Τελεστικοί Ενισχυτές. Σπύρος Νικολαΐδης Αναπληρωτής Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Τελεστικοί Ενισχυτές. Σπύρος Νικολαΐδης Αναπληρωτής Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής"

Φαίδρος Σερπετζόγλου
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Τελεστικοί Ενισχυτές Σπύρος Νικολαΐδης Αναπληρωτής Καθηγητής Τομέας Ηλεκτρονικής & ΗΥ Τμήμα Φυσικής

2 Ο ιδανικός τελεστικός ενισχυτής Είσοδος αντιστροφής Ισοδύναμα Είσοδος μη αντιστροφής A( ) A d d Για τον ιδανικό τελεστικό ενισχυτή Άπειρη αντίσταση εισόδου Μηδενική αντίσταση εξόδου Άπειρη απολαβή τάσης Άπειρο εύρος ζώνης διέλευσης συχνοτήτων

3 Χαρακτηριστικά και επιδόσεις των τελεστικών ενισχυτών Απολαβή τάσης A 2 1 d Σύνηθες τιμές ενώ μπορεί να φθασει στο Στατική χαρακτηριστική τάσης εισόδου-εξόδου Θετικός κόρος Γραμμική περιοχή Αρνητικός κόρος Για V s =10V και A= τότε V ds Vs 10V 0,2mV A

4 Απόκλιση μηδενός των τάσεων εισόδου και εξόδου Η στατική χαρακτηριστική εισόδου-εξόδου ενός ΤΕ δεν περνάει από την αρχή των αξόνων αλλά παρουσιάζει απόκλιση Οι αποκλίσεις εξαρτώνται από - θερμοκρασία - τάση τροφοδοσίας - πάροδο χρόνου Ισοδύναμο με την V s

5 Ρεύματα πόλωσης εισόδου Είναι το ρεύμα που εισέρχεται ή εξέρχεται από αυτής για μηδενικό δυναμικό εξόδου Η διαφορά των ρευμάτων ορίζεται ως διαφορικό ρεύμα πόλωσης ή ρεύμα απόκλισης I I I b2 b1 s

6 Οι αντιστάσεις εισόδου και εξόδου Διαφορική σύνθετη αντίσταση εισόδου Z d : αποτελείται από μια ωμική αντίσταση d μεγάλης τιμής σε παραλληλία με μια χωρητικότητα C d μερικών pf Κοινή σύνθετη αντίσταση εισόδου (αντίστοιχα ως προς γη) Αντίσταση εξόδου (δεκάδες-εκατονταδες Ohm)

7 Λόγος απόρριψης κοινού σήματος (CM) A A c Όπου Α η διαφορική απολαβή τάσης και A c η απολαβή τάσης κοινού σήματος

8 Ρυθμός ανόδου S r (slew rate) Η ταχύτητα μεταβολής της τάσης εξόδου είναι πεπερασμένη Χωρητικότητες στο κύκλωμα Αδυναμία παροχής μεγάλων ρευμάτων φόρτισης Γενικά ο ΤΕ παρουσιάζει διαφορετική απόκριση για μικρά και μεγάλα σήματα εισόδου Ρυθμός ανόδου είναι ο μέγιστος ρυθμός μεταβολής της τάσης εξόδου S r t max Τυπική τιμή S r =1-10V/μsec

9 Ρυθμός ανόδου S r (slew rate) Σήμα εξόδου για συρμούς τετραγωνικών παλμών εισόδου για διαφορετικές συχνότητες Επίδραση ρυθμού ανόδου

10 Μέγιστη συχνότητα Ο ΤΕ μπορεί να αποδώσει ημιτονικό σήμα στην έξοδο μέχρι κάποια συχνότητα για την οποία η μέγιστη κλίση του σήματος θα εξισωθεί με το S r Για ημιτονικό σήμα sn Vm t Μέγιστη κλίση V Μέγιστη συχνότητα f m Sr 2V m m S r d dt V cst m Για S r =1V/μsec και V m =2V f (1 V / sec) / (2 2 V) (1/ 4 ) MHz 79,6KHz m

11 Εύρος ζώνης πλήρους ισχύος Καθορίζεται από τη μέγιστη συχνότητα f M για την οποία μπορούμε να πάρουμε στην έξοδο του ενισχυτή το μέγιστο δυνατό πλάτοςv M =(V m ) max για το οποίο δεν υπάρχει παραμόρφωση λόγω του ρυθμού ανόδου f M Sr 2V M Για S r =1V/μsec και V M =10V έχουμε f M =15,9KHz

12 Χρόνος αποκατάστασης T s Ο χρόνος κατά τον οποίο η έξοδος φτάνει (στα πλαίσια κάποιου σφάλματος) την τελική της τιμή σε σήμα βηματικής τάσης

13 Χρόνος ανάκτησης από υπερφόρτωση T r Ο χρόνος που απαιτείται ώστε το δυναμικό εξόδου να επανέλθει από τον κόρο στη γραμμική περιοχή μετά την απομάκρυνση του σήματος που δημιούργησε τον κόρο

14 Συχνοτική συνάρτηση μεταφοράς του ΤΕ και καμπύλη απόκρισης Γενικά, η απολαβή Α είναι μια μιγαδική συνάρτηση A0 A0 A f 1 j 1 j f p p f f A p A 0 2 f f A 1(0 db) T Συχνότητα θλάσης Εύρος ζώνης μοναδιαίας απολαβής f T A f 0 p

15 Ανάλυση βασικών κυκλωμάτων του ΤΕ Αναστροφικός ενισχυτής d A Βασικές ιδιότητες εφόσον ο ενισχυτής εργάζεται στη γραμμική του περιοχή Η διαφορική τάση d είναι σχεδόν μηδενική Το ρεύμα εισόδου του ΤΕ είναι μηδενικό

16 Αναστροφικός ενισχυτής Το δυναμικό Γ του σημείου Γ μπορεί να βρεθεί με επαλληλία της επίδρασης των και 1 2 Συντελεστής ανάδρασης

17 Απολαβή τάσης Θεωρώντας A προκύπτει Γ =0 και συνεπώς Γ =- Γ A Η απολαβή εξαρτάται μόνο από τις αντιστάσεις

18 Ακριβέστερη προσέγγιση της απολαβής Θεωρώντας το A πεπερασμένου μεγέθους έχουμε d / A 1 2 A A A A A 1 A K K A A Για 2 / 1 =100 και Α= προκύπτει Κ=0,998

19 Αντίσταση εισόδου Η αντίσταση που βλέπουμε στο σημεί Γ είναι 2 2 A / A 1 A A Η Γ έχει πολύ μικρή τιμή 2 2 H παράλληλη διαφορική αντίσταση εισόδου d έχει πολύ μεγάλη τιμή Αντίσταση εισόδου ΤΕ: 1 1

20 Αντίσταση εξόδου Θεωρούμε το ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή αναστροφής =0 A d d 1 2 A ( 1 2)(1 A) ( ) Η αντίσταση εξόδου είναι 1 A A 1 2

21 Απόκριση συχνότητας Η συχνοτική συνάρτηση μεταφοράς του ΤΕ είναι A0 A f 1 j f p Η ολική συχνοτική συνάρτηση μεταφοράς για την απολαβή τάσης θα είναι A 2 p 2 0 A f 2 A j 1 1 p 1 1 A0 f 1 j f A 1 f f 1 1 j f Af A j p p 1 f j f f p A

22 Απόκριση συχνότητας Συχνοτικά διαγράμματα της απολαβής του ενισχυτή σε ανοικτό κύκλωμα και του ενισχυτή αντιστροφής A f j f p f A f f p p Συχνότητα θλάσης Η απολαβή του ΤΕ αντιστροφής μειώνεται κατά 2 / 1 στις χαμηλές συχνότητες ενώ η συχνότητα θλάση αυξάνεται κατά βα ο

23 Παράδειγμα Αναστροφικός ενισχυτής έχει 1 =10KΩ, 2 =100KΩ, A = , f T =1MHz. Ζητούνται: α) η περιοχή διέλευσης συχνοτήτων f p, β) η απολαβή στις συχνότητες f 1 =50KHz και f 2 =300KHz, γ) θα ενισχυθεί χωρίς παραμόρφωση ένα ημιτονικό σήμα 50KHz με πλάτος V m =400mV όταν S r =0,327V/μsec; Λύση α) 10 f p f 1MHz 90,9KHz

24 Παράδειγμα β) Για f 1 =50KHz αφού f 1 < f p έχουμε A K 10K Για f 2 =300KHz αφού f 2 >f p έχουμε 2 / /10 A 2,9 9, 25dB 2 2 f f 90,9 p γ) αντιστοιχεί σε πλάτος εξόδου V m =( 2 / 1 )V m =10 0,4V=4V 10 f m Sr 0,327 V / sec 13KHz 2V m 24V Επειδή f>13κηz θα υπάρχει παραμόρφωση

25 Επίδραση του δυναμικού απόκλισης επί της εξόδου Ισοδύναμο του ενισχυτή αντιστροφής με τάση απόκλισης V s Βραχυκυκλώνουμε την είσοδο και η έξοδος οφείλεται μόνο στην V s V AV A( V V ) d d s V V V V 1 d 1 2 V AV AV AV AV d s s V AVs 1 A Vs 1 1 2

26 Επίδραση του ρεύματος πόλωσης επί της εξόδου Επειδή η Γ είναι πολύ μικρή όλο το ρεύμα της πηγής κατευθύνεται προς το Γ και από εκεί στην 2 (V Γ 0) V V I I 2 b1 2 b1 Η τάση εξόδου εξαρτάται από τη τιμή της 2 και γι αυτό αποφεύγουμε τη χρησιμοποίηση αντιστάσεων ανάδρασης με μεγάλες τιμές

27 Ακολουθητής τάσης Αποτελεί μια πολύ καλή απομονωτική βαθμίδα τάσης με πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου, πολύ μικρή αντίσταση εξόδου και ευρεία περιοχή διέλευσης συχνοτήτων d A A A 1 Θεωρώντας Α>>1 έπεται

28 Συχνοτική απόκριση Θεωρώντας Έχουμε A A0 A f 1 j f 0 p A 1 f f 1 A0 j 1 j f A f p 0 p Η συχνότητα αποκοπής ταυτίζεται με τη συχνότητα f T =A f p Ο ενισχυτής έχει μια πολύ ευρεία περιοχή διέλευσης συχνοτήτων με απολαβή τάσης ίσης με τη μονάδα

29 Αντίσταση εισόδου Ισοδύναμο κύκλωμα ακολουθητή τάσης A d d Για d =200KΩ και A= έχουμε =0,2ΜΩ =10 4 ΜΩ Ο ακολουθητής παρουσιάζει πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου Το μέτρο της μειώνεται με την αύξηση της συχνότητας d d A d d ( A 1) A d d

30 Αντίσταση εξόδου Ισοδύναμο ακολουθητή με Ad A A 1 A Για ο =200Ω και A= (για χαμηλές συχνότητες) έχουμε ο =200Ω/50.000=0,004Ω Το μέτρο της ο αυξάνει με την αύξηση της συχνότητας

31 Ολοκληρωτής Όταν ο ΤΕ λειτουργεί στη γραμμική περιοχή έχουμε d 0 και συνεπώς = / 1 t 1 t () t c dt 0 0 dt C C Εάν υπάρχει αρχική φόρτιση στον πυκνωτή c (0)= (0) 1 t ( t) (0) 0 dt C

32 Παράδειγμα =1ΜΩ και C=2,5μF Ποια είναι η για παλμική είσοδο; Για 0<t t 0 1 t 1 t ( t) dt dt t C 2,5 0 Για t>t 0 =2sec 1 1 ( t t t ) ( t ) 8 ( 5) 2 12 C dt t 2,5 dt t t

33 Επίδραση του ρεύματος πόλωσης Θεωρούμε ότι η είσοδος του ολοκληρωτή είναι στο κενό Ολόκληρο το ρεύμα πόλωσης κατευθύνεται προς την είσοδο του ΤΕ και από εκεί προς το δρόμο ανάδρασης και φορτίζει τον πυκνωτή (για μηδενική αρχική τάση) 1 t 1 () t c I 0 b1dt Ib 1t C C

34 Επίδραση του δυναμικού πόλωσης Για μη γειωμένη είσοδο ο πυκνωτής δεν μπορεί να φορτιστεί ή να εκφορτιστεί (αν c =0 τότε d =- ) A A V A V d d s s A Vs Vs 1 A Για γειωμένη είσοδο αποδεικνύεται ( ) V s

35 Διαφοριστής d dt C d C dt Το κύκλωμα επηρεάζεται σημαντικά από το θόρυβο Για την αντιμετώπιση αυτού τοποθετείται ένας μικρός πυκνωτής παράλληλα με την αντίσταση (υποβαθμίζεται η διαφόριση)

36 Αναστροφικός αθροιστικός ενισχυτής Θα θεωρήσουμε τους ΤΕ ιδανικούς, d =0, I b =0, A Ο αριθμός εισόδων είναι, θεωρητικά, απεριόριστος

37 Μη αναστροφικός ενισχυτής A Αφού ο διαιρέτης τάσης 1 2 λειτουργεί εν κενώ Επειδή d =0 έχουμε = A Για 1 =

38 Ενισχυτής μεταβλητής απολαβής Η απολαβή τάσης μπορεί να μεταβληθεί με τη βοήθεια ενός ποτενσιομέτρου εξόδου 1 ό 0 1

39 Ενισχυτής διαφοράς (διαφορικός ενισχυτής) 1 A A A B Αντικαθιστώντας προκύπτει ( ) ( 3 4) 1 Αν 1 = 3 και 2 = ( )

40 Αθροιστικός αναστροφικός ολοκληρωτής 1 t c 0 dt C t 1 t 1 t dt dt dt C C C

41 Ολοκληρωτής γειωμένου πυκνωτή Το δυναμικό στις δυο εισόδους του ΤΕ είναι /2 ενώ c = c d C dt c d c 2 2 c C dt c 2 C 2 d dt 1 Και τελικά 2 t C 0 dt

42 Μετατροπείς τάσης σε ρεύμα πηγές ρεύματος Παρέχει ρεύμα στο φορτίο που εξαρτάται από την τάση στην είσοδο, ενώ είναι ανεξάρτητο από την τιμή του φορτίου L 1

43 Πηγή ρεύματος με γειωμένο φορτίο A A A 1

44 Κυκλώματα κατά τμήματα γραμμικά Περιοριστής τάσης Συνηθισμένη χρήση τους ο περιορισμός του πλάτους δόνησης στους ταλαντωτές

45 Κύκλωμα και χαρακτηριστική ηλεκτρονόμου (ρελέ)

46 Ένας πιο ευέλικτος περιοριστής τάσης Τα V H και V L καθορίζονται από τις τιμές των αντιστάσεων και των πηγών

Σχετικά έγγραφα

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. Σχ.7.1. Σύµβολο κοινού τελεστικού ενισχυτή και ισοδύναµο κύκλωµα.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. Σχ.7.1. Σύµβολο κοινού τελεστικού ενισχυτή και ισοδύναµο κύκλωµα. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 7. ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ Ο τελεστικός ενισχυτής εφευρέθηκε κατά τη διάρκεια του δεύτερου παγκοσµίου πολέµου και. χρησιµοποιήθηκε αρχικά στα συστήµατα σκόπευσης των αντιαεροπορικών πυροβόλων για