσημο από την (διαφορά φάσης 80 ο ). Έτσι ο ακροδέκτης καλείται αναστρέφων ακροδέκτης εισόδο (πρόσημο ) και ο ακροδέκτης μη αναστρέφων ακροδέκτης εισόδο (πρόσημο ). Τελεστικοί Ενισχτές 5 Η Αναστρέφοσα Σνδεσμολογία (Ι) Στην αναστρέφοσα σνδεσμολογία το σήμα εισόδο Ι εφαρμόζεται στον ακροδέκτη εισόδο το τελεστικού. Ο δεύτερος ακροδέκτης γειώνεται. Ο βρόχος από τον ακροδέκτη στον ακροδέκτη, μέσω της αντίστασης προκαλεί αρνητική ανάδραση στο σύστημα καθώς ο ακροδέκτης είναι η αρνητική είσοδος το τελεστικού. Το κέρδος κλειστού βρόχο G ορίζεται ως ακολούθως: Harold Stephen Black Negatve Feedback Bell Labs 97 U.S. Patent 97 G Τελεστικοί Ενισχτές 6

4 Η Αναστρέφοσα Σνδεσμολογία (ΙΙ) 0 TE ( ) - Ισοδύναμο Κύκλωμα Τελεστικοί Ενισχτές 7 Η Αναστρέφοσα Σνδεσμολογία (ΙΙΙ) 0 0V TE 0 (κατ οσία γη) Επειδή το κέρδος Α ενός ΙΤΕ είναι σχεδόν άπειρο ότι για πεπερασμένη τιμή της Ο η διαφορά τάσης μεταξύ τωνακροδεκτών και πρέπει να είναι σχεδόν 0. 0 Τεχνητό Βραχκύκλωμα (Vrtual Short) Καθώς 0 0 Τελεστικοί Ενισχτές 8

5 Η Αναστρέφοσα Σνδεσμολογία (ΙV) 0 0 0V TE Έτσι: N. hm προσφορά κέρδος για αύξηση ακρίβειας Σνεπώς: 0 G Τελεστικοί Ενισχτές 9 Επίδραση Πεπερασμένο Κέρδος Α (Ι) 0 Αν το κέρδος Α είναι πεπερασμένο, και καθώς 0, σνεπάγεται ότι η διαφορά τάσης μεταξύ των ακροδεκτών και πρέπει να είναι: Άρα: ( ) N. hm Τελεστικοί Ενισχτές 0 5

6 Επίδραση Πεπερασμένο Κέρδος Α (ΙΙ) Σνεπώς: KVL Έτσι: G / ( /) Όταν Α τότε G /. Για να ελαχιστοποιήσομε την εξάρτηση το G από το Α θα πρέπει: << Τελεστικοί Ενισχτές Αντιστάσεις Εισόδο και Εξόδο Αν Α τότε η αντίσταση εισόδο το σστήματος (ΙΤΕ σε αναστρέφοσα σνδεσμολογία) θα δίνεται από τη σχέση: / o 0 - Ισοδύναμο Κύκλωμα ΙΤΕ σε Αναστρέφοσα Σνδεσμολογία - Καθώς η έξοδος της σνδεσμολογίας παίρνεται από τος ακροδέκτες μιας ιδανικής πηγής τάσης ( ), σνεπάγεται ότι η αντίσταση εξόδο το ενισχτή κλειστού βρόχο είναι 0. o 0 Τελεστικοί Ενισχτές 6

7 Παράδειγμα (Ι) x Βρείτε το κέρδος κλειστού βρόχο G. 0 ΙΤΕ Χρησιμοποιήστε το κύκλωμα για να σχεδιάσετε έναν αναστρέφοντα ενισχτή με κέρδος G 00 και αντίσταση εισόδο ΜΩ. Υποθέστε ότι δεν μπορείτε να έχετε αντιστάσεις μεγαλύτερες το ΜΩ. Ισχύει: 0 Τα ρεύματα και πολογίζονται ως εξής: 0 και Τελεστικοί Ενισχτές Παράδειγμα (ΙΙ) x 0 ΙΤΕ Από KVL, η τάση στον κόμβο x θα είναι: x Άρα: 0 0 x Από KCL: Επιπρόσθετα από KVL ισχύει: x Τελεστικοί Ενισχτές 7

8 Παράδειγμα (ΙΙΙ) x Σνεπώς το κέρδος G θα είναι: 0 ΙΤΕ G G Με δεδομένο ότι MΩ, αν διαλέξομε και ΜΩ, τότε θα πρέπει οι τιμές των και να είναι τέτοιες ώστε G 00 και, ΜΩ. Αν διαλέξομε ΜΩ, τότε η πρέπει να είναι ίση με 0.KΩ. Με χρήση της τοπολογίας της διαφάνειας (6), για G 00 & MΩ 00MΩ. Τελεστικοί Ενισχτές 5 Αθροιστής με Βάρη (Ι) n n. n 0 V - ΙΤΕ f Ο τελεστικός ενισχτής παροσιάζει μια κατ οσία γη στον αρνητικό ακροδέκτη εισόδο. Σνεπώς γιατα ρεύματα,,, n θα ισχύει:,,... n n n Καθώς στος ακροδέκτες εισόδο το ιδανικού τελεστικού ενισχτή τα ρεύματα είναι μηδενικά, σνεπάγεται ότι το άθροισμα () των προηγούμενων ρεμάτων θα διαρρέει εξ ολοκλήρο την f. KCL:... n Τελεστικοί Ενισχτές 6 8

9 Αθροιστής με Βάρη (ΙΙ) f n n. n 0 V - ΙΤΕ Με βάση το νόμο τοhm η τάση εξόδο θα είναι: 0 f f Ισοδύναμα η τάση εξόδο μπορεί να γραφεί: f f... Βάρη n Τελεστικοί Ενισχτές 7 f n Η μη Αναστρέφοσα Σνδεσμολογία (Ι) ιαφορά ναµικού 0V Στην μη αναστρέφοσα σνδεσμολογία το σήμα εισόδο Ι εφαρμόζεται στον θετικό ακροδέκτη εισόδο το τελεστικού. Ο ακροδέκτης γειώνεται μέσω της αντίστασης. Ο βρόχος προκαλεί και πάλι αρνητική ανάδραση. Το κέρδος κλειστού βρόχο G ορίζεται ρζ ως : G Τελεστικοί Ενισχτές 8 9

10 Η μη Αναστρέφοσα Σνδεσμολογία (ΙΙ) 0V 0 Α 0 Άρα: για Α Από το νόμο το hm ισχύει: και Η τάση εξόδο δίδεται από: G Τελεστικοί Ενισχτές 9 Η μη Αναστρέφοσα Σνδεσμολογία (ΙΙΙ) 0 V 0 Α Στην μη αναστρέφοσα σνδεσμολογία το G είναι θετικό και μεγαλύτερο της μονάδας. o 0 Ισοδύναμο Κύκλωμα ΙΤΕ σε μη Αναστρέφοσα Σνδεσμολογία Καθώς το ρεύμα στον ακροδέκτη είναι 0 η αντίσταση εισόδο το σστήματος είναι άπειρη: Καθώς η έξοδος δίδεται από ιδανική πηγή τάσης ( ), η αντίσταση εξόδο είναι 0. o 0 Τελεστικοί Ενισχτές 0 0

11 Ακόλοθος Τάσης Απομονωτής x Η άπειρη αντίσταση εισόδο της μη αναστρέφοσας σνδεσμολογίας επιτρέπει τη χρήση το κκλώματος ως απομονωτή όπως φαίνεται στο σχήμα. Έτσι θέτοντας 0 και έχομε ένα ενισχτή μοναδιαίο κέρδος, όπο η έξοδος ακολοθεί την είσοδο (ακόλοθος τάσης). Στην περίπτωση ενός ΙΤΕ έχομε, και o 0. Τελεστικοί Ενισχτές Α 0 ΙΤΕ TE 0 ο Στο βρόχο ανάδρασης από KVL ισχύει: 0 Παράδειγμα (Ι) Ενισχτής Διαφορών () Ιδανικός Τελεστικός και σνεπώς ισχύει: 0 Στο βρόχο της εισόδο από KVL ισχύει: 0 () () Τελεστικοί Ενισχτές

12 Α 0 ΙΤΕ TE 0 ο Παράδειγμα (ΙΙ) Ενισχτής Διαφορών Στο διαιρέτη τάσης της εισόδο ισχύει: Χρησιμοποιώντας τη σχέση () η σχέση () γράφεται ως ακολούθως: KVL N. hm () / / () Τελεστικοί Ενισχτές Β 0 ΙΤΕ TE Παράδειγμα (ΙΙΙ) Ενισχτής Διαφορών (α) Γειώνοντας τη ισχύει: ΟΙδανικόςΤελεστικόςΕνισχτήςείναιένα γραμμικό κύκλωμα και μπορεί να εφαρμοστεί σε ατό η αρχή της πέρθεσης: Γειώνοντας τη ισχύει: () () ΙΤΕ TE (β) Τελεστικοί Ενισχτές

13 Β Παράδειγμα (ΙV) Ενισχτής Διαφορών Σύμφωνα με την αρχή της πέρθεσης ισχύει: ΙΤΕ TE ο / Σνεπώς: / () Τελεστικοί Ενισχτές 5 Παράδειγμα (V) Ενισχτής Διαφορών ΙΤΕ TE ο Αν απαιτήσομε το κύκλωμα να λειτοργεί ως διαφορικός ενισχτής: (δηλ. ~ και 0όταν ) τότε αν θέσομε και ζητήσομε 0, θα ισχύει από την () ησνθήκη: Σνεπώς από την () ισχύει: ( ) πο είναι η σχέση για διαφορικό ενισχτή με κέρδος /. Τελεστικοί Ενισχτές 6

14 Παράδειγμα (VΙ) Ενισχτής Διαφορών TE ο Η αντίσταση εισόδο το κκλώματος βρίσκεται με τη χρήση το απλοποιημένο κκλώματος στο σχήμα. Η αντίσταση εισόδο ορίζεται ως: n Με την εικονική βραχκύκλωση των ακροδεκτών και το ΙΤΕ ισχύει: KVL: 0 n Φσικά ισχύει όπως νωρίτερα: out 0 Τελεστικοί Ενισχτές 7 n TE Παράδειγμα (Ι) ο Εφαρμόζοντας KVL στο βρόχο αρνητικής ανάδρασης, θα ισχύει: Ζητάμε την αντίσταση εισόδο n το κκλώματος. Εφαρμόζομε μ τάση και πολογίζομε το ρεύμα. Η αντίσταση εισόδο ορίζεται ως: n Από νόμο hm, το ρεύμα στην θα είναι: Τελεστικοί Ενισχτές 8

15 n Παράδειγμα (Ι) TE Με βάση την προηγούμενη σχέση για τη, τορεύμαμέσααπότην θα δίνεται ως ακολούθως (νόμος hm): ( / ) Προφανώς ισχύει ότι (KCL): Σνεπώς η αντίσταση εισόδο θα είναι: n αρνητική αντίσταση! Τελεστικοί Ενισχτές 9 Παράδειγμα (ΙΙ) Μετατροπέας Τάσης σε Ρεύμα r r V S Z L Ισοδύναμο κατά Norton V S Z L πηγή φόρτος V S ολ Z L Το ρεύμα Ι Τελεστικοί Ενισχτές Ι ανεξάρτητο της Ζ L. 0 5