Κεφάλαιο 2 ο. Γ. Τσιατούχας. VLSI Technology and Computer Architecture Lab. Τελεστικοί Ενισχυτές 2

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τελεστικοί Ενισχτές Κεφάλαιο ο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Γ. Τσιατούχας VLS Technology and Computer rchtecture Lab ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Διάρθρωση. Ιδανικός τελεστικός ενισχτής. Η αναστρέφοσα σνδεσμολογία. Επίδραση πεπερασμένο κέρδος. Αντιστάσεις εισόδο/εξόδο 5. Αθροιστής ήςμ 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 Κοινός ακροδέκτης τροφοδοσίας Ισοδύναμο κύκλωμα ΙΤΕ Ο ΙΤΕ δεν τραβάει ρεύμα από τις εισόδος το ( = =0). Η σύνθετη αντίσταση εισόδο είναι άπειρη. Ο ακροδέκτης εξόδο δρα σαν ιδανική πηγή τάσης. Δηλ. o =σταθ. ανεξαρτήτως τιμής ρεύματος o. Η σύνθετη αντίσταση εξόδο είναι μηδέν ( o =0). 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 ΤΕ είναι σχεδόν άπειρο ότι για πεπερασμένη τιμή της Ο η διαφοράτάσης μεταξύτωνακροδεκτών και πρέπει να είναι σχεδόν 0. 0 Καθώς =0 0 Τεχνητό Βραχκύκλωμα (Vrtual Short) Τελεστικοί Ενισχτές 8

5 Η Αναστρέφοσα Σνδεσμολογία (ΙV) 0 TE 0V =0 Έτσι: (N. hm) και από KCL: Σνεπώς: 0 προσφορά το μεγάλο κέρδος Α για αύξηση της ακρίβειας στο τελικό κέρδος G 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 Καθώς η έξοδος της σνδεσμολογίας δίδεται από τος ακροδέκτες μιας ιδανικής πηγής τάσης ( ), σνεπάγεται ότι η αντίσταση εξόδο το ενισχτή κλειστού βρόχο είναι 0. Ισοδύναμο Κύκλωμα ΙΤΕ σε Αναστρέφοσα Σνδεσμολογία 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 Από KVL, η τάση στον κόμβο x θα είναι: 0 ΙΤΕ x Άρα: 0 0 x Από KCL στον κόμβο x: 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. end 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 f... Βάρη n n Τελεστικοί Ενισχτές 7 Η μη Αναστρέφοσα Σνδεσμολογία (Ι) Διαφορά Δναμικού 0V ΙΤΕ TE Στην μη αναστρέφοσα σνδεσμολογία το σήμα εισόδο Ι εφαρμόζεται στον θετικό ακροδέκτη εισόδο το τελεστικού. Οακροδέκτης γειώνεται μέσω της αντίστασης. ο Ο βρόχος προκαλεί και πάλι αρνητική ανάδραση. Το κέρδος κλειστού βρόχο G ορίζεται ως : G Τελεστικοί Ενισχτές 8 9

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

11 Ακόλοθος Τάσης Απομονωτής Source Follower = 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 ή ακόλοθος πηγής). Για την περίπτωση το ΙΤΕ έχομε: =, = και o =0. Τελεστικοί Ενισχτές Α 0 ΙΤΕ TE 0 ο Στο βρόχο ανάδρασης από KVL ισχύει: Παράδειγμα (Ι) Ενισχτής Διαφορών 0 () Ιδανικός Τελεστικός και σνεπώς ισχύει: 0 0 Στο βρόχο της εισόδο από KVL ισχύει: () () 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) Μηδενίζοντας τη ισχύει: () ΟΙδανικόςΤελεστικόςΕνισχτήςείναιένα γραμμικό κύκλωμα και μπορεί να εφαρμοστεί στο κύκλωμα το ενισχτή η αρχή της πέρθεσης: Μηδενίζοντας τη ισχύει: () ΙΤΕ TE (β) Τελεστικοί Ενισχτές

13 Β Παράδειγμα (ΙV) Ενισχτής Διαφορών ΙΤΕ TE ο Σύμφωνα με την αρχή της πέρθεσης ισχύει: / 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 end Τελεστικοί Ενισχτές 7 Παράδειγμα (Ι) n TE ο = 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: Εφαρμόζοντας KVL στο βρόχο αρνητικής ανάδρασης, θα ισχύει: Τελεστικοί Ενισχτές 8

15 Παράδειγμα (Ι) TE Με βάση την προηγούμενη σχέση για τη, τορεύμαμέσααπότην θα δίνεται ως ακολούθως (νόμος hm): ( /) Προφανώς ισχύει ότι (KCL): n 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! end 0 Ιδανική πηγή ρεύματος. 5