ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ

Transcript

1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ Εισαγωγή Ιστορικά στοιχεία Οι πρώτοι τελεστικοί ενισχυτές χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για την εκτέλεση μαθηματικών πράξεων, δηλαδή πρόσθεση, αφαίρεση, ολοκλήρωση και διαφόριση. Οι πρώτες υλοποιήσεις τελεστικών ενισχυτών είχαν κατασκευαστεί με σωλήνες κενού και λειτουργούσαν με υψηλές τάσεις. Οι τελεστικοί ενισχυτές συνέχισαν να εξελίσσονται στην εποχή των τρανζίστορ με μείωση στο μέγεθος και αύξηση στην απόδοση. Στα μέσα της δεκαετίας του 1960, κατασκευάστηκε ο πρώτος τελεστικός ενισχυτής στη μορφή μονολιθικού ολοκληρωμένου κυκλώματος. Από τότε, η απόδοση των τελεστικών συνεχίζει να βελτιώνεται και ταυτόχρονα η τιμή μειώνεται σημαντικά ως αποτέλεσμα των διαδικασιών μαζικής παραγωγής που έχουν χρησιμοποιηθεί. Η βελτίωση της απόδοσης των τελεστικών ενισχυτών αφορά στη δυνατότητα χρήσης υψηλότερων τάσεων λειτουργίας, στις χαμηλότερες απαιτήσεις ρεύματος, στη μεγαλύτερη ανοχή σε ηλεκτρικό θόρυβο, σε υψηλότερη αντίσταση εισόδου, σε μεγαλύτερο εύρος ζώνης κ.λπ. (α) (β) Σχήμα 1.1. (α) Τελεστικός ενισχυτής με σωλήνες κενού (1953). (β) Τελεστικός ενισχυτής με διακριτά στοιχεία (1961). Σύμβολο και ακροδέκτες Ένας τελεστικός ενισχυτής (ΤΕ) είναι ένα κύκλωμα δύο εισόδων και μίας εξόδου, το οποίο ενισχύει τη διαφορά τάσης μεταξύ των δύο ακροδεκτών εισόδου. Οι δύο ακροδέκτες εισόδου ονομάζονται αναστρέφουσα και μη αναστρέφουσα είσοδος, αντίστοιχα (Σχήμα 1.(α)). Συνήθως για τη λειτουργία ενός ΤΕ απαιτούνται δύο dc τάσεις λειτουργίας, μία αρνητική και μία θετική τάση, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.(β). Οι δύο ακροδέκτες τροφοδοσίας δεν εμφανίζονται στο κυκλωματικό σύμβολο ενός ΤΕ, αλλά θεωρείται ότι υπάρχουν. Μερικές τυπικές συσκευασίες ΤΕ απεικονίζονται στο Σχήμα 1.(γ). 1

2 Αναστρέφουσα είσοδος Έξοδος Μη Αναστρέφουσα είσοδος (α) Αρνητική τροφοδοσία Αναστρέφουσα είσοδος Έξοδος Μη Αναστρέφουσα είσοδος Θετική τροφοδοσία (β) (γ) Σχήμα 1.. (α) Κυκλωματικό σύμβολο τελεστικού ενισχυτή. (β) Κυκλωματικό σύμβολο τελεστικού ενισχυτή με dc τροφοδοσίες. (γ) Τυπικές συσκευασίες. Εσωτερική δομή Ένας ΤΕ αποτελείται από διάφορες ενισχυτικές βαθμίδες συνδεδεμένες σε σειρά, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.3. Συγκεκριμένα, υπάρχει η βαθμίδα εισόδου η οποία αποτελείται από ένα διαφορικό ενισχυτή, στη συνέχεια ακολουθούν διαδοχικές βαθμίδες ενισχυτών τάσης και τέλος υπάρχει η βαθμίδα εξόδου η οποία είναι ένας ενισχυτής push pull.

3 Σχήμα 1.3. Διαφορικός ενισχυτής Ένας διαφορικός ενισχυτής έχει δύο εισόδους και δύο εξόδους (Σχήμα 1.4(α)). Πολλές φορές, χρησιμοποιείται διαφορικός ενισχυτής μιας εξόδου (Σχήμα 1.4(β)). V CC R C R C Έξοδος 1 Έξοδος Q Q 1 Είσοδος 1 Είσοδος R E V EE (α) V CC R C R C Είσοδος 1 Q Q 1 Έξοδος Είσοδος R E V EE 3

4 Σχήμα 1.4. (α) Διαφορικός ενισχυτής δύο εξόδων. (β) Διαφορικός ενισχυτή μίας εξόδου. (β) Ο ρόλος ενός διαφορικού ενισχυτή είναι να ενισχύει τη διαφορά τάσεων που αναπτύσσονται μεταξύ των δύο εισόδων του. Αποτελείται από δύο πανομοιότυπα τρανζίστορ, τα οποία κατασκευάζονται σε κοινό υπόστρωμα. Για το διαφορικό ενισχυτή που φαίνεται στο Σχήμα 1.4(β), το ρεύμα που διαρρέει τη R E ισούται με το άθροισμα των ρευμάτων των εκπομπών των δύο τρανζίστορ, δηλαδή: I + I = I (0.1) E1 E RE Μεταβάλλοντας την τάση στη βάση ενός τρανζίστορ, μεταβάλλεται το ρεύμα στον εκπομπό, αλλά το άθροισμα των δύο ρευμάτων παραμένει σταθερό, σύμφωνα με την παραπάνω σχέση. Έστω ότι η τάση στη βάση του Q 1 αυξάνεται, ενώ η τάση στη βάση του Q παραμένει σταθερή, τότε θα αυξηθεί το ρεύμα εκπομπού του I E1, ενώ μειώνεται το ρεύμα I E, ώστε τι άθροισμά του να είναι ίσο με I R E. Η μείωση του ρεύματος εκπομπού στο Q συνεπάγεται μικρότερη ρεύμα συλλέκτη και συνεπώς μικρότερη πτώση τάσης στην αντίσταση R C. Επομένως αυξάνεται η τάση εξόδου. Με τον ίδιο τρόπο, αν αυξηθεί η τάση στη βάση του Q ενώ η τάση στη βάση του Q 1 παραμένει σταθερή, θα μειωθεί η τάση εξόδου. Αν η τάση στη βάση του Q 1 και του Q μεταβληθούν το ίδιο, τότε η τάση εξόδου δεν μεταβάλλεται Εφαρμογές Τελεστικών Ενισχυτών Ενδεικτικά, οι ΤΕ μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ακολούθως: Ενισχυτές. Οι ΤΕ χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση σημάτων με συχνότητες που μπορεί να κυμαίνονται από dc μέχρι τις υψηλότερες ραδιοσυχνότητες (RF). Ταλαντωτές. Ένας ΤΕ μπορεί να συνδεθεί ώστε να λειτουργήσει ως ταλαντωτής. Η έξοδος του ταλαντωτή μπορεί να είναι ημιτονοειδής, τετραγωνική, τριγωνική, εκθετική, πριονωτή κ.λπ. Η συχνότητα της ταλάντωσης μπορεί να σταθεροποιηθεί με χρήση κρυστάλλου ή να ελεγχθεί από μία τάση ή ρεύμα από κάποιο άλλο κύκλωμα. Σταθεροποιητές. Οι ΤΕ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σταθεροποίηση τάση σε τροφοδοτικά. Η πραγματική τάση εξόδου συγκρίνεται με μία τάση αναφοράς και η διαφορά ενισχύεται από έναν ΤΕ και χρησιμοποιείται να διορθώσει την τάση εξόδου του τροφοδοτικού. Τελεστικοί ενισχυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να σταθεροποιήσουν και/ή να περιορίσουν το ρεύμα σε ένα τροφοδοτικό. Ανόρθωση. Έστω ότι θέλουμε να κατασκευάσουμε έναν ανορθωτή ημίσεου κύματος με τάση εισόδου κορυφής 150mV. Μία τέτοια τάση δεν αρκεί για να πολώσει ορθά μία τυπική δίοδο πυριτίου. Από την άλλη πλευρά, ένας ΤΕ μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να έχει τα χαρακτηριστικά μιας ιδανικής διόδου με μηδενική πτώση τάση ορθής πόλωσης. Επομένως, μπορεί να ανορθώσει πολύ μικρά σήματα. Αναλογοψηφιακή μετατροπή. Οι ΤΕ χρησιμοποιούνται για την μετατροπή αναλογικών σημάτων που αναπαριστούν φυσικές ποσότητες (π.χ. θερμοκρασία, πίεση κ.λπ.) σε ψηφιακά σήματα, τα οποία μπορούμε να επεξεργαστούμε σε έναν υπολογιστή. Αντίστροφα, ένα ΤΕ χρησιμοποιείται συχνά για 4

5 να μετατρέψει την ψηφιακή έξοδο ενός υπολογιστή σε μία ισοδύναμη αναλογική μορφή για χρήση σε βιομηχανικές συσκευές (π.χ. κινητήρες, φωτισμός κ.λπ.). Τα πεδία εφαρμογών των τελεστικών ενισχυτών περιλαμβάνουν ιατρικά ηλεκτρονικά, βιομηχανικά ηλεκτρονικά, οικιακές συσκευές κ.λπ. Ιδανικός Τελεστικός Ενισχυτής Στο εδάφιο αυτό εξετάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά ενός ιδανικού ΤΕ. Εστιάζοντας στην ιδανική συμπεριφορά, απλοποιείται η ανάλυση της λειτουργίας κυκλωμάτων ΤΕ και αποφεύγονται προβλήματα που σχετίζονται με μη ιδανικότητες. Όμως, σε πιο απαιτητικές εφαρμογές, πρέπει να συμπεριληφθούν και άλλα χαρακτηριστικά τα οποία μπορούν να θεωρηθούν ως αποκλίσεις από την ιδανική συμπεριφορά. Κέρδος διαφορικής τάσης Το κέρδος διαφορικής τάσης ή κέρδος διαφορικού σήματος ή διαφορικό κέρδος είναι το ποσό της ενίσχυσης που παρέχεται στην τάση που εμφανίζεται μεταξύ των ακροδεκτών εισόδου. Στην περίπτωση ενός ιδανικού ΤΕ, το διαφορικό κέρδος είναι άπειρο. Όπως είναι γνωστό, η έξοδος ενός ενισχυτή περιορίζεται από το μέγεθος της dc τάση τροφοδοσίας, δηλαδή η τάση εξόδου δεν μπορεί να ξεπεράσει τις dc τάσεις εισόδου. Συνεπώς, αφού ένας ιδανικό ΤΕ έχει άπειρο διαφορικό κέρδος, ακόμα και μία πολύ μικρή διαφορική τάση εφαρμοστεί στην είσοδο του ΤΕ, η τάση εξόδου θα ισούται με μία από τις δύο τάσεις τροφοδοσίας. Για να κατανοηθεί καλύτερα η σημασία του άπειρου διαφορικού κέρδους, ας θεωρήσουμε αρχικά έναν ενισχυτή με διαφορικό κέρδος 5 και τάσεις τροφοδοσίας ±15V. Στην περίπτωση αυτή, η τάση εξόδου για διάφορες τιμές διαφορικής τάσης εισόδου δίνεται στον πίνακα που ακολουθεί Διαφορική τάση εισόδου (V) Τάση εξόδου (V) -4,0-15 -, ,0-5 -0,5 -,5-0,1-0,5 0,0 0,0 0,1 0,5 0,5,5 1,0 5,0 10 4,0 15 Εάν γίνουν οι ίδιοι υπολογισμοί για έναν ιδανικό ΤΕ μπορεί εύκολα να διαπιστωθεί ότι για όλες τις περιπτώσεις, εκτός από την περίπτωση που η διαφορική τάση εισόδου είναι 0V, η τάση εξόδου θα είναι +15V ή -15V. 5

6 Κέρδος κοινής τάσης Το κέρδος κοινής τάσης ή κέρδος κοινού σήματος αναφέρεται στην ενίσχυση που υφίσταται ένα σήμα που εμφανίζεται και στους δύο ακροδέκτες (Σχήμα 1.5). Όπως έχει ήδη αναφερθεί, ένας διαφορικός ενισχυτής σχεδιάζεται για την ενίσχυση της διαφοράς μεταξύ των δύο τάσεων που εμφανίζεται στις εισόδους του. Συνεπώς, εάν και οι δύο είσοδοι είχαν για παράδειγμα +5V, ως προς τη γη, τότε η διαφορά θα ήταν μηδέν, με αποτέλεσμα και η έξοδος να είναι μηδενική. Αυτό αποτελεί ένα ακόμα χαρακτηριστικού ενός ιδανικού ΤΕ, δηλαδή το κέρδος κοινής τάσης είναι μηδέν. V o = 0V V in Σχήμα 1.5. Ιδανικά, όταν ένα κοινό σήμα εφαρμοστεί στους ακροδέκτες εισόδου ενός ΤΕ, η έξοδος είναι μηδενική. Εύρος Ζώνης Το εύρος ζώνης αναφέρεται στο εύρος των συχνοτήτων των σημάτων που μπορούν να ενισχυθούν από τον ΤΕ. Στην περίπτωση ενός ιδανικού ΤΕ, το εύρος ζώνης θεωρείται άπειρο, δηλαδή όλα τα σήματα ανεξάρτητα από τη συχνότητά τους ενισχύονται το ίδιο. Αντίσταση εισόδου Η αντίσταση εισόδου ενός ΤΕ μπορεί να αναπαρασταθεί από μία εσωτερική αντίσταση μεταξύ των δύο ακροδεκτών εισόδων (Σχήμα 1.6). Όσο πιο υψηλή είναι η τιμή της αντίστασης εισόδου τόσο χαμηλότερο είναι το ρεύμα που εισέρχεται στον ΤΕ από την πηγή σήματος και κατά συνέπεια δημιουργεί μικρότερο φορτίο στο κύκλωμα οδήγησης. Ένας ιδανικός ΤΕ θεωρείται ότι έχει άπειρη αντίσταση εισόδου. Αυτό σημαίνει ότι το κύκλωμα οδήγησης δεν παρέχει καθόλου ρεύμα στον ΤΕ. Εναλλακτικά, αυτό μπορεί να διατυπωθεί ότι δε ρέει καθόλου ρεύμα στους ακροδέκτες εισόδου του ΤΕ. V i Rd Vo Σχήμα 1.6. Μοντέλο αντίστασης εισόδου σε ΤΕ. 6

7 Αντίσταση εξόδου Στο Σχήμα 1.7 φαίνεται ένα ισοδύναμο κύκλωμα που παρουσιάζει την επίδραση της αντίστασης εξόδου. Το κύκλωμα εξόδου αποτελείται από πηγή τάσης και μία αντίσταση σε σειρά ( r o ). Το κύκλωμα αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως το ισοδύναμο Thevenin για την εσωτερική κυκλωματική δομή του ΤΕ. Η εσωτερική πηγή τάσης έχει τιμή Av, v i το οποίο σημαίνει ότι η τάση εξόδου ισούται με την τάση εισόδου πολλαπλασιασμένη με το κέρδος τάσης. Η τάση εξόδου διαιρείται ανάμεσα στο εξωτερικό φορτίο R L και την εσωτερική αντίσταση r o. Για να μη υπάρχουν απώλειες του σήματος εξόδου στην αντίσταση r o, αυτή πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Συνεπώς, σ έναν ιδανικό ΤΕ θεωρείται ότι η αντίσταση εξόδου είναι μηδενική. Υπό αυτή τη συνθήκη, η τάση εξόδου θα παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από το φορτίο που συνδέεται στην έξοδο του ΤΕ. Με άλλα λόγια, ο ΤΕ μπορεί να παράσχει το απαιτούμενο ρεύμα χωρίς να μεταβληθεί η τάση εξόδου. V i AV v i r O R L Σχήμα 1.7. Απλοποιημένο μοντέλο ΤΕ που παρουσιάζει την επίδραση της αντίστασης εξόδου. Ρυθμός Ανταπόκρισης Η έξοδος ενός ΤΕ μπορεί να ακολουθήσει χωρίς καθυστέρηση τις μεταβολές της τάσης εισόδου, όσο απότομες και αν είναι αυτές. Ένας πραγματικός ΤΕ έχει ένα πρακτικό όριο στο ρυθμό αλλαγής της τάσης εξόδου. Το όριο αυτό ονομάζεται ρυθμός ανταπόκρισης. Συνεπώς, ένας ιδανικός ΤΕ έχει άπειρο ρυθμό ανταπόκρισης. Θερμοκρασία Ένας ΤΕ κατασκευάζεται από ημιαγώγιμο υλικό και επομένως η συμπεριφορά του υπόκειται στα ίδια θερμοκρασιακά φαινόμενα που εμφανίζονται σε τρανζίστορ, διόδους και άλλους ημιαγωγούς. Ανάστροφα ρεύματα διαρροής, τάση ορθής πόλωσης και το κέρδος των τρανζίστορ μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία. Ένας ιδανικός ΤΕ δεν επηρεάζεται από θερμοκρασιακές μεταβολές. Θόρυβος Όταν υπάρχει ροή ρεύματος σε ένα ημιαγώγιμο στοιχείο, παράγεται ηλεκτρικός θόρυβος. Υπάρχουν αρκετοί μηχανισμοί που είναι υπεύθυνοι για τη δημιουργία του θορύβου, αλλά σε κάθε περίπτωση θεωρείται ανεπιθύμητος. Σε πολλές εφαρμογές, τα επίπεδα του παραγώμενου θορύβου είναι τόσο χαμηλά ώστε να μπορούν αμεληθούν. Σε άλλες περιπτώσεις όμως, πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα ώστε να ελαχιστοποιείται η επίδραση του θορύβου. Ένας ιδανικός ΤΕ δεν παράγει εσωτερικό θόρυβο. Συνεπώς, ένα σήμα χωρίς θόρυβο εφαρμοστεί στην είσοδο, τότε ένα σήμα χωρίς θόρυβο θα παραχθεί στην έξοδο. 7

8 Πραγματικοί Τελεστικοί Ενισχυτές Στο εδάφιο αυτό θα εξεταστούν τα χαρακτηριστικά που αναφέρθηκαν παραπάνω στην περίπτωση ενός πραγματικού ΤΕ. Κέρδος διαφορικής τάσης Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ένας ιδανικός ΤΕ έχει άπειρο κέρδος διαφορικής τάσης, δηλαδή οποιαδήποτε μη μηδενική διαφορά τάσης μεταξύ των δύο ακροδεκτών εισόδου θα οδηγήσει την έξοδο του ΤΕ σε μία οριακή τιμή. Στην περίπτωση ενός πραγματικού ΤΕ, το διαφορικό κέρδος είναι μεν πολύ μεγάλο, αλλά όχι άπειρο και επηρεάζεται από τους ακόλουθους παράγοντες: Το συγκεκριμένο ΤΕ που χρησιμοποιείται. Τη συχνότητα λειτουργίας. Τη θερμοκρασία. Την τιμή της τάσης τροφοδοσίας. Όταν η συχνότητα λειτουργίας είναι πολύ χαμηλή το διαφορικό κέρδος είναι συνήθως μεταξύ και Καθώς η συχνότητα λειτουργίας αυξάνεται, το διαφορικό κέρδος αρχίζει να πέφτει (Σχήμα 1.8). Στα φύλλα δεδομένων των κατασκευαστών ΤΕ, το διαφορικό κέρδος αναφέρεται ως Large Signal Voltage Gain. Σχήμα 1.8. Καμπύλη μεταβολής διαφορικού κέρδους του ΤΕ LF411 ως προς τη συχνότητα. Κέρδος Κοινής Τάσης Ιδανικά, ένας ΤΕ έχει μηδενική έξοδο όταν κοινό σήμα εφαρμοστεί στους ακροδέκτες εισόδου. Στην πράξη όμως, ένας ΤΕ μπορεί να παράγει μη μηδενική έξοδο σε κοινό σήμα εισόδου. Συνεπώς, ένας πραγματικός ΤΕ έχει μη μηδενικό κέρδος κοινού σήματος. Οι κατασκευαστές ΤΕ συνήθως δεν παρέχουν απευθείας τιμή για το κέρδος κοινού σήματος, αλλά το συγκρίνουν με το διαφορικό κέρδος μέσω του λόγου απόρριψης κοινού σήματος Common Mode Rejection Ratio (CMRR), ο οποίος ορίζεται από τον ακόλουθο τύπο: CMRR A D = (0.) A CM 8

9 όπου AD συμβολίζει το διαφορικό κέρδος και ACM 9 συμβολίζει το κέρδος κοινού σήματος. Ο λόγος απόρριψης κοινού σήματος είναι αδιάστατος αριθμός (δεν έχει μονάδα μέτρησης) και επιθυμείται να είναι όσο πιο υψηλός γίνεται. Συνήθως το CMRR εκφράζεται σε db: CMRR Από την προηγούμενη σχέση, προκύπτει ότι: db A = 0log = 0log CMRR (0.3) D ACM CMRRdB CMRR = 10 /0 (0.4) 100/0 Για παράδειγμα, ο ΤΕ LF411, έχει τυπική τιμή CMRR ίση με 100dB, δηλαδή 10 = Αν χρησιμοποιηθεί η τυπική τιμή για το διαφορικό κέρδος του ΤΕ LF411, η οποία είναι , προκύπτει ότι το κέρδος κοινού σήματος είναι / =. Το εάν αυτή η τιμή είναι αποδεκτή ή όχι εξαρτάται από την εκάστοτε εφαρμογή. Εύρος Ζώνης Όπως είναι γνωστό το εύρος ζώνης ενός κυκλώματος ορίζεται ως η περιοχή συχνοτήτων στην οποία το κέρδος δεν έχει πέσει πάνω από 3dB από τη μέγιστη τιμή του. Στην περίπτωση, ενός ιδανικού ΤΕ το εύρος ζώνης είναι άπειρο, καθώς το κέρδος δε μεταβάλλεται με τη συχνότητας. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, σ έναν πραγματικό ΤΕ το κέρδος μεταβάλλεται με τη συχνότητα, συνεπώς το εύρος ζώνης είναι πεπερασμένο. Αν εξεταστεί η συμπεριφορά ενός ΤΕ χωρίς εξωτερικό κύκλωμα, τότε η απόκριση συχνότητας είναι όπως ενός τυπικού βαθυπερατού φίλτρου. Δηλαδή, το μέγιστο κέρδος (ζώνη διέλευσης) παρατηρείται σε χαμηλές συχνότητες και μειώνεται σε υψηλότερες συχνότητες. Το κάτω άκρο της ζώνης διέλευσης ξεκινά σχεδόν πάντα από 0Hz. Το άνω άκρο της ζώνης διέλευσης μπορεί να είναι μόνο μερικά hertz. Αυτό αποτελεί ένα σοβαρό περιορισμό στη λειτουργία του ΤΕ, το οποίο μπορεί να αντιμετωπιστεί με χρήση εξωτερικών στοιχείων. Στα φύλλα δεδομένων των κατασκευαστών συνήθως δίνεται το γινόμενο κέρδους εύρους ζώνης gain bandwidth product, το οποίο ισούται με τη συχνότητα στην οποία το διαφορικό κέρδος γίνεται μονάδα. Η συχνότητα αυτή ονομάζεται επίσης συχνότητα μοναδιαίου κέρδους. Για παράδειγμα, για τον TE LF411, από το Σχήμα 1.8 προκύπτει ότι το διαφορικό κέρδος είναι περίπου 106dB (00.000) για συχνότητα 1Hz, αλλά το κέρδος πέφτει σημαντικά όταν η συχνότητα γίνει 1kHz. Στην πραγματικότητα, το άνω άκρο της ζώνης διέλευση είναι περίπου 0Hz (το κέρδος έχει μειωθεί κατά 3dB), το οποίο είναι και το εύρος ζώνης του ΤΕ. Όπως φαίνεται, το κέρδος πέφτει σταθερά μέχρι να γίνει μονάδα στα 4MHz περίπου. Αυτή είναι η συχνότητα μοναδιαίου κέρδους, η οποία προκύπτει επίσης αν πολλαπλασιαστεί το dc κέρδος (00.000) με το εύρος ζώνης (0Hz). Αντίσταση Εισόδου Η αντίσταση εισόδου ενός ΤΕ είναι η αντίσταση που βλέπει το κύκλωμα οδήγησης του ΤΕ. Όσο πιο χαμηλή είναι η αντίσταση εισόδου του ΤΕ, τόσο περισσότερο είναι το ρεύμα που πρέπει να παράσχει η πηγή σήματος. Στην περίπτωση ενός ιδανικού ΤΕ, η αντίσταση εισόδου είναι άπειρη και γι αυτό ο ΤΕ δεν τραβάει ρεύμα από την πηγή. Ένας πραγματικός ΤΕ έχει πολύ μεγάλη αλλά πεπερασμένη αντίσταση εισόδου. Αυτό σημαίνει ότι απαιτείται ένα πολύ μικρό ρεύμα στους ακροδέκτες εισόδου για να λειτουργήσει.

10 Για έναν τυπικό ΤΕ, η αντίσταση εισόδου είναι μεγαλύτερη από 1ΜΩ. Για πολύ υψηλές τιμές αντίστασης εισόδου χρησιμοποιούνται τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) στο διαφορικό ενισχυτή. Για παράδειγμα, ο ΤΕ LF411 έχει τυπική τιμή αντίστασης εισόδου 10 1 Ω.. Η τιμή της αντίστασης εισόδου δεν είναι σταθερή, αλλά μεταβάλλεται με τη συχνότητα και τη θερμοκρασία λειτουργίας. Αντίσταση Εξόδου Η αντίσταση εξόδου ενός ιδανικού ΤΕ είναι μηδενική. Αυτό σημαίνει ότι ανεξάρτητα από το ρεύμα που τραβάει ένα εξωτερικό φορτίο, η τάση εξόδου του ΤΕ παραμένει αμετάβλητη. Στην περίπτωση ενός πραγματικού ΤΕ, η αντίσταση εξόδου είναι μεν πολύ μικρή αλλά όχι μηδενική. Ρυθμός Ανταπόκρισης Παρόλο που σ έναν ιδανικό ΤΕ η έξοδος μπορεί να αλλάξει ακαριαία επίπεδα τιμών, ακολουθώντας την είσοδο, ένας πραγματικός ΤΕ περιορίζεται σ ένα ρυθμό μεταβολής που καθορίζεται από το ρυθμό ανταπόκρισης. Ο ρυθμός ανταπόκρισης καθορίζεται σε Volts/sec και συμβολίζει το μέγιστο ρυθμό αλλαγής στην έξοδο. Επομένως, για έναν πραγματικό ΤΕ ο ρυθμός ανταπόκρισης είναι πεπερασμένος. Έστω ότι εφαρμόζεται μία τετραγωνική κυματομορφή στην είσοδο ενός ΤΕ. Στην περίπτωση, ενός ιδανικού ΤΕ, η έξοδος θα είναι επίσης τετραγωνική κυματομορφή. Όμως για έναν πραγματικό ΤΕ, οι χρόνοι ανόδου και πτώσης καθορίζονται από το ρυθμό ανταπόκρισης. Σε ακραία περίπτωση, εάν ο ρυθμός ανταπόκρισης είναι τόσο χαμηλός που η έξοδος δεν μπορεί να ακολουθήσει τις αλλαγές της εισόδου, τότε από μία τετραγωνική κυματομορφή μπορεί να προκύψει στην έξοδο τριγωνική κυματομορφή. Ο ρυθμός ανταπόκρισης αναφέρεται ως Slew Rate στα φύλλα δεδομένων. Για τον τελεστικό ενισχυτή LF411, ο ρυθμός ανταπόκρισης έχει τυπική τιμή 15V/μs. Ο ρυθμός ανταπόκρισης (σε συνδυασμό με το πλάτος της τάσης εξόδου) καθορίζει τη μέγιστη συχνότητα λειτουργίας του ΤΕ. Συγκεκριμένα, η μεγαλύτερη συχνότητα, f SLR, που μπορεί να έχει μία ημιτονοειδής κυματομορφή ώστε να μην παραμορφωθεί η κυματομορφή εξόδου είναι: f SLR slewrate = (0.5) πv όπου v o, pp είναι η τιμή από κορυφή σε κορυφή της τάσης εξόδου. Για παράδειγμα, για τον ΤΕ LF411, ο οποίος έχει ρυθμό ανταπόκρισης 15V/μs, και για μεταβολή της τάσης εξόδου ±10V, η μέγιστη συχνότητα είναι f SLR o, pp o, pp slewrate 10V /μs = = = 159kHz πv 3,14 0V ( ) Θερμοκρασία Λόγω της κατασκευής του από ημιαγώγιμο υλικό, ένας πραγματικός ΤΕ παρουσιάζει χαρακτηριστικά τα οποία εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Συγκεκριμένα, σχεδόν κάθε παράμετρος του ΤΕ επηρεάζεται σε κάποιο βαθμό από μεταβολές της θερμοκρασίας. 10

11 Θόρυβος Υπό ιδανικές συνθήκες, ένα κύκλωμα ενίσχυσης δεν θα πρέπει να παράγει τάση εξόδου όταν δεν υπάρχει τάση στην είσοδο. Όταν όμως υπάρχουν διακυμάνσεις στην έξοδο που δεν οφείλονται στο σήμα εισόδου, οι διακυμάνσεις αυτές ονομάζονται θόρυβος. Υπάρχουν πολλές πηγές παραγωγής ηλεκτρικού θορύβου μέσα σ έναν ΤΕ. Μια λεπτομερής ανάλυση της συνεισφοράς κάθε πηγής στο συνολικό θόρυβο του κυκλώματος είναι ένα πολύπλοκο θέμα και δεν θα εξεταστεί. Θα εξεταστούν όμως τεχνικές με τις οποίες μπορούμε να ελαχιστοποιήσουμε προβλήματα που συνδέονται με ηλεκτρικό θόρυβο. Η επίδραση του θορύβου είναι σημαντική όταν χρησιμοποιούνται σήματα χαμηλού πλάτους, οπότε ο θόρυβος μπορεί να είναι συγκρίσιμος με το χρήσιμο σήμα και να οδηγήσει σε εσφαλμένη λειτουργία του ΤΕ. Απαιτήσεις Τροφοδοσίας Η λειτουργία ενός ΤΕ απαιτεί τη χρήση dc τάσεων τροφοδοσίας. Οι περισσότεροι ΤΕ σχεδιάζονται ώστε να λειτουργούν με αρνητική και θετική τροφοδοσία, συνήθως ±15V. Υπάρχουν όμως ΤΕ που απαιτούν μόνο θετική τροφοδοσία. Σε κάθε περίπτωση, η ύπαρξη dc τροφοδοσίας είναι απαραίτητη για τη σωστή πόλωση (bias) των τρανζίστορ που συγκροτούν τον ΤΕ. Το πλάτος της τάσης τροφοδοσίας καθορίζεται από την εκάστοτε εφαρμογή και τα τεχνικά χαρακτηριστικά που δίνει ο κατασκευαστής. Ένας τυπικός ΤΕ θα λειτουργήσει με τάσεις τροφοδοσίας από 6V μέχρι 18V. Υπάρχουν περιπτώσεις ΤΕ που μπορούν να λειτουργήσουν κανονικά με τάσεις τροφοδοσίας μικρότερες από 5V. Επίσης, ορισμένοι ΤΕ, οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλών τάσεων, σχεδιάζονται για να λειτουργήσουν με τάσεις σημαντικά υψηλότερες από 18V. Οι απαιτήσεις σε ρεύμα ενός ΤΕ είναι ένας άλλος παράγων που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την επιλογή ενός τροφοδοτικού. Ένας πραγματικός ΤΕ έχει χαμηλές απαιτήσεις σε ρεύμα, της τάξης 1-3mA. Μερικοί ΤΕ χαμηλοί ισχύος χρειάζονται μερικά μα για να λειτουργήσουν κανονικά. Στις περισσότερες εφαρμογές, το εξωτερικό κύκλωμα παίζει μεγαλύτερο ρόλο στις απαιτήσεις του ρεύματος τροφοδοσίας από τον ίδιο τον ΤΕ. Ένα άλλο χαρακτηριστικό που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη είναι το ποσό του ηλεκτρικού θορύβου που επάγεται στο κύκλωμα από το ίδιο το τροφοδοτικό. Ο θόρυβος αυτός έχει διάφορες πηγές, όπως: Διακύμανση της dc τάσης τροφοδοσίας λόγω ανεπαρκούς φιλτραρίσματος της ac τάσης εισόδου στο τροφοδοτικό Θόρυβος υψηλής συχνότητας που παράγεται μέσα στο ίδιο το τροφοδοτικό. Μεταβατικά (transient) φαινόμενα λόγω της λειτουργίας σταθεροποιητών μεταγωγής (switching regulator). Θόρυβος που επάγεται στη γραμμή dc τροφοδοσίας από άλλα κυκλώματα στο σύστημα. Εξωτερικά παραγώμενος θόρυβος που επάγεται στη dc γραμμή τροφοδοσίας. Ο θόρυβος που εμφανίζεται σε γραμμές dc τροφοδοσίας μπορεί να διέλθει από το εσωτερικό κύκλωμα του ΤΕ και να εμφανιστεί στην έξοδο. Το πόσο θα εξασθενήσει ένα σήμα θορύβου κατά τη διέλευσή του από το εσωτερικό κύκλωμα εξαρτάται από τη συχνότητα. Για συχνότητες θορύβου κάτω από 100Hz, η εξασθένιση είναι πολύ σημαντική και μπορεί να είναι μέχρι και Καθώς η συχνότητα του θορύβου αυξάνει, η εξασθένιση στον ΤΕ είναι μικρότερη. Για συχνότητες μεγαλύτερες από 1MHz, ο θόρυβος από τη dc γραμμή τροφοδοσίας μπορεί να εμφανιστεί χωρίς 11

12 σημαντική εξασθένιση στην έξοδο του ΤΕ. Ο βαθμός στον οποίο η έξοδος επηρεάζεται από το θόρυβο στις γραμμές dc τροφοδοσίας καθορίζεται από το Λόγο Απόρριψης Τροφοδοσίας Power Supply Rejection Ratio (PSRR), o οποίος ορίζεται ως ακολούθως: PSRR V sup ply = (0.6) Vout όπου Vsup ply είναι η μεταβολή σε Volts της dc τάσης τροφοδοσίας και Vout η αντίστοιχη μεταβολή της τάσης εξόδου. Συνήθως ο PSRR εκφράζεται σε db: PSRR db V = 0 log 10 V sup ply out (0.7) Οι ακροδέκτες τροφοδοσίας σε ένα ολοκληρωμένο ενός ΤΕ συμβολίζονται με θετική τροφοδοσία και VCC ή V για την αρνητική τροφοδοσία. + VCC ή V + για τη 1