Mjerna pojačala. Na kraju sata student treba biti u stanju: Mjerna pojačala. Ak. god. 2008/2009

Transcript

1 Ak. god. 2008/ Na kraju sata student treba biti u stanju: Opisati svojstva mjernih pojačala Objasniti i opisati svojstva negativne povratne veze Objasniti i opisati svojstva operacijskih pojačala (idealna i realna) Objasniti i analzirati rad osnovnih spojeva s operacijskim pojačalima Projetirati pojačala bazirana na o.p. Nabrojati i opisati tipove elektroničkih voltmetara Analizirati rad elektroničkih voltmetara 2 Pojačanje vrlo slabih istosmjernih ili izmjeničnih (mjernih) signala; Veliki ulazni otpor pri mjerenju napona, mali ulazni otpor pri mjerenju struja; Stalno pojačanje u određenom frekvencijskom pojasu, vremenski i temperaturno neovisno; Izlazni signal jednoznačno ovisan o izlaznom signalu; U p Napajanje Ulazne stezaljke x ul x iz Izlazne stezaljke x iz = A x ul 3

2 prijenosna karakteristika Prijenosna karakteristika: omjer izlazne i ulazne veličine: A = x iz /x ul ; Vrste pojačala: Naponsko pojačalo: A = u iz /u ul (V/V); Strujno pojačalo: A = i iz /i ul (A/A); Strminsko pojačalo: A = i iz /u ul (A/V=S); Otporno pojačalo: A = u iz /i ul (V/A=Ω); Pojačanje iskazano u decibelima: n db = 20 log X 2 /X 1 4 frekvencijski pojas A Frekvencijski raspon unutar kojeg pojačalo ima stalno pojačanje izmjeničnog ulaznog signala (BW bandwidth); Omeđen donjom i gornjom graničnom frekvencijom: f g i f d (frekvencijski pojas kod kojeg se pojačanje smanji za 3 db 0,707). Ako se pojačanje smanji n puta za povećanje frekvencije od 10 puta pojačanje pada za 20n db/dekada. (kašnjenje signala na f g ) Istosmjerna pojačala: f d = 0; Selektivna pojača A 0 3 db f d f g f 5 Negativna povratna veza 1 xul ulazni signal; x d ulaz u pojačalo; x iz izlazni signal; x pv signal povratne veze; xd = xul xpv x x iz A = ; β = x x d x ul pv iz Σ 1 Više o negativnoj povratnoj vezi možete pronaći u: S. Engelberg: Control Theory Part I, IEEE I&Magazine, June x d x pv A xiz = A xd = A ( xul x ) = A ( xul β xiz ) pv A x ( 1 β A) = A x x = x 1 β A = A x iz ul iz ul f ul Pojačanje pojačala u povratnoj vezi Ako je Aβ >> 1 A f =1/β (NE ovisi o A!!!) β x iz 6

3 Idealno operacijska pojačala u I B U p I B u U p Naponsko pojačalo vrlo velikog pojačanja ( ); Diferencijalni ulazni krug; Beskonačno veliki ulazni otpor ulazne struje jednake ništici; Izlazni otpor jednak ništici (idealni naponski izvor); Beskonačna širina frekvencijskog pojasa. Neosjetljiv na istofazni ulazni signal 7 Realno operacijska pojačala U p Z ul Z iz I ~ B Naponsko pojačanje: 10 5 ; opada s porastom frekvencije u U p Ulazni otpor: Ω ; Izlazni otpor: Ω, limitirana snaga na izlazu; Ulazna struja (input bias current): I B = (I B I B )/2 (0,5 na 300 na); Ulazna struja pomaka (input offset current): I off =I B I B ; Ulazni napon pomaka: napon koji je potrebno dovesti na ulaz da bi u iz = 0; Izlazni napon pomaka( U off iz ): izlazni napon kod u u = 0. u I B u iz 8 Operacijska pojačala i prividni kratki spoj u d =0 I U =0 p I =0 A U p A = na ulazu ne smije postojati razlika napona i stezaljka o.p. na istom potencijalu. R ul = ulazna struja = 0 9

4 Osnovni sklopovi s operacijskim pojačalima Invertirajuće pojačalo idealno OP i ul u ul Z ul =, A = R 1 i R 2 izl i = 0 Na ulazu OP virtualni kratki spoj i ul =u ul /R 1 Ulazna impedancija OP Z ul = i ul = i izl u izl = i izl * R 2 = (u ul / R 1 ) R 2 A= u izl /u ul = R 2 /R 1 Neinvertirajuće pojačalo idealno OP i 1 R 1 u R i2 2 u ul u izl u izl Na ulazu OP virtualni kratki spoj u =u ul i 1 = u ul /R 1 Ulazna impedancija OP Z ul = i 1 = i 2 u izl = i 2 * R 2 u ul = (u ul / R 1 ) R 2 u ul A= u izl /u ul = 1 R 2 /R 1 10 Primjer Na ulaz invertirajućeg pojačala (R 1 =10 kω, R 2 =100 kω) priključili smo izvor istosmjernog napona U=100 mv, unutarnjeg otpora R i =10 kω. Koliki će biti izlazni napon? 11 Osnovni sklopovi s operacijskim pojačalima II Sumirajuće Integrirajuće Derivirajuće logaritmirajuće 12

5 Primjeri Na ulaz integracijskog pojačala s R=10 kω i C=0,3 µf dovodimo izmjenični pravokutni napon tjemenog iznosa 3 V, frekvencije f=2000 Hz. Koliki će biti iznos napona, od vrha do vrha, na izlazu pojačala? Na ulaz derivirajućeg pojačala s R=10 kω i C=20 nf dovodimo izmjenični napon trokutastog valnog oblika amplitude 5 V i nulte srednje vrijednosti, frekvencije 1000 Hz. Koliki će biti iznos napona, od vrha do vrha, na izlazu pojačala? 13 Osnovni sklopovi s operacijskim pojačalima Naponsko sljedilo Transformator impedancije Veliki ulazni otpor, mali izlazni otpor Strujno pojačalo Mjerenje malih struja Mala ulazna impedancija 14 Elektronički voltmetri podjela Istosmjerni Univerzalni (DMM digital multimeter); Mikrovoltmetri Elektrometri Nanovoltmetri Izmjenični Ispravljač pojačalo (GHz, >3V) Odziv na srednju vrijednost Odziv na efektivnu vrijednost Pojačalo ispravljač (10 MHz, 100 µv) Poluvalni, punovalni ispravljači True rms: definicija rmsa, toplinski učinci 15

6 Mjerenje malih struja elektrometri Shunt izvedba Feedback izvedba 16 Istosmjerni elektronički voltmetar Prednosti u odnosu na električne instrumente: Mala potrošnja iz mjernog kruga (veliki ulazni otpor) Može podnijeti veća preopterećenja 17 Elektronički mikrovoltmetri pojačalo s transpozicijom frekv. Mjerenje napona < 1 µv, poblemi: Temperaturno i vremensko klizanje (drift) Starenje komponenti Rješenja: Pojačala visoke kvalitete Pojačala s transpozicijom frekvencije Pojačala s transpozicijom frekvencije, princip rada: Pretvorba istosmjernog napona u izmjenični Izmjenično pojačalo (neosjetljivo na drift) Pretvorba u istosmjerni signal Sinkroni pretvornici: JFET, titrajući kondenzatori, mehanički releji, neonske cijevi i fotootpori 18

7 Elektronički mikrovoltmetri pojačalo s transpozicijom frekv. 19 Izmjenični elektronički voltmetri Ispravljač pojačalo: Ispravljač: tjemeni, odziv na sr. vrijednost Pojačalo: istosmjerni voltmetar Prednost ispravljač u sondi : široki frekvencijski opseg (GHz) Mana prag diode: najniži mjerni opseg > 3 V Pojačalo ispravljač: 20 Voltmetri s odzivom na efektivnu vrijednost Definicija efektivne vrijednosti 1 T 2 Urms = u dt T 0 Eng. RMS to DC converters Ograničenje tjemeni faktor (crest f.) 310 Bazirani na toplinskim učincima Termopretvornik: termoelementogrjevna žica Disipirana snaga: I 2 R I efektivna vrijednost struje bez obzira na valni oblik Termolelement: osjetilo koje generira istosmjerni napon ovisan o temperaturi Izvedbe u zraku ili vakuumu (veća osjetljivost) 21

8 Votlmetar s termopretvornicima Priključenjem napona u ul stvara se istosmjerni napon U 1 Pojavljuje se U d i U iz Povratnom vezom (U 2 ) uspostavlja se ravnoteža U 1 =U 2 Jednakost efektivnih vrijednosti struja i u i I i : iul = k1 uul Ii = k2 U iz U = k u iz ul 22 Literatura V. Bego:, 9. izdanje, Graphis, Zagreb, D. Vujević, B. Ferković: Osnove elektrotehničkih mjerenja I. i II. Dio, Školska knjiga Zagreb, D. Ilić, I. Kunšt:, Prilog predavanjima, Zagreb Detaljnije o operacijskim pojačalima: S. Franco: Design with Operational Amplifiers and Analog Integreted Circuits, McGrawHill, Web,... 24