ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

Transcript

1 86

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΓΕΝΙΚΑ: Τελεστικοί Ενισχυτές Ο ιδανικός τελεστικός ενισχυτής Υποθέσεις για την Ανάλυση των Ιδανικών Τελεστικών Ενισχυτών Περιορισμοί Τ.Ε Ατέλειες DC: Ατέλειες AC Μη γραμμικές ατέλειες Εκτιμήσεις ισχύος ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ -- ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Τ.Ε Α. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΙΣΟΔΟΥ Β. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΞΟΔΟΥ Γ. ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Δ. ΑΛΛΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ: ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ : Χαρακτηριστικές τιμές των βασικών παραμέτρων ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗ ΣΩΣΤΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΤΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ...11 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ -- ΑΝΑΣΤΡΕΦΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ Ο Αναστρέφων Ενισχυτής Αναστρέφουσα αρνητική ανάδραση Φαινομενική γείωση Κέρδος τάσης Παρατηρήσεις ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ -- ΜΗ ΑΝΑΣΤΡΕΦΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ Ο Μη Αναστρέφων Ενισχυτής Βασικό κύκλωμα Φαινομενικό (εικονικό) βραχυκύκλωμα Κέρδος τάσης ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ -- ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ (Slew Rate) Ρυθμός μετάδοσης (slew rate) ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΓΙΝΟΜΕΝΟ ΚΕΡΔΟΥΣ * ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ (GBP) Εύρος Ζώνης GBP Τύποι: ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ...29 ΑΘΡΟΙΣΤΗΣ / ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ BCD ΣΕ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ Ενισχυτής άθροισης ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΔΙΑΦΟΡΙΣΤΗΣ Γενικά Διαφοριστής RC Διαφοριστής με Τελεστικό Ενισχυτή Πρακτικός διαφοριστής με τελεστικό ενισχυτή...34 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 3

3 8.5 Τύποι ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΤΗΣ Γενικά Βασικό κύκλωμα Εξάλειψη της μετατόπισης της τάσης ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ Γενικά Ταλαντωτής χαλάρωσης ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΑ ΦΙΛΤΡΑ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΟΡΙΣΜΟΙ Πλεονεκτήματα ενεργών φίλτρων Μειονεκτήματα ενεργών φίλτρων Είδη φίλτρων Βαθυπερατό Ενεργό Φίλτρο VCVS Butterworth Γενικά Υλοποίηση του κυκλώματος Συχνότητα πόλων Αποκρίσεις BUTTERWORTH και BESSEL VCVS Χαμηλοπερατά φίλτρα ίσου πλήθους εξαρτημάτων ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Βαθυπερατό φίλτρο VCVS BUTTERWORTH 2 ης τάξης Τύποι ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΙ ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Θεωρητικό μέρος Ανιχνευτής μηδενισμών Συγκριτές μηδενικής αναφοράς Συγκριτές με αναφορά διάφορη του μηδενός Μετακίνηση του σημείου αναφοράς Συγκριτές με υστέρηση Θόρυβος Σκανδαλισμός θορύβου ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΤΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΕΠΙΜΗΚΥΝΤΗΣ ΠΑΛΜΟΥ Αρχή Λειτουργίας ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΤΑΛΑΝΤΩΤΗΣ RC Γενικά Ψηφιακοί ταλαντωτές ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΤΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΚΥΚΛΩΜΑ Γενικά Μονοσταθής λειτουργία Ασταθής λειτουργία Λειτουργικό διάγραμμα RS Flip Flop Μονοσταθής λειτουργία...63 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 4

4 15.7 Ασταθής λειτουργία Λειτουργία VCO Κυκλώματα Εκκίνηση κι επανατοποθέτηση (START και RESET) Σειρήνες και συναγερμοί Διαμορφωτής εύρους παλμού Διαμορφωτής θέσης παλμού Δημιουργία ράμπας ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΜΟΝΟΣΤΑΘΗΣ ΠΟΛΥΔΟΝΗΤΗΣ ΑΣΤΑΘΗΣ ΠΟΛΥΔΟΝΗΤΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ DARLINGTON ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΕ ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΑ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ Ενισχυτές ισχύος Λειτουργία ενισχυτή με συμπληρωματικά τρανζίστορ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΜΕ Τ.Ε. ΚΑΙ BJT ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ...86 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 5

5 1. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ: Τελεστικοί Ενισχυτές Ο τελεστικός ενισχυτής αποτελεί μία από τις σημαντικότερες δομικές μονάδες της σύγχρονης ηλεκτρονικής. Σαν σχεδιασμός και κύκλωμα υπήρχε από τη δεκαετία του 40, ωστόσο η υλοποίηση με λυχνίες αύξανε υπερβολικά τον όγκο του μειώνοντας τη πρακτικότητα της χρήσης του. Ο τελεστικός ενισχυτής αναγνωρίστηκε μετά την εφεύρεση των ημιαγωγών και των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που μείωσαν δραστικά το μέγεθός του χωρίς να επηρεάσουν τις εκπληκτικές ιδιότητες του. Οι τελεστικοί ενισχυτές σε μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος εξελίχθηκαν γρήγορα, μετά από την ανάπτυξη των πρώτων διεργασιών κατασκευής διπολικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων στη δεκαετία του Οι αρχικές σχεδιάσεις ενισχυτών IC προσέφεραν βελτιωμένες επιδόσεις σε σχέση με σχεδιάσεις με θερμιονικές λυχνίες κενού και διακριτά ημιαγώγιμα στοιχεία, αλλά ήταν κάπως "ευαίσθητοι". Το μα-709, που παρουσιάστηκε από την Fairchild Semiconductor το 1965, ήταν ένας από τους πρώτους τελεστικούς ενισχυτές που χρησιμοποιήθηκαν ευρέως. Τα κυκλώματα των τελεστικών ενισχυτών σε IC βελτιώθηκαν γρήγορα, και στα τέλη της δεκαετίας του 1960 εμφανίστηκε ο (κλασικός τώρα) τελεστικός ενισχυτής μα-741 της Fairchild, που είναι ένας ανθεκτικός ενισχυτής με εξαιρετικά χαρακτηριστικά για τις περισσότερες γενικές εφαρμογές. Το εσωτερικό κύκλωμα αυτών των τελεστικών ενισχυτών χρησιμοποιούσε από 20 μέχρι 50 διπολικά transistor. Οι μεταγενέστερες σχεδιάσεις βελτίωσαν την απόδοση στα περισσότερα πεδία προδιαγραφών. Σήμερα υπάρχει μια εκπληκτική ποικιλία τελεστικών ενισχυτών, από την οποία μπορούμε να διαλέξουμε. 1.2 Ο ιδανικός τελεστικός ενισχυτής Ο όρος "τελεστικός ενισχυτής" προήλθε από τη χρήση των υψηλής απόδοσης ενισχυτών για την υλοποίηση συγκεκριμένων συναρτήσεων ή πράξεων (διαίρεση, πρόσθεση ή ολοκλήρωση) με ηλεκτρονικά κυκλώματα σε αναλογικούς υπολογιστές. Ο τελεστικός ενισχυτής που χρησιμοποιείται στις εφαρμογές αυτές είναι ένας ιδανικός διαφορικός ενισχυτής με μια επιπρόσθετη ιδιότητα: άπειρη απολαβή τάσης. Παρόλο που είναι αδύνατο να υλοποιηθεί ο ιδανικός τελεστικός ενισχυτής, η εννοιολογική χρήση του μας επιτρέπει να κατανοήσουμε τη βασική συμπεριφορά η οποία είναι αναμενόμενη από ένα δεδομένο ηλεκτρονικό κύκλωμα, και χρησιμεύει σαν βοηθητικό μοντέλο για τη σχεδίαση κυκλωμάτων. Αφού γίνουν κατανοητές οι ιδιότητες του ιδανικού ενισχυτή και η χρήση του σε μερικά βασικά κυκλώματα, μπορούν να απομακρυνθούν οι διάφορες "ιδανικές" υποθέσεις, για να γίνει κατανοητή και η επίδραση τους στην απόδοση του κυκλώματος. Ο ιδανικός τελεστικός ενισχυτής είναι μια ειδική περίπτωση του ιδανικού διαφορικού ενισχυτή, στον οποίο είναι R o = 0, και, το πιο σημαντικό, Α=. Η άπειρη απολαβή μας οδηγεί στις υποθέσεις οι οποίες χρησιμοποιούνται για την ανάλυση κυκλωμάτων τα οποία περιέχουν ιδανικούς τελεστικούς ενισχυτές. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 6

6 1.3 Υποθέσεις για την Ανάλυση των Ιδανικών Τελεστικών Ενισχυτών 1. Η διαφορά τάσης μεταξύ εισόδων είναι μηδενική: v id = Τα ρεύματα των εισόδων είναι μηδενικά: i + = 0 και i - = 0. Η άπειρη απολαβή και η άπειρη αντίσταση εισόδου είναι τα ρητά χαρακτηριστικά που μας οδηγούν στις Υποθέσεις 1 και 2. Όμως, ο ιδανικός τελεστικός ενισχυτής έχει και αρκετές άλλες επιπλέον ιδιότητες, όμως αυτές σπάνια δηλώνονται με σαφήνεια. Αυτές είναι: Άπειρη απόρριψη τάσεων που είναι κοινές και για τις δυο εισόδους Άπειρη απόρριψη της τάσης τροφοδοσίας Άπειρη περιοχή τάσεων εξόδου (όχι περιοριζόμενη σε VEE υο Vcc). Άπειρη ικανότητα παροχής ρεύματος εξόδου Άπειρο εύρος ζώνης συχνοτήτων λειτουργίας ανοικτού βρόχου Άπειρο ρυθμό ανόδου της τάσης εξόδου Μηδενική αντίσταση εξόδου Μηδενικά ρεύματα πόλωσης εισόδων και ρεύμα μετατόπισης Μηδενική μετατόπιση τάσης εισόδου Αν και το σχέδιο των περισσότερων κυκλωμάτων τελεστικών ενισχυτών στηρίζεται στους "χρυσούς κανόνες" παραπάνω, οι σχεδιαστές πρέπει να γνωρίσουν ότι κανένας πραγματικός Τ.Ε δεν μπορεί να ταιριάξει με αυτά τα χαρακτηριστικά ακριβώς. Παρακάτω δίνονται μερικοί από τους περιορισμούς των πραγματικών Τ.Ε, καθώς επίσης και πώς αυτοί έχουν επιπτώσεις στο σχέδιο κυκλωμάτων. 1.4 Περιορισμοί Τ.Ε 1.5 Ατέλειες DC: Πεπερασμένο κέρδος - η επίδραση είναι εντονότερη όταν προσπαθεί να επιτύχει το γενικό σχέδιο το κέρδος κοντά στο μέγιστο κέρδος του Τ.Ε. Πεπερασμένη αντίσταση εισόδου - αυτό βάζει ένα ανώτερο όριο που δεσμεύει τις αντιστάσεις στο κύκλωμα ανατροφοδότησης. Μη μηδενική αντίσταση εξόδου - σημαντικός για τα φορτία χαμηλής αντίστασης. Εκτός από την περίπτωση πολύ μικρής τάσης εξόδου, τα ζητήματα ισχύος συνήθως μας απασχολούν πρώτα. Το ημιάθρισμα των δυο ρευμάτων εισόδου (Input bias current) - ένα μικρό ποσό ρεύματος (τυπικά ~10mA) στους ακροδέκτες εισόδου απαιτείται για την κατάλληλη λειτουργία. Αυτή η επίδραση είναι συνήθως σημαντική μόνο για πολύ τα κυκλώματα χαμηλής ισχύος. Η τάση που πρέπει να εφαρμοστεί σε έναν από τους δυο ακροδέκτες εισόδου για να δώσει ο Τ.Ε τάση εξόδου μηδέν(input offset voltage) - ο Τ.Ε θα δίνει μια έξοδο ακόμα και όταν είναι οι ακροδέκτες εισόδου έχουν ακριβώς στην ίδια τάση. Για τα κυκλώματα που απαιτούν την ακριβή DC λειτουργία, αυτή η επίδραση πρέπει να αντισταθμιστεί. Οι περισσότεροι εμπορικοί Τ.Ε παρέχουν έναν ακροδέκτη offset για αυτόν το λόγο. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 7

7 1.6 Ατέλειες AC: Πεπερασμένο εύρος συχνοτήτων - όλοι οι ενισχυτές έχουν ένα πεπερασμένο εύρος ζώνης. Εντούτοις, αυτό περισσότερο αναφέρεται για Τ.Ε, οι οποίοι χρησιμοποιούν αποζημίωση συχνότητας για να αποφευχθεί ακούσια θετική ανατροφοδότηση. Χωρητικότητα Εισαγωγής - η σημαντικότερη για τη λειτουργία υψηλής συχνότητας. 1.7 Μη γραμμικές ατέλειες: Κορεσμός - η τάση εξόδου περιορίζεται σε μια τιμή κορυφής ελαφρώς μικρότερη από τάση τροφοδοσίας. Slew rate - Ο χρονικός ρυθμός της αλλαγής της τάσης εξόδου για μοναδιαίο κέρδος του Τ.Ε. 1.8 Εκτιμήσεις ισχύος: Περιορισμένη παραγωγή ισχύος- εάν η παραγωγή υψηλής ισχύος επιδιώκεται, πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας Τ.Ε που σχεδιάζεται συγκεκριμένα για εκείνο τον σκοπό. Οι περισσότεροι Τ.Ε σχεδιάζονται για χαμηλή απόδοση ισχύος. 2 ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ -- ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Τ.Ε Γενικά η λειτουργία των Τ.Ε εξαρτάται από τις παρακάτω παραμέτρους: 2.1 Α. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΙΣΟΔΟΥ : 1. Input Offset Voltage: V ci Η τάση που πρέπει να εφαρμοσθεί σε έναν από τους δύο ακροδέκτες εισόδου νια να δώσει ο Τ.Ε. μηδέν τάση εξόδου. 2. Input Bias Current: h To ημιάθρισμα των δύο ρευμάτων εισόδου. Στην ιδανική περίπτωση τα δύο ρεύματα είναι ίσα. 3. Input Offset Current: I os Η διαφορά των δύο ρευμάτων εισόδου όταν η τάση εξόδου είναι μηδέν. 4. Input Voltage Range: V em Η κοινή τάση στις δυο εισόδους. 5. Input Resistance: Ζ Η αντίσταση που φαίνεται σε μια από τις εισόδους με την άλλη γειωμένη. 2.2 Β. ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΕΞΟΔΟΥ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 8

8 1. Output Resistance: Ζ ο, Η αντίσταση που φαίνεται στην έξοδο του Τ.Ε. 2. Output Short - Circuit Current: I osc To μέγιστο ρεύμα εξόδου που μπορεί να παρέχει στο φορτίο ο Τ.Ε. 3. Output Voltage Swing: Vo max Ανάλογα με αντίσταση του φορτίου. η τάση αυτή είναι η μέγιστη τάση κορυφής εξόδου που παρέχει ο Τ.Ε. χωρίς παραμόρφωση. 2.3 Γ. ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ: 1. Open Loop Voltage Gain: Α βι Ο λόγος της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου χωρίς εξωτερική ανάδραση. 2. Large Signal Voltage Gain Ο λόγος της μέγιστης απόκλισης της τάσης εξόδου προς την απόκλιση της τάσης εισόδου που απαιτείται για να οδηγηθεί η έξοδος από το μηδέν σε μια καθορισμένη τάση π.χ. ±10V. 3. Slew Rate: S.R Ο χρονικός ρυθμός :η; αλλαγής της χάσης εξόδου για μοναδιαίο κέρδος του Τ.Ε Δ. ΑΛΛΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ: 1. Supply Current Το ρεύμα που τραβάει ο Τ.Ε. από το τροφοδοτικό. 2. Supply Voltage : ±Vs Η μέγιστη θετική και αρνητική τάση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία του Τ.Ε. 3. Input Voltage: Vicm Η μέγιστη τάση εισόδου που μπορεί να εφαρμοσθεί ταυτόχρονα μεταξύ των δύο εισόδων και της γείωσης. Αναφέρεται και ως common - mode voltage. Συνήθως είναι ίση με την τάση τροφοδοσίας. 4. Common - Mode Rejection Ratio: CMMR Μέτρο της ικανότητας του Τ.Ε. να απορρίπτει σήματα που εμφανίζονται ταυτόχρονα στις δύο εισόδους. 5. Internal Power Dissipation : Ρο Η μέγιστη ισχύς ~ον είναι ικανός να καταναλώσει ο Τ.Ε. σε μια δεδομένη θερμοκρασία π.χ. 5OOmW για 75 C 6. Differential Input Voltage: Vid Η μέγιστη τάση που επιτρέπεται να εφαρμοσθεί μεταξύ των ακροδεκτών εισόδου + και Output Short - Circuit Duration Ο χρόνος που η έξοδος τον Τ. Ε. μπορεί να βραχυκυκλωθεί στη γείωση η σε μια από τις τροφοδοσίες. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 9

9 2.5 ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ : 741 Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη δομή και τη φύση γενικά του τελεστικού ενισχυτή, θα μελετήσουμε το παράδειγμα του Τ.Ε 741 της Fairchild που είναι αντιπροσωπευτικό και ίσως το πιο πολυχρησιμοποιημένο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Το 1965 η Fairchild Semiconductor κατασκεύασε τον mα709, τον πρώτο ευρέως χρησιμοποιούμενο μονολιθικό τελεστικό ενισχυτή. Παρόλο σημειώνει επιτυχία, ο τελεστικός ενισχυτής πρώτης γενιάς είχε και πολλά μειονεκτήματα Αυτό οδήγησε σε ένα βελτιωμένο τελεστικό ενισχυτή γνωστό σαν MΑ741. Επειδή είναι οικονομικός και εύχρηστος, ο Mα741 σημείωσε τεράστια επιτυχία. Άλλοι σχεδιασμοί 741έκαναν την εμφάνισή τους από διάφορους κατασκευαστές. Για παράδειγμα, η MOTOROLA δημιούργησε τον MC1741,η NATIONAL Semiconductor τον LM741, και η Texas Instruments τον SN Όλοι αυτοί οι μονολιθικοί τελεστικοί ενισχυτές είναι ισοδύναμοι με τον Μα741, επειδή έχουν τις ίδιες προδιαγραφές στα φυλλάδια δεδομένων τους. Για ευκολία, οι περισσότεροι δεν χρησιμοποιούν τα προθέματα και αποκαλούν αυτόν τον εύχρηστο τελεστικό ενισχυτή απλώς 741 Αν και τα περισσότερα σύγχρονα ολοκληρωμένα τον υπερβαίνουν στην ταχύτητα, το χαμηλό θόρυβο, κ.λ.π., λειτουργεί ακόμα καλά ως συσκευή γενικής χρήσης. Ένα από τα πλεονεκτήματά του είναι ότι αντισταθμίζεται (η απόκριση συχνότητάς του προσαρμόζεται) για να εξασφαλίσει ότι κάτω από τις περισσότερες περιστάσεις δεν θα παραχθούν ανεπιθύμητες ταλαντώσεις. Αυτό σημαίνει ότι είναι εύχρηστος, αλλά το μειονέκτημα αυτού είναι η φτωχή απόδοση ταχύτητας/κέρδους έναντι των πιο σύγχρονων Τ.Ε. Ο 741 βρίσκεται συνήθως στο εμπόριο με τη μορφή ολοκληρωμένου 8 ακροδεκτών DIL (Dual In Line) ή DIP (Dual Inline Package, ή άλλες φορές Dual Inline Plastic) με τους ακροδέκτες διατεταγμένους όπως στο σχήμα. Αυτό έχει αποδειχθεί τόσο δημοφιλές που πολλοί άλλοι ανταγωνιστικοί Τ.Ε έχουν την ίδια διάταξη ακροδεκτών. Οι τιμές που δίνονται παρακάτω είναι χαρακτηριστικές για έναν συνηθισμένο 741, οι καλύτερες εκδόσεις (ακριβότερες) μπορούν να δώσουν καλύτερα αποτελέσματα. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 10

10 2.6 Χαρακτηριστικές τιμές των βασικών παραμέτρων: Rail voltages: +/- 15V dc (+/- 5V min, +/- 18V max) Input impedance: Περίπου 2MegOhms Κέρδος τάσης χαμηλών συχνοτήτων: Περίπου 200,000 Input bias current: 80nA Slew rate: 0.5V ανά μsec Maximum output current: 20mA Προτεινόμενο φορτίο στην έξοδο: όχι λιγότερο από 2kilοhms 2.7 ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗ ΣΩΣΤΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΤΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΠΡΟΣΟΧΗ Να εφαρμόζετε πρώτα τις τάσεις τροφοδοσίας στο κύκλωμα και κατόπιν τα σήματα εισόδου. Να αποσυνδέετε από το κύκλωμα πρώτα τα σήματα εισόδου και κατόπιν τις γραμμές τροφοδοσίας. Ποτέ μην πραγματοποιείτε αλλαγές σε οποιοδήποτε κύκλωμα χωρίς να έχετε κλείσει προηγουμένως τις τάσεις τροφοδοσίας. Εάν δεν τηρούνται τα παραπάνω, υπάρχει μεγάλος κίνδυνος καταστροφής των ολοκληρωμένων. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 11

11 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ 3 ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ -- ΑΝΑΣΤΡΕΦΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ 3.1 Ο Αναστρέφων Ενισχυτής ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Ο αναστρέφων ενισχυτής (inverting amplifier) είναι το πιο βασικό κύκλωμα ενίσχυσης. Χρησιμοποιεί αρνητική ανάδραση για να σταθεροποιήσει το ολικό κέρδος τάσης. Ο λόγος που χρειάζεται να σταθεροποιήσουμε το ολικό κέρδος τάσης είναι γιατί το A OL είναι πολύ υψηλό και ασταθές ώστε να χρησιμοποιηθεί χωρίς κάποια μορφή ανάδρασης. Για παράδειγμα, ο 741C έχει ελάχιστο Α OL 20,000 και μέγιστο A OL πάνω από 200,000. Ένα απρόβλεπτο κέρδος τάσης αυτού του μεγέθους και τέτοιων μεταβολών είναι άχρηστο χωρίς ανάδραση. Μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα κύκλωμα αναστρέφοντος ενισχυτή, γειώνοντας τη μη αναστρέφουσα είσοδο του τελεστικού ενισχυτή, και συνδέοντας τις αντιστάσεις R1 και R2, οι οποίες ονομάζονται δικτύωμα ανάδρασης (feedback network), μεταξύ της αναστρέφουσας εισόδου και της πηγής σήματος και μεταξύ της αναστρέφουσας εισόδου και τον κόμβο εξόδου του ενισχυτή, αντίστοιχα. 3.2 Αναστρέφουσα αρνητική ανάδραση Το Σχήμα 1 δείχνει έναν αναστρέφοντα ενισχυτή. Για να παραμείνει το κύκλωμα απλό, δεν παρουσιάζονται οι τάσεις τροφοδοσίας. Με άλλα λόγια, κοιτάμε το ac ισοδύναμο κύκλωμα. Η τάση εισόδου v in οδηγεί την αναστρέφουσα είσοδο μέσω της αντίστασης R 1. Αυτό δημιουργεί αναστρέφουσα τάση εισόδου ν 2. Σχήμα 1. Αναστρέφων ενισχυτής Η τάση εισόδου εφαρμόζεται από το κέρδος τάσης ανοιχτού-βρόχου για να δημιουργήσει αναστρέφουσα τάση εξόδου. Η τάση εξόδου τροφοδοτείται και πάλι στην είσοδο μέσω της αντίστασης ανάδρασης R 2. Αυτό δημιουργεί αρνητική ανάδραση επειδή η έξοδος είναι 180 εκτός φάσης με την είσοδο. Με άλλα λόγια, κάθε μεταβολή της ν 2 που δημιουργεί η τάση εισόδου αντιτίθεται στο σήμα εισόδου. Η αρνητική ανάδραση σταθεροποιεί το ολικό κέρδος τάσης ως εξής: Αν το κέρδος τάσης ανοιχτού-βρόχου A OL αυξηθεί για οποιονδήποτε λόγο, η τάση εισόδου θα αυξηθεί και θα τροφοδοτήσει και πάλι περισσότερη τάση στην αναστρέφουσα είσοδο. Αυτή η αντίθετη τάση ανάδρασης μειώνει την ν 2. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 12

12 Επομένως, παρόλο που A OL αυξάνεται, η ν 2 μειώνεται, και η τελική έξοδος αυξάνεται πολύ λιγότερο απ' ότι χωρίς την αρνητική ανάδραση. Το συνολικό αποτέλεσμα είναι μια αμυδρή αύξηση της τάσης εξόδου, τόσο μικρή που με τα βίας γίνεται αντιληπτή. 3.3 Φαινομενική γείωση Όταν συνδέουμε ένα κομμάτι σύρμα μεταξύ κάποιου σημείου ενός κυκλώματος και της γείωσης, η τάση στο σημείο αυτό μηδενίζεται. Ακόμη, το σύρμα παρέχει τη διαδρομή για τη ροή του ρεύματος προς τη γείωση. Η μηχανική γείωση (ένα σύρμα μεταξύ ενός σημείου και της γείωσης) αποτελεί γείωση και της τάσης και του ρεύματος. Η φαινομενική γείωση (virtual ground) διαφέρει. Αυτού του είδους η γείωση χρησιμοποιείται ευρύτατα σαν ένας σύντομος τρόπος ανάλυσης ενός αναστρέφοντας ενισχυτή. Με μια φαινομενική γείωση, η ανάλυση ενός αναστρέφοντας ενισχυτή και τα σχετικά κυκλώματα γίνονται απίστευτα εύκολα. Η έννοια της φαινομενικής γείωσης βασίζεται σε έναν ιδανικό τελεστικό ενισχυτή. Όταν ο τελεστικός ενισχυτής είναι ιδανικός, έχει άπειρο κέρδος τάσης ανοιχτούβρόχου και άπειρη αντίσταση εισόδου. Γι' αυτό, μπορούμε να συμπεράνουμε τις ακόλουθες ιδανικές ιδιότητες του αναστρέφοντος ενισχυτή του Σχ. 2: 1. Αφού η R in είναι άπειρη, το i 2 θα είναι μηδενικό. 2. Αφού το Α OL είναι άπειρο, η ν 2 θα είναι μηδενική. Σχ. 2 Η έννοια της φαινομενικής γείωσης: βραχυκυκλωμένη για την τάση και ανοιχτό κύκλωμα για το ρεύμα. Αφού το i 2 είναι μηδενικό στο Σχ. 2, το ρεύμα μέσω της R 2 θα πρέπει να ισούται με το ρεύμα εισόδου μέσω της R 1 όπως φαίνεται. Επιπλέον, αφού η v 2 είναι μηδενική, η φαινομενική γείωση που δείχνει το Σχ. 2 σημαίνει ότι η αναστρέφουσα είσοδος λειτουργεί σαν γείωση της τάσης, αλλά σαν ανοιχτό κύκλωμα για το ρεύμα! Η φαινομενική γείωση είναι πολύ ασυνήθιστη. Είναι σαν μισή γείωση, επειδή αποτελεί βραχυκύκλωμα για την τάση, αλλά ανοιχτό κύκλωμα για το ρεύμα. Για να μας υπενθυμίσει αυτή την ιδιότητα της μισής γείωσης, το Σχ. 2 χρησιμοποιεί μια διακεκομμένη γραμμή μεταξύ της αναστρέφουσας εισόδου και της γείωσης. Η διακεκομμένη γραμμή σημαίνει ότι δεν μπορεί να ρέει ρεύμα προς τη γείωση. Παρόλο που η φαινομενική γείωση αποτελεί ιδανική προσέγγιση, δίνει πολύ ακριβείς απαντήσεις όταν χρησιμοποιείται με έντονη αρνητική ανάδραση. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 13

13 3.4 Κέρδος τάσης Στο Σχ. 3, βλέπουμε μια φαινομενική γείωση στην αναστρέφουσα είσοδο. Στη συνέχεια, το δεξί άκρο της R 1 αποτελεί γείωση τάσης, κι επομένως μπορούμε να γράψουμε: v in = i in R 1 Σχ. 3 Ο αναστρέφων ενισχυτής έχει το ίδιο ρεύμα μέσω και των δύο αντιστάσεων. Παρομοίως, το αριστερό άκρο της R 2 αποτελεί γείωση τάσης, και επομένως το μέγεθος της τάσης εισόδου είναι: v out = i in R 2 Διαιρέστε την v out προς την v in για να πάρετε το κέρδος τάσης: A CL v v R R out 2 = = (1) in 1 όπου A CL είναι το κέρδος τάσης κλειστού βρόχου. Αυτό ονομάζεται κέρδος τάσης κλειστού βρόχου (closed-loop voltage) επειδή είναι η τάση όταν υπάρχει διαδρομή ανάδρασης μεταξύ της εξόδου και της εισόδου. Λόγω της αρνητικής ανάδρασης, το κέρδος τάσης κλειστού βρόχου A CL είναι πάντα μικρότερο από το κέρδος τάσης ανοιχτού-βρόχου A OL. Το κέρδος τάσης κλειστού βρόχου ισούται με τον λόγο της αντίστασης ανάδρασης προς την αντίσταση εισόδου. 3.5 Παρατηρήσεις 1. Από το κέρδος τάσης φαίνεται ότι η τάση εξόδου παρουσιάζει διαφορά φάσεις σε σχέση με την είσοδο. 2. Με τη μεταβολή των αντιστάσεων R1 και R2 μπορούμε να μεταβάλλουμε το κέρδος τάσης. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 14

14 3.6 ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Εφαρμόζουμε στην είσοδο του διαφορικού ενισχυτή ένα ημιτονικό σήμα με σκοπό να παρατηρήσομε την μεταβολή της τάσης εξόδου σε σχέση με την είσοδο. Επίσης για διάφορες τιμές της αντίστασης R2 παρατηρούμε τις μεταβολές του σήματος εξόδου. 1) Συνδεσμολογήστε το κύκλωμα του σχήματος χρησιμοποιώντας τον τελεστικό ενισχυτή UA741CN της STMicroelectronics. R 1 =10K R 2 =10Κ 2) Μετράμε και ρυθμίζουμε τις συνεχείς τάσεις + και του Breadboard ώστε να δίνουν +15V και -15V αντίστοιχα και τις συνδέουμε στα V CC και -V EE. Έπειτα ρυθμίζουμε τον παλμογράφο έτσι ώστε το κανάλι 1 και 2 να έχει 0.5V/διαίρεση, τη βάση χρόνου στο 1ms/διαίρεση και τη ζεύξη σε AC. 3) Εφαρμόσατε στην είσοδο Vi ημιτονικό σήμα πλάτους 1V p p και συχνότητας 500Hz. Στον παλμογράφο παρατηρούμε την τάση εξόδου σε σχέση με την τάση εισόδου. 4) Συγκρίνατε και σχεδιάσατε τα δύο σήματα Vi και V o V in t V out t ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 15

15 5) Τι παρατηρείτε ως προς τη φάση;.. 6) Ποια είναι η τάση εξόδου peak to peak;. 7) Ποιο το κέρδος τάσης; Vout = Vin 8) Διατηρώντας το πλάτος του σήματος εισόδου σταθερό (1v p-p ) αλλάξατε την αντίσταση R 2 και συμπληρώσατε τον παρακάτω πίνακα: R 2 (KΩ) V out p-p (V) ΚΕΡΔΟΣ ΤΑΣΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 16

16 4 ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ -- ΜΗ ΑΝΑΣΤΡΕΦΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ 4.1 Ο Μη Αναστρέφων Ενισχυτής Ο μη αναστρέφων ενισχυτής (non-inverting amplifier) αποτελεί ένα ακόμη βασικό κύκλωμα τελεστικού ενισχυτή. Χρησιμοποιεί αρνητική ανάδραση για να σταθεροποιήσει το ολικό κέρδος τάσης. Με αυτού του είδους τον ενισχυτή, η αρνητική ανάδραση αυξάνει και τη σύνθετη αντίσταση εισόδου ενώ μειώνει τη σύνθετη αντίσταση εξόδου. 4.2 Βασικό κύκλωμα Το Σχήμα 4 δείχνει το ac ισοδύναμο κύκλωμα ενός μη αναστρέφοντος ενισχυτή. Η τάση εισόδου v in οδηγεί την μη αναστρέφουσα είσοδο. Αυτή η τάση εισόδου ενισχύεται για να δημιουργήσει την τάση εξόδου σε φάση, που παρουσιάζει το σχήμα. Ένα μέρος της τάσης εξόδου τροφοδοτείται και πάλι στην είσοδο μέσω ενός διαιρέτη τάσης. Η τάση στα άκρα της R 1 είναι η τάση ανάδρασης που εφαρμόζεται στην μη αναστρέφουσα είσοδο. Σχ. 4 Μη αναστρέφων ενισχυτής. Αυτή η τάση ανάδρασης σχεδόν ισούται με την τάση εισόδου. Εξαιτίας του υψηλού κέρδους τάσης ανοιχτού βρόχου, η διαφορά μεταξύ v 1 και v 2 είναι πολύ μικρή. Αφού η τάση ανάδρασης αντιτίθεται στην τάση εισόδου, έχουμε αρνητική ανάδραση. Η αρνητική ανάδραση σταθεροποιεί το ολικό κέρδος τάσης ως εξής: Αν το κέρδος τάσης ανοιχτού-βρόχου A OL αυξηθεί για οποιονδήποτε λόγο, η τάση εξόδου θα αυξηθεί και θα τροφοδοτήσει περισσότερη τάση πίσω στην αναστρέφουσα είσοδο. Αυτή η αντίθετη τάση ανάδρασης μειώνει την καθαρή τάση εισόδου v 1 - v 2. Επομένως, παρόλο που το A OL αυξάνεται, το v 1 - v 2 μειώνεται, και η τελική έξοδος αυξάνεται πολύ λιγότερο απ' ότι θα αυξανόταν χωρίς την αρνητική ανάδραση. Το συνολικό αποτέλεσμα έχει ελαφρώς πιο αυξημένη τάση εξόδου. Παρατηρούμε ότι η αναστρέφουσα είσοδος του Τ.Ε είναι γειωμένη μέσω της αντίστασης R1, ενώ μέσω της R2 δημιουργείται ένας βρόχος ανάδρασης απ τον οποίο επιστρέφει στην αναστρέφουσα είσοδο του Τ.Ε ένα μέρος της τάσης εξόδου. Ένας ενισχυτής με ανάδραση έχει την ικανότητα να αυτοδιορθώνει τις μεταβολές της τάσης εξόδου του, οι οποίες οφείλονται στις μεταβολές της τάσης τροφοδοσίας, της θερμοκρασίας κ.α.. Η ανάδραση μειώνει το πλάτος του σήματος εξόδου, προκαλώντας έτσι και την μείωση του κέρδους τάσης. Αυτό συμβαίνει διότι μέσω του κυκλώματος ανάδρασης, αναδράται ένα μέρος της εξόδου στην είσοδο. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 17

17 Γενικά η χρήση της ανάδρασης στα κυκλώματα με Τ.Ε επιφέρει τα παρακάτω αποτελέσματα στην λειτουργία των ενισχυτών: 1. Σταθεροποίηση του κέρδους τάσης. 2. Αύξηση του εύρους ζώνης, με δραστική μείωση του κέρδους τάσης. 3. Ελάττωση της μη γραμμικής παραμόρφωσης. 4. Ελάττωση της παραμένουσας τάσης εξόδου. 5. Αύξηση της σύνθετης αντίστασης εισόδου. Επομένως το κέρδος τάσης υπολογίζεται ως Av= Vo R2 = 1+ Vi R 1 Παρατηρούμε από τον τύπο ότι: 1. Η τάση εξόδου δε μπορεί να πάρει τιμές μικρότερες της τάσης εισόδου, αλλά μπορεί να γίνει το πολύ ίση με αυτή. 2. Η τάση εξόδου δε παρουσιάζει διαφορά φάσης με την τάση εισόδου. 4.3 Φαινομενικό (εικονικό) βραχυκύκλωμα Όταν συνδέουμε ένα κομμάτι σύρμα μεταξύ δύο σημείων ενός κυκλώματος, η τάση και των δύο σημείων ως προς τη γείωση είναι ίση. Επιπλέον, το σύρμα παρέχει τη διαδρομή ροής του ρεύματος μεταξύ των δύο σημείων. Το μηχανικό βραχυκύκλωμα (το σύρμα μεταξύ δύο σημείων) είναι ένα βραχυκύκλωμα και για την τάση και για το ρεύμα. Το εικονικό βραχυκύκλωμα διαφέρει. Αυτού του είδους το βραχυκύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση των μη αναστρεφόντων ενισχυτών. Με ένα εικονικό βραχυκύκλωμα, μπορούμε γρήγορα κι εύκολα να αναλύσουμε τους μη αναστρέφοντες ενισχυτές και τα σχετικά κυκλώματα. Το εικονικό βραχυκύκλωμα χρησιμοποιεί αυτές τις δύο ιδιότητες ενός ιδανικού τελεστικού ενισχυτή: 1. Αφού η R in είναι άπειρη, και τα δύο ρεύματα εισόδου θα είναι μηδενικά. 2. Αφού το Α OL είναι άπειρο, v 1 - v 2 θα είναι μηδενικό. Το Σχ. 5 δείχνει ένα εικονικό βραχυκύκλωμα μεταξύ των άκρων εισόδου του τελεστικού ενισχυτή. Σχ. 5 Υπάρχει φαινομενικό βραχυκύκλωμα μεταξύ των δύο εισόδων του τελεστικού ενισχυτή. Το φαινομενικό βραχυκύκλωμα αποτελεί βραχυκύκλωμα για την τάση, αλλά ανοιχτό κύκλωμα για το ρεύμα. Ας θυμηθούμε ότι η διακεκομμένη γραμμή σημαίνει ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 18

18 ότι δεν ρέει ρεύμα μέσα από αυτή. Παρόλο που το φαινομενικό βραχυκύκλωμα αποτελεί ιδανική προσέγγιση, δίνει πολύ ακριβείς απαντήσεις όταν χρησιμοποιείται με έντονη αρνητική ανάδραση. Το εικονικό βραχυκύκλωμα χρησιμοποιείται ως εξής: Κάθε φορά που αναλύουμε έναν μη αναστρέφοντα ενισχυτή ή ένα παρόμοιο κύκλωμα, θεωρούμε ότι έχουμε ένα θεωρητικό βραχυκύκλωμα μεταξύ των άκρων εισόδου του τελεστικού ενισχυτή. Όσο ο τελεστικός ενισχυτής λειτουργεί στη γραμμική περιοχή (χωρίς να έχει φτάσει στον θετικό ή στον αρνητικό κόρο), το κέρδος τάσης ανοιχτού-βρόχου πλησιάζει το άπειρο και έχουμε εικονικό βραχυκύκλωμα μεταξύ των δύο άκρων εισόδου. Ένα ακόμη σημείο: Λόγω του εικονικού βραχυκυκλώματος, η αναστρέφουσα τάση εισόδου ακολουθεί την μη αναστρέφουσα τάση εισόδου. Αν η μη αναστρέφουσα τάση εισόδου αυξηθεί ή μειωθεί, η αναστρέφουσα τάση εισόδου αμέσως θα αυξηθεί ή θα μειωθεί στην ίδια τιμή. Η λειτουργία αυτή ονομάζεται αυτοδύναμη εκκίνηση (bootstrapping). Η μη αναστρέφουσα τάση εισόδου αυξάνει ή μειώνει την αναστρέφουσα είσοδο κατά την ίδια τιμή. Με άλλα λόγια, η αναστρέφουσα είσοδος δίνει αυτόματη εκκίνηση στη μη αναστρέφουσα είσοδο. 4.4 Κέρδος τάσης Στο Σχ. 6, βλέπουμε ένα εικονικό βραχυκύκλωμα μεταξύ των άκρων εισόδου του τελεστικού ενισχυτή. Στη συνέχεια, το φαινομενικό βραχυκύκλωμα σημαίνει ότι τάση εισόδου εμφανίζεται στα άκρα της R 1, όπως φαίνεται στο σχήμα. Επομένως, μπορούμε να γράψουμε: v i R in = 1 1 Σχ. 6 Υπάρχει τάση εισόδου στα άκρα της R 2 ρέει το ίδιο ρεύμα μεταξύ των αντιστάσεων. Αφού δεν ρέει ρεύμα μέσω ενός εικονικού βραχυκυκλώματος, το ίδιο ρεύμα i 1 θα πρέπει να ρέει μέσω της R 2, που σημαίνει ότι η τάση εξόδου δίνεται από την: ( R ) v out = i1 2 + R1 Διαιρέστε την v out προς την v in για να πάρετε το κέρδος τάσης: A v R + R out CL = = = + (2) vin R1 1 1 R R ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 19

19 4.5 ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Εφαρμόζουμε στην είσοδο του διαφορικού ενισχυτή ένα ημιτονικό σήμα με σκοπό να παρατηρήσομε την μεταβολή της τάσης εξόδου σε σχέση με την είσοδο. Επίσης για διάφορες τιμές της αντίστασης R2 παρατηρούμε τις μεταβολές του σήματος εξόδου. 1) Συνδεσμολογήστε το κύκλωμα του σχήματος χρησιμοποιώντας τον τελεστικό ενισχυτή UA741CN της STMicroelectronics. Μετράμε και ρυθμίζουμε τις συνεχείς τάσεις + και του Breadboard ώστε να δίνουν +15V και -15V αντίστοιχα και τις συνδέουμε στα V CC και -V EE. Έπειτα ρυθμίζουμε τον παλμογράφο έτσι ώστε το κανάλι 1 και 2 να έχει 0.5V/διαίρεση, τη βάση χρόνου στο 1ms/διαίρεση και τη ζεύξη σε AC. 2) Εφαρμόζουμε στην είσοδο ημιτονικό σήμα πλάτους 1V p-p και συχνότητας 400Hz. Στον παλμογράφο παρατηρούμε την τάση εξόδου σε σχέση με την τάση εισόδου. 3) Συγκρίνατε και σχεδιάσατε τα δύο σήματα V in και V out V in t V out t ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 20

20 4) Τι παρατηρείτε ως προς τη φάση;.. 5) Ποια είναι η τάση εξόδου peak to peak;. 6) Ποιο το κέρδος τάσης; Vout = Vin 7) Διατηρώντας το πλάτος του σήματος εισόδου σταθερό (1v p-p ) αλλάξατε την αντίσταση R 2 και συμπληρώσατε τον παρακάτω πίνακα: R 2 (KΩ) V out p-p (V) ΚΕΡΔΟΣ ΤΑΣΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 21

21 5. ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ -- ΡΥΘΜΟΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ (Slew Rate) 5.1 Ρυθμός μετάδοσης (slew rate) Ο πυκνωτής αντιστάθμισης μέσα στον 741C διεξάγει μια πολύ σημαντική λειτουργία: Εμποδίζει τις ταλαντώσεις που θα προκαλούσαν παρεμβολές στο επιθυμητό σήμα. Όμως, υπάρχει ένα μειονέκτημα: Ο πυκνωτής αντιστάθμισης θα πρέπει να φορτίζεται και να αποφορτίζετε. Αυτό δημιουργεί όριο στην ταχύτητα με την οποία μεταβάλλεται η έξοδος ενός τελεστικού ενισχυτή. Η βασική ιδέα είναι η εξής: Ας υποθέσουμε ότι η τάση εισόδου ενός τελεστικού ενισχυτή αποτελεί θετικό βήμα τάσης, δηλαδή απότομη μετάβαση της τάσης από μια dc στάθμη σε μια άλλη dc στάθμη. Αν ο τελεστικός ενισχυτής ήταν τέλειος, θα παίρναμε την ιδανική απόκριση που φαίνεται στο Σχ. 7α. Αντίθετα, η έξοδος είναι η θετική εκθετική κυματομορφή που παρουσιάζεται. Αυτό συμβαίνει γιατί ο πυκνωτής αντιστάθμισης θα πρέπει να φορτιστεί πριν η τάση εξόδου μεταβληθεί σε μεγαλύτερη στάθμη. Στο Σχ. 7α, η αρχική κλίση της εκθετικής κυματομορφής ονομάζεται ρυθμός μεταβολής (slew rate), και συμβολίζεται με S R.Ο ορισμός του ρυθμού μεταβολής είναι: Σχ. 7 (α) Ιδανική και πραγματική απόκριση μιας βηματικής τάσης εισόδου, (β) ορισμός του ρυθμού μεταβολής, (γ) Ο ρυθμός μεταβολής ισούται με 0.5 V/μS. S R Δvout = (3) Δt όπου το Ελληνικό γράμμα Δ σημαίνει "μεταβολή". Με λόγια, η εξίσωση λέει ότι ο ρυθμός μεταβολής ισούται με τη μεταβολή της τάσης εξόδου προς τη χρονική μεταβολή. Το Σχ. 7β παρουσιάζει την έννοια του ρυθμού μεταβολής. Η αρχική κλίση ισούται με την κατακόρυφη μεταβολή προς την οριζόντια μεταβολή μεταξύ δύο σημείων του πρώτου μέρους του εκθετικού κύματος. Για παράδειγμα, αν το εκθετικό κύμα αυξηθεί κατά 0.5V κατά τη διάρκεια του πρώτου microsecond, όπως δείχνει το Σχ. 7γ, ο ρυθμός μεταβολής είναι: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 22

22 S R 0.5V = 1μs = 0.5V μs Ο ρυθμός μεταβολής παριστάνει την πιο γρήγορη απόκριση ενός τελεστικού ενισχυτή. Για παράδειγμα, ο ρυθμός μεταβολής ενός 741C είναι 0.5 V/μS. Αυτό σημαίνει ότι η έξοδος ενός 741C δεν μπορεί να μεταβληθεί γρηγορότερα από 0.5 V σε ένα microsecond. Με άλλα λόγια, αν ένας 741C οδηγείται από μεγάλο βήμα της τάσης εισόδου, δεν έχουμε απότομο βήμα της τάσης εξόδου. Αντίθετα, έχουμε εκθετικό κύμα εξόδου. Το πρώτο μέρος αυτής της κυματομορφής εξόδου θα μοιάζει με το Σχ. 7γ. Η παράμετρος "Slew Rate" δηλαδή, δείχνε; πόσο γρήγορα η έξοδος ενός Τ.Ε. μπορεί vα μεταβάλλεται, ανταποκρινόμενη στις μεταβολές της συχνότητας του σήματος; εισόδου. Η τιμή της SR μετριέται όταν ο τελεστικός ενισχυτής έχει κέρδος Α=1 και είναι σταθερή για. κάθε Τ.Ε. Έτσι αν η τάση εξόδου τείνει να μεταβληθεί με ρυθμούς ταχύτερους από αυτούς που εξασφαλίζει η SR θα έχουμε μια παραμόρφωση του σήματος εξόδου. Αν το σήμα εισόδου είναι ημιτονικό υψηλής συχνότητας, τότε η έξοδος θα είναι τριγωνική με μειωμένο πλάτος τάσης. Η μέτρηση της SR ενός Τ.Ε. μπορεί να πραγματοποιηθεί αν στην είσοδο του κυκλώματος στο οποίο χρησιμοποιείται ο Τ.Ε. εφαρμόσουμε τετραγωνικό σήμα και όχι ημιτονικό. Αυτό συμβαίνει διότι το τετραγωνικό σήμα περιέχει εύρος ζώνης συχνοτήτων ενώ κάθε ημιτονικό σήμα έχει ορισμένη συχνότητα. Η SR εξαρτάται από τον περιορισμό του ρεύματος και τον κορεσμό των εσωτερικών βαθμίδων του Τ.Ε, φαινόμενα τα οποία εκδηλώνονται όταν εφαρμόσουμε ένα σήμα εισόδου υψηλής συχνότητας και μεγάλου πλάτους. Το ρεύμα που προαναφέραμε είναι το μέγιστο διαθέσιμο ρεύμα για την φόρτιση των πυκνωτών των δικτύων αντιστάθμισης του Τ.Ε. Όπως γνωρίζουμε, οι πυκνωτές απαιτούν έναν ορισμένο χρόνο για να φορτιστούν ή για να εκφορτιστούν. Αυτό σημαίνει ότι οι εσωτερικοί πυκνωτές του Τ.Ε. δεν επιτρέπουν στην τάση εξόδου να ακολουθήσει με αμεσότητα τις μεταβολές μιας εισόδου που αλλάζει πολύ γρήγορα. Έτσι για να αυξηθεί η SR πρέπει να αυξηθεί το ρεύμα ή να ελαττωθεί η χωρητικότητα του πυκνωτή αντιστάθμισης του τελεστικού ενισχυτή. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 23

23 5.2 ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Εφαρμόζουμε στην είσοδο του διαφορικού ενισχυτή ένα τετραγωνικό σήμα με σκοπό να παρατηρήσομε την μεταβολή της τάσης εξόδου σε σχέση με την είσοδο. 1) Συνδεσμολογήστε το κύκλωμα του σχήματος χρησιμοποιώντας τον τελεστικό ενισχυτή UA741CN της STMicroelectronics. R 1 =10K R 2 =10Κ 2) Μετράμε και ρυθμίζουμε τις συνεχείς τάσεις + και του Breadboard ώστε να δίνουν +15V και -15V αντίστοιχα και τις συνδέουμε στα V CC και - V EE. Έπειτα ρυθμίζουμε τον παλμογράφο τη ζεύξη σε AC. 3) Εφαρμόσατε στην είσοδο V in τετραγωνική κυματομορφή, πλάτους 8V p-p και συχνότητας 10 KHz. 4) Παρατηρούμε στον παλμογράφο την είσοδο V in και την έξοδο V out. 5) Μετρήσατε την τάση εξόδου peak to peak : ΔV=. (V) 6) Μετρήσατε το χρόνο Δt που απαιτείται για να μεταπηδήσει η τάση εξόδου από την ελάχιστη τιμή στη μέγιστη τιμή : Δt=..(μsec) ΔV 7) Υπολογίσατε το Slew Rate = =...( V μs) Δt 8) Σχεδιάστε τις κυματομορφές V in και V out ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 24

24 6. ΓΙΝΟΜΕΝΟ ΚΕΡΔΟΥΣ * ΕΥΡΟΥΣ ΖΩΝΗΣ (GBP) 6.1 Εύρος Ζώνης GBP Το εύρος ζώνης ανοιχτού-βρόχου (open-loop bandwidth) ή η συχνότητα αποκοπής ενός τελεστικού ενισχυτή είναι πολύ χαμηλό λόγω του εσωτερικού πυκνωτή αντιστάθμισης. Για έναν 741C: f2 ( OL) = 10Hz Στη συχνότητα αυτή, το κέρδος τάσης ανοιχτού-βρόχου φτάνει στο όριο του και μειώνεται στην απόκριση πρώτης-τάξης. Όταν χρησιμοποιούμε αρνητική ανάδραση, το ολικό εύρος ζώνης αυξάνεται. Και ο λόγος είναι απλός: Όταν η συχνότητα εισόδου είναι μεγαλύτερη από f 2 ( OL) το A μειώνεται κατά 20 db ανά δεκάδα. Όταν η v out προσπαθεί να μειωθεί, λιγότερη αντίθετη τάση τροφοδοτείται και πάλι στην αναστρέφουσα είσοδο. Επομένως, η v 2 αυξάνεται και αντισταθμίζει την αύξηση του A OL. Λόγω αυτού, το A OL φτάνει στο όριο του σε υψηλότερη συχνότητα από την OL. Όσο μεγαλύτερη είναι η αρνητική ανάδραση, τόσο υψηλότερη είναι η συχνότητα αποκοπής κλειστού-βρόχου. Με άλλα λόγια: Όσο μικρότερο το ACL, τόσο υψηλότερη η f 2 ( CL) Το Σχ. 1 δείχνει πώς αυξάνεται το εύρος ζώνης κλειστού-βρόχου με την αρνητική ανάδραση. Όπως βλέπετε, όσο πιο έντονη η αρνητική ανάδραση (μικρότερο A CL ), τόσο μεγαλύτερο το εύρος ζώνης κλειστού-βρόχου. Ακολουθεί η εξίσωση του εύρους ζώνης κλειστού-βρόχου: f 2 ( OL) f 2 ( CL) = A f unity CL + 1 Σχήμα 1 Το χαμηλότερο κέρδος τάσης δημιουργεί μεγαλύτερο εύρος ζώνης. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 25

25 Στις περισσότερες εφαρμογές, το A CL είναι μεγαλύτερο του 10 και η εξίσωση αυτή απλοποιείται ως εξής: Για παράδειγμα όταν A CL = 10 : funity f 2 ( CL) = (1) A CL 1MHz f2 ( CL ) = = 100KHz 10 που συμφωνεί με το σχήμα 1. Αν το A = 100 : 1MHz f2 ( CL ) = = 10KHz 100 που επίσης συμφωνεί. Η εξίσωση 1 μπορεί να γραφεί ως εξής: CL f unity = A f (2) CL 2( CL) Σημειώστε ότι η συχνότητα μοναδιαίου κέρδους ισούται με το γινόμενο του κέρδους και του εύρους ζώνης, είναι ανεξάρτητη από τις εξωτερικές αντιστάσεις και σταθερή για κάθε τελεστικό ενισχυτή. Γι' αυτό, πολλά φυλλάδια δεδομένων αναφέρονται στη συχνότητα μοναδιαίου κέρδους σαν γινόμενο κέρδους-εύρους ζώνης (gain-bandwidth product, GBP). Οι κατασκευαστές δίνουν στα φύλλα τεχνικών προδιαγραφών το γινόμενο κέρδος εύρος ζώνης ή την καμπύλη του κέρδους τάσης συναρτήσει της συχνότητας από την οποία προσδιορίζεται το εύρος ζώνης για δεδομένη τιμή κέρδους τάσης. Έτσι για δεδομένη τιμή κέρδους τάσης υπάρχει μία συχνότητα f 0 τέτοια ώστε για μεγαλύτερες τιμές συχνότητας από αυτή, το κέρδος τάσης μειώνεται. Η συχνότητα αυτή f 0 ονομάζεται συχνότητα αποκοπής ή συχνότητα των 3db διότι σε αυτή την τιμή συχνότητας το κέρδος τάσης έχει μειωθεί κατά 3db και η τιμή του είναι ίση με το 0,707 της δεδομένης τιμής κέρδους. Η συχνότητα στην οποία το κέρδος τάσης Α CL είναι ίσο με τη μονάδα, λέγεται εύρος ζώνης με μοναδιαίο κέρδος και συμβολίζεται με UGB(Unity Gain Bandwidth). Γνωρίζοντας το GBP ενός τελεστικού ενισχυτή μπορούμε να προσδιορίσουμε την συχνότητα f 0 για την οποία είναι σταθερό το κέρδος τάσης A CL. Έτσι αν GBP=500KHz, τότε η μέγιστη συχνότητα για την οποία το κέρδος τάσης είναι ίσο με 100, είναι 5KHz. Επομένως όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του GBP τόσο μεγαλύτερο είναι το εύρος ζώνης για τη δεδομένη τιμή κέρδους τάσης. Αυτό σημαίνει ότι με την αύξηση του κέρδους τάσης, το εύρος ζώνης μειώνεται και το αντίστροφο. Για τον τελεστικό ενισχυτή 741C το GBP είναι 1MHz, ενώ για τους πιο πρόσφατους τύπους τελεστικών ενισχυτών LF351 και MC34001 είναι 4MHz. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 26

26 6.2 Τύποι: Γινόμενο Κέρδους χ Εύρος Ζώνης : GBP = (AV) (BW) R2 Κέρδος τάσης : AV = R1 Εύρος ζώνης συχνοτήτων Τ.Ε : BW GBP = (AV) (BW) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 27

27 6.3 ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ 1) Πραγματοποιούμε το παρακάτω κύκλωμα χρησιμοποιώντας έναν τελεστικό ενισχυτή LM741CN της National Semiconductor. Ρυθμίζουμε τις τάσεις τροφοδοσίας σε ±15V, τον παλμογράφο σε DC ζεύξη και ξεκινάμε το πείραμα. R 1 =10K R 2 =330K 3) Εφαρμόζουμε στην είσοδο v i ημιτονικό σήμα τέτοιου πλάτους έτσι ώστε στην έξοδο να έχουμε v out =2V P-P και πολύ χαμηλής συχνότητας της τάξεως των Hz (εδώ περίπου 400Hz 500Ηz). 4) Μεταβάλλετε σιγά σιγά την συχνότητα του σήματος εισόδου μέχρις ότου στην έξοδο να έχετε τάση peak to peak 1,41V (0,707 Χ 2). Μετρήσετε τη συχνότητα για την οποία v out =1,41V. BW =..KHZ R2 AV = = R1 5) Υπολογίστε το GBP. GBP = (AV) * (BW) = KHZ 6) Αλλάξτε την αντίσταση R 1 σε 4,7ΚΩ ή 5,6ΚΩ 7) Μεταβάλλετε σιγά σιγά την συχνότητα του σήματος εισόδου μέχρις ότου στην έξοδο να έχετε τάση peak to peak 2,83V (0,707 Χ 4). 8) Υπολογίστε το καινούργιο ΑV =.. 9) Μετρήσετε τη συχνότητα για την οποία v out =2,83V. BW = KHZ 10) Υπολογίστε και πάλι το GBP. GBP = (AV) * (BW) = KHZ Τα δύο GBP πρέπει να είναι ίδια (απόκλιση περίπου 5%) και βέβαια το GBP να είναι σταθερό. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 28

28 7. ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΑΘΡΟΙΣΤΗΣ / ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ BCD ΣΕ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ 7.1 Ενισχυτής άθροισης Κάθε φορά που χρειάζεται να συνδυάσουμε δύο ή περισσότερα αναλογικά σήματα σε μια έξοδο, ο αθροιστικός ενισχυτής (summing amplifier} του Σχ. 2α αποτελεί φυσική επιλογή μας. Για λόγους απλοποίησης, το κύκλωμα δείχνει μόνο δύο εισόδους, όμως έχουμε τόσες εισόδους, όσες χρειαζόμαστε για την εφαρμογή. Ένα τέτοιο κύκλωμα ενισχύει κάθε σήμα εισόδου. Το κέρδος κάθε καναλιού ή εισόδου δίνεται από τον λόγο της αντίστασης ανάδρασης προς την κατάλληλη αντίσταση εισόδου. Για παράδειγμα, τα κέρδη τάσης κλειστού βρόχου του Σχ. 2α είναι: A CL1 RF = και R 1 A CL2 R = R F 2 Το αθροιστικό κύκλωμα συνδυάζει όλα τα ενισχυμένα σήματα εισόδου σε μια μόνο έξοδο, και δίνεται από την: v out = ( A v + A ) 2 (3) CL1 1 CL2 v Εύκολα μπορούμε να αποδείξουμε την Εξίσωση 3. Αφού η αναστρέφουσα είσοδος αποτελεί φαινομενική γείωση, το ολικό ρεύμα εισόδου είναι: v 1 i in = i1 + i2 = + R1 v R 2 2 Λόγω της φαινομενικής γείωσης, όλο αυτό το ρεύμα ρέει μέσω της αντίστασης ανάδρασης, δημιουργώντας τάση εξόδου με τιμή: v out = F F ( i + i ) R ] = ( v + ) [ 1 2 F 1 v2 R1 R2 R R Σχήμα 2 Αθροιστικός Ενισχυτής ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 29

29 Εδώ βλέπουμε ότι κάθε τάση εισόδου πολλαπλασιάζεται επί το κέρδος του καναλιού του και προστίθεται για να δημιουργήσουμε την ολική έξοδο. Το ίδιο αποτέλεσμα έχουμε και εφαρμόζεται σε κάθε πλήθος εισόδων. Σε ορισμένες εφαρμογές, όλες οι αντιστάσεις είναι ίσες, όπως δείχνει το Σχ. 2β. Στην περίπτωση αυτή, κάθε κανάλι έχει κέρδος τάσης κλειστού-βρόχου ίσο με τη μονάδα (1) και η έξοδος δίνεται από την εξίσωση: v = K + out ( v1 + v2 + vn Αυτό είναι ένας βολικός τρόπος συνδυασμού των σημάτων εισόδου και διατήρησης των σχετικών μεγεθών τους. Στη συνέχεια, το συνδυασμένο σήμα εξόδου μπορεί να υποστεί επεξεργασία με περισσότερα κυκλώματα. 7.2 Μετατροπέας BCD σε αναλογικό Στα ψηφιακά ηλεκτρονικά, ένας μετατροπέας από ψηφιακό σε αναλογικό (digitalto-analog converter, D/A) είναι ένα κύκλωμα άθροισης που δίνει έξοδο ίση με το άθροισμα των εισόδων. Για παράδειγμα, το παρακάτω σχήμα δείχνει έναν μετατροπέα D/A. ) Μετατροπέας D/A που μεταβάλλει την ψηφιακή είσοδο σε αναλογική τάση. Οι τάσεις εισόδου είναι ψηφιακές ή διπλής κατάστασης, που σημαίνει ότι έχουν τιμή 1 ή 0 δηλαδή 5V ή 0V. Με τέσσερις εισόδους, έχουμε 16 πιθανούς συνδυασμούς εισόδου ν 3 ν 2 ν 1 ν 0 : 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110 και Όταν όλες οι είσοδοι είναι 0 (0000), η έξοδος είναι: V out =0V R V out = - ( V1* F + R 1 R R R V 2 * F + V 4 F + V8 F ) R 2 R R 3 4 Αν τώρα επιλέξουμε τις αντιστάσεις έτσι ώστε οι όροι : R V1* F R R R = 1V, V 2 * F =2V, V 4 F =4V, V8 F =8V R 1 R 2 R 3 R 4 (όπου V1,V2,V4,V8 = 5V) τότε με κατάλληλο συνδυασμό μπορούμε να επιτύχομε έξοδο από 0V έως 15V, ανάλογα με τους όρους που συμμετάσχουν στο κύκλωμα. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 30

30 7.3 ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Οδηγούμε την είσοδο του μετατροπέα BCD σε αναλογικό με όλους τους δυνατούς συνδυασμούς 0V και 5V και παρατηρούμε την έξοδο. 1) Πραγματοποιούμε το κύκλωμα του σχήματος χρησιμοποιώντας έναν τελεστικό ενισχυτή LM741CN της National Semiconductor. Ρυθμίζουμε τις τάσεις τροφοδοσίας σε ±15V και συνδέουμε την έξοδο του κυκλώματος στο ψηφιακό βολτόμετρο του δοκιμαστηρίου μας. Ελέγχουμε επίσης τις τάσεις των SW0 ως SW3 του δοκιμαστηρίου μας ώστε σε κατάσταση 1 να δίνουν τάση 5V. Τέλος συνδέουμε τις εισόδους V1, V2, V4 και V8 στους διακόπτες SW0, SW1, SW2 και SW3 αντίστοιχα. Η έξοδος θα είναι ανάλογη της τιμής του δυαδικού αριθμού της εισόδου. 2) Η έξοδος είναι ανάλογη της τιμής του δυαδικού αριθμού της εισόδου. Συμπληρώνουμε τον παρακάτω πίνακα. Πίνακας Δεκαδικός Αρ. V8 V4 V2 V1 Vout (V) Vout Θεωρ.(V) ) Παρατηρήστε την πολικότητα της τάσης εξόδου. 4) Για θετική πολικότητα εξόδου τι επιπλέον κύκλωμα θα χρησιμοποιήσετε; 5) Παρατηρήστε την ευαισθησία της μετατροπής (δηλ. πόσα V / μονάδα). ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 31

31 8. ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΔΙΑΦΟΡΙΣΤΗΣ 8.1 Γενικά Ο διαφοριστής (differentiator) είναι ένα κύκλωμα που εκτελεί διαφόριση. Παράγει μία τάση εξόδου ανάλογη με το στιγμιαίο ρυθμό μεταβολής της τάσης εισόδου. Συνηθισμένες εφαρμογές ενός διαφοριστή είναι η ανίχνευση των προπορευόμενων και ακολουθούντων άκρων ενός τετραγωνικού παλμού ή η παραγωγή μιας ορθογώνιας εξόδου από μία είσοδο ράμπας (ramp). 8.2 Διαφοριστής RC Ένα RC κύκλωμα σύζευξης όπως του Σχ. 1α μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διαφόριση του σήματος εισόδου. Η τυπική είσοδος είναι ένας ορθογώνιος παλμός, όπως φαίνεται στο Σχ. 1β. Η έξοδος του κυκλώματος είναι μια σειρά θετικών και αρνητικών ακίδων. Η θετική ακίδα συμβαίνει ταυτόχρονα με την προπορευόμενη άκρη της εισόδου, ενώ η αρνητική ακίδα με την ακολουθούσα άκρη. Οι ακίδες αυτές είναι χρήσιμα σήματα επειδή δείχνουν πότε το τετραγωνικό σήμα αρχίζει και πότε τελειώνει. Για να κατανοήσουμε τη λειτουργία του διαφοριστή RC, κοιτάξτε το Σχ. 1γ. Όταν η τάση εισόδου μεταβληθεί από 0 σε +V, ο πυκνωτής αρχίζει να φορτίζεται εκθετικά, όπως φαίνεται. Μετά πέντε σταθερές χρόνου, η τάση του πυκνωτή είναι μέχρι 1% της τελικής τάσης. Σύμφωνα με το νόμο του Kirchhoff, η τάση στα άκρα της αντίστασης στο Σχ. 1α είναι: v R = v in - v C Σχήμα 1 (α) Διαφοριστής RC, (β) Ορθογώνια είσοδος που δημιουργεί έξοδο με ακίδες, (γ) Κυματομορφές φόρτισης και (δ) Παράδειγμα. Αφού η v C είναι αρχικά μηδέν, η τάση εξόδου ξαφνικά "πετάγεται" από 0 σε V και κατόπιν φθίνει εκθετικά, όπως φαίνεται στο Σχ. 1γ. Παρομοίως, μια ακολουθούσα άκρη ενός τετραγωνικού παλμού παράγει μια αρνητική ακίδα. Κάθε ακίδα στο Σχ. 1β έχει τιμή κορυφής κατά προσέγγιση ίση με V (το μέγεθος του βήματος τάσης). Αν θέλουμε ένας διαφοριστής RC να παράγει στενές ακίδες, η σταθερά χρόνου πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 φορές μικρότερη από το εύρος του παλμού T: RC < 10T ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 32

32 Αν το εύρος του παλμού είναι 1 ms, η σταθερά χρόνου RC πρέπει να είναι μικρότερη από 0.1 ms. To Σχήμα 1δ δείχνει έναν RC διαφοριστή με σταθερά χρόνου ίση με 0.1 ms. Αν το κύκλωμα αυτό οδηγηθεί με οποιονδήποτε τετραγωνικό παλμό του οποίου η Τ είναι μεγαλύτερη από 1 ms, η έξοδος είναι μια σειρά οξέων θετικών και αρνητικών ακίδων τάσης. 8.3 Διαφοριστής με Τελεστικό Ενισχυτή Το Σχήμα 2α δείχνει έναν διαφοριστή με τελεστικό ενισχυτή. Σημειώστε την ομοιότητα με τον ολοκληρωτή με τελεστικό ενισχυτή. Η διαφορά είναι ότι η αντίσταση και ο πυκνωτής έχουν αλλάξει αμοιβαία θέσεις. Λόγω της φαινομενικής γείωσης, το ρεύμα του πυκνωτή διέρχεται μέσω της αντίστασης ανάδρασης, παράγοντας μια τάση. Το ρεύμα πυκνωτή δίνεται από την παρακάτω θεμελιώδη σχέση: i = C Η ποσότητα dv/dt ισούται με την κλίση της τάσης εισόδου. Μια κοινή εφαρμογή του διαφοριστή με τελεστικό ενισχυτή είναι η παραγωγή στενών ακίδων, όπως φαίνεται στο Σχ. 2β. Το πλεονέκτημα ενός διαφοριστή με τελεστικό ενισχυτή ως προς έναν απλό διαφοριστή RC είναι ότι οι ακίδες προέρχονται από μια πηγή μικρής σύνθετης αντίσταση, κάτι που κάνει ευκολότερη την οδήγηση τυπικών αντιστάσεων φορτίου. dv dt Σχήμα 2 (α) Διαφοριστής τελεστικού ενισχυτή, (β) Ορθογώνια είσοδος που δημιουργεί έξοδο με ακίδες. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 33

33 8.4 Πρακτικός διαφοριστής με τελεστικό ενισχυτή Ο διαφοριστής με τελεστικό ενισχυτή του Σχ. 2α έχει μια τάση για ταλαντώσεις. Για να αποφευχθεί αυτό, ένας πρακτικός διαφοριστής με τελεστικό ενισχυτή περιλαμβάνει συνήθως κάποια αντίσταση σε σειρά με τον πυκνωτή, όπως φαίνεται στο Σχ. 3. Μια τυπική τιμή γι' αυτή την προστιθέμενη αντίσταση είναι μεταξύ 0.01R ως 0.1R. Με αυτή την αντίσταση, το κέρδος τάσης κλειστού-βρόχου είναι μεταξύ 10 και 100. Το αποτέλεσμα είναι ο περιορισμός του κέρδους τάσης κλειστού-βρόχου στις υψηλότερες συχνότητες, όπου εμφανίζεται το πρόβλημα της ταλάντωσης. Σχήμα 3 Προστίθεται αντίσταση στην είσοδο για την παρεμπόδιση ταλαντώσεων. 8.5 Τύποι : V0 = R f C ΔVi Δt 1) Το ΔVi Δt παριστάνει την αλλαγή της τάσης εισόδου στο δεδομένο χρόνο Δηλαδή : dvi V0 = R f C dt 1 2) Η χωρητική αντίσταση του πυκνωτή Xc 2 π f C τη συχνότητα με αποτέλεσμα η τάση εξόδου του διαφοριστή να αυξάνει με τη συχνότητα. 3) Η R s μειώνει την αύξηση του κέρδους σε λόγο R f /R s 4) Για συχνότητα εισόδου μικρότερη της 1 f c = 2 π Rs C το κύκλωμα συμπεριφέρεται σαν Διαφοριστής 5) Για συχνότητα εισόδου μεγαλύτερη της f c = 1 2 π Rs C το κύκλωμα Vo Rf συμπεριφέρεται σαν αναστρέφων ενισχυτής με κέρδος = - Vi Rs ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 34

34 8.6 ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ dvi Τάση εξόδου V 0 = Rf.C dt 1 Απόκριση χαμηλής συχνότητας fc = 2 π Rs C Εάν f<fc το κύκλωμα είναι διαφοριστής Rf Εάν f>fc το κύκλωμα είναι αναστρέφων ενισχυτής με κέρδος - Rs 3) Πραγματοποιούμε το κύκλωμα του σχήματος χρησιμοποιώντας έναν τελεστικό ενισχυτή LM741CN της National Semiconductor. Ρυθμίζουμε τις τάσεις τροφοδοσίας σε ±15V 4) Θέσατε τριγωνική κυματομορφή στην είσοδο 7V p-p, 400Hz. 5) Παρατηρήστε και σχεδιάσατε την εξόδου σε χρονική αντιστοιχία με την είσοδο. 6) Βρίσκουμε πειραματικά τη συχνότητα f c όπου το κύκλωμα αλλάζει κατάσταση. Αυτό επιτυγχάνεται αυξάνοντας σιγά - σιγά τη συχνότητα εισόδου από τα 400 Hz, μέχρι να παρατηρήσομε στον παλμογράφο την έξοδο να μετατρέπεται από τετραγωνική σε τριγωνική κυματομορφή. 5) Συγκρίνατε την πειραματική και θεωρητική f c 6) Για συχνότητα << της f c μετρήσατε και σχεδιάσατε την είσοδο και έξοδο σε χρονική αντιστοιχία 7) Για συχνότητα >> της f c μετρήσατε και σχεδιάσατε την είσοδο και έξοδο σε χρονική αντιστοιχία ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 35

35 9. ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΤΗΣ 9.1 Γενικά Ολοκληρωτής είναι ένα κύκλωμα που εκτελεί μια μαθηματική πράξη η οποία ονομάζεται ολοκλήρωση. Η δημοφιλέστερη εφαρμογή ενός ολοκληρωτή είναι η παραγωγή ράμπας (κλίσης) στην έξοδο, η οποία είναι μία γραμμικά αύξουσα ή φθίνουσα τάση. Ο ολοκληρωτής μερικές φορές ονομάζεται ολοκληρωτής Miller, από το όνομα του εφευρέτη του. 9.2 Βασικό κύκλωμα Το Σχήμα 4α είναι ένας ολοκληρωτής με τελεστικό ενισχυτή. Όπως βλέπετε, το στοιχείο ανάδρασης είναι ένας πυκνωτής αντί για μια αντίσταση. Η συνηθισμένη είσοδος είναι ένας ορθογώνιος παλμός όπως αυτός του Σχ. 4β. Το πλάτος του παλμού αυτού είναι ίσο με Τ. Όταν ο παλμός είναι χαμηλός (low), v in = 0. Όταν ο παλμός είναι υψηλός (high), v in = V in Έστω ότι ο παλμός αυτός εφαρμόζεται στο αριστερό άκρο της R. Λόγω της φαινομενικής γείωσης, μια υψηλή (high) τάση εισόδου δημιουργεί ρεύμα εισόδου: I in = Όλο αυτό το ρεύμα εισόδου πηγαίνει στον πυκνωτή. Το αποτέλεσμα είναι ο πυκνωτής να φορτιστεί και η τάση να αυξηθεί με την πολικότητα, όπως φαίνεται στο Σχ. 4α. Λόγω της φαινομενικής γείωσης, η τάση εξόδου ισούται με την τάση στα άκρα του πυκνωτή. Για μια θετική τάση εισόδου, η τάση εξόδου θα είναι αρνητική και αύξουσα, όπως φαίνεται στο Σχ. 4γ. Αφού στον πυκνωτή ρέει σταθερό ρεύμα, το φορτίο Q αυξάνεται γραμμικά ως προς το χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι η τάση του πυκνωτή αυξάνεται γραμμικά, κάτι που ισοδυναμεί με αρνητική κλίση της τάσης εξόδου, όπως φαίνεται στο Σχ. 4γ. Στο τέλος της περιόδου του παλμού στο Σχ. 4δ, η τάση εισόδου επιστρέφει στο μηδέν και σταματά το ρεύμα φόρτισης. Επειδή ο πυκνωτής διατηρεί το φορτίο του, η τάση εξόδου παραμένει σταθερή και ίση με V. Η τάση αυτή δίνεται από την: Vin R V T = V in (1) R C Ένα τελευταίο σημείο: Λόγω του φαινομένου Miller, μπορούμε να χωρίσουμε τον πυκνωτή ανάδρασης σε δύο ισοδύναμες χωρητικότητες, όπως φαίνεται στο Σχ. 4δ. Η σταθερά χρόνου κλειστού-βρόχου τ για το κύκλωμα παράκαμψης εισόδου είναι: ( +1) τ = R C A (2) ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Σελ: 36