Ιατρικά Ηλεκτρονικά Δρ. Π. Ασβεστάς Τμήμα Μηχανικών Βιοϊατρικής Τεχνολογίας Τ.Ε Χρήσιμοι Σύνδεσμοι Σημειώσεις μαθήματος: http://medisp.bme.teiath.gr/eclass/courses/tio127/ E mail: pasv@teiath.gr 2 1
Όπως έχει αναφερθεί, λόγω του πολύ μεγάλου κέρδους τάσης ανοιχτού βρόχου, για σχεδόν οποιεσδήποτε τάσεις εισόδου, η τάση εξόδου θα είναι περίπου ίση με τη θετική ή την αρνητική τάση τροφοδοσίας (Αντίστοιχα, εάν η τροφοδοσία είναι μονή η τάση εξόδου θα είναι μεταξύ 0V και της τάσης τροφοδοσίας). Το γεγονός αυτό χρησιμοποιείται για τη σύγκριση δύο τάσεων. Συγκεκριμένα, εάν είναι επιθυμητό να συγκριθούν δύο τάσεις και ανάλογα με το αποτέλεσμα της σύγκρισης να εκτελεστεί κάποια λειτουργία, τότε οι δύο τάσεις εφαρμόζονται στις δύο εισόδους ενός τελεστικού ενισχυτή Εάν η διαφορά των δύο τάσεων εισόδου (τάση στη μη αναστρέφουσα είσοδος τάση στην αναστρέφουσα είσοδο) είναι θετική (αρνητική) η τάση εξόδου έχει υψηλή (χαμηλή) τιμή Στη συνέχεια, σύμφωνα με την τιμή της τάσης εξόδου μπορεί να εκτελείται κάποια απλή λειτουργία (π.χ. να ανάβει ένα LED) ή κάποια σύνθετη λειτουργία (π.χ. να ενεργοποιείται ένα κινητήρας). 3 Για παράδειγμα, έστω ότι στη μη αναστρέφουσα είσοδο (ακροδέκτης +) ενός Τ.Ε. έχει συνδεθεί ένας αισθητήρας θερμοκρασίας, ο οποίος παράγει τάση ανάλογη της θερμοκρασίας και στην αναστρέφουσα είσοδο (ακροδέκτης ) υπάρχει μία τάση που αντιστοιχεί σε μία θερμοκρασία αναφοράς. Όταν η τάση του αισθητήρα είναι μικρότερη (μεγαλύτερη) από την τάση αναφοράς, η έξοδος θα είναι χαμηλή (υψηλή). Στη συνέχεια, η έξοδος του Τ.Ε. θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ενεργοποίηση κάποιου συστήματος ειδοποίησης αύξησης θερμοκρασίας ή/και κάποιου συστήματος ψύξης. 4 2
Το σχήμα παρουσιάζει το βασικό κύκλωμα σύγκρισης δύο τάσεων Όταν η τάση εισόδου,, είναι μικρότερη (μεγαλύτερη) από την τάση αναφοράς, η τάση εξόδου θα ισούται με τη μικρότερη (μεγαλύτερη) τιμή που μπορεί να παράγει ο Τ.Ε. Οι οριακές αυτές τιμές εξαρτώνται από την τροφοδοσία που λαμβάνει ο Τ.Ε. 5 Για παράδειγμα, έστω ότι η τάση αναφοράς είναι 1, η τάση εισόδου είναι ημιτονοειδής με πλάτος 2V και συχνότητα 100Ηz και ο Τ.Ε. λαμβάνει διπλή συμμετρική τροφοδοσίας 15. Θα ισχύει 15V, 1V 15V, 1V =1V 6 3
Τάση εισόδου με μπλε χρώμα, τάση εξόδου με κόκκινο χρώμα. Τάση αναφοράς = 1V. 7 Γενικά, για ένα κύκλωμα σύγκρισης με Τ.Ε., όπως το παρακάτω ισχύει ότι:,, όπου και είναιημικρότερηκαιημεγαλύτερητιμή αντίστοιχα που μπορεί να λάβει τη τάση εξόδου του Τ.Ε. Οι τάσεις και εξαρτώνται από τις τάσεις τροφοδοσίας. 8 4
Αντίστοιχα, για το κύκλωμα του σχήματος, όπου η τάση εισόδου και η τάση αναφοράς έχουν αλλάξει θέση αμοιβαία, ισχύει ότι:,, 9 Η τάση εισόδου (μπλε χρώμα) είναι ημιτονοειδής με πλάτος 2V. Η τάση αναφοράς είναι 1V. H τάση εξόδου παρουσιάζεται με κόκκινο χρώμα. 10 5
Η δημιουργία μίας θετικής τάσης αναφοράς,,ότανείναι διαθέσιμη μία σταθερή θετική τάση μπορεί να γίνει με χρήση διαιρέτη τάσης, ή μίας μεταβλητής αντίστασης ή μίας διόδου Zener. 11 Παράδειγμα Έστω ότι θέλουμε να κατασκευάσουμε ένα κύκλωμα το οποίο θα ενεργοποιεί έναν οπτικό συναγερμό (ερυθρό LED), όταν η θερμοκρασία ξεπεράσει τους 30. Το κύκλωμα θα πρέπει να λειτουργεί με μία μόνο τροφοδοσία 5V. Αρχικά, θα πρέπει να βρούμε έναν τρόπο ώστε να μετατρέψουμε μεταβολές τις θερμοκρασίες σε μεταβολές τάσεις ή ρεύματος. Ένας από τους πιο διαδεδομένους τρόπους είναι με χρήση μίας θερμοαντίστασης (thermistor). Μία θερμοαντίσταση έχει την ιδιότητα να μετατρέπει μεταβολές της θερμοκρασίας σε μεταβολές τιμής αντίστασης. 12 6
Παράδειγμα (συνέχεια) Συνήθως, χρησιμοποιούνται θερμοαντιστάσεις τύπου NTC (Negative Temperature Coefficient). Σε μία θερμοαντίσταση NTC η τιμή της αντίστασης μειώνεται με αύξηση της θερμοκρασίας. Μία τυπική θερμοαντίσταση έχει τις ακόλουθες τιμές. Θερμοκρασία () Αντίσταση (kω) 5 25,3 10 19,9 15 15,7 20 12,5 25 10 30 8,1 35 6,5 40 5,3 13 Παράδειγμα (συνέχεια) Το επόμενο βήμα είναι να μετατρέψουμε τις μεταβολές της αντίστασης σε μεταβολές τάσης. Ο πιο απλός τρόπος είναι με χρήση ενός διαιρέτης τάσης. 14 7
Παράδειγμα (συνέχεια) Θεωρούμε ότι 5V. Επιλέγουμε μία βολική τιμή για την αντίσταση, για παράδειγμα 10kΩ. Ο επόμενος πίνακας δείχνει την τάση εξόδου ( ) του διαιρέτη για κάθε θερμοκρασία. Θερμοκρασία () Αντίσταση (kω) V 5 25,3 1,42 10 19,9 1,67 15 15,7 1,95 20 12,5 2,22 25 10 2,50 30 8,1 2,76 35 6,5 3,03 40 5,3 3,27 15 Παράδειγμα (συνέχεια) Παρατηρούμε ότι στους 30, η τάση εξόδου είναι 2,76V. Επομένως, αρκεί να χρησιμοποιήσουμε ένα κύκλωμα που να συγκρίνει την εκάστοτε τάση του διαιρέτη με την τιμή 2,76V. Καθώς, έχουμε μία μόνο τροφοδοσία 5V θα χρειαστεί να επιλέξουμε έναν Τ.Ε. που να μπορεί να λειτουργήσει με μονή τροφοδοσία. Μία φθηνή λύση είναι το ολοκληρωμένο LM358, το οποίο μάλιστα περιλαμβάνει δύο τελεστικούς ενισχυτές. 16 8
Παράδειγμα (συνέχεια) Συνδέουμε τον διαιρέτη τάσης στη μη αναστρέφουσα είσοδο και την τάση 2,76V στην αναστρέφουσα είσοδο. 2,76V LM358 17 Παράδειγμα (συνέχεια) Ένα η θερμοκρασία ξεπεράσει τους 30, η τάση του διαιρέτη θα γίνει μεγαλύτερη από 2,76V και η έξοδος του Τ.Ε. θα είναι υψηλή, περίπου 4V. 2,76V LM358 18 9
Παράδειγμα (συνέχεια) H τάση 2,76V μπορεί να δημιουργηθεί από ένα δεύτερο διαιρέτη τάσης με αντιστάσεις 10kΩ και 8,2kΩ. 8,2kΩ LM358 10kΩ 19 Παράδειγμα (συνέχεια) Το τελευταίο βήμα είναι να υπολογίσουμε την αντίσταση προστασίας του LED ( ). Θεωρώντας ένα ρεύμα λειτουργίας στο LED 5mA και πτώση τάσης (forward voltage) 2V, θα είναι 400Ω. 8,2kΩ LM358 330Ω 10kΩ 20 10
Παράδειγμα (συνέχεια) Οι πιο κοντινές διαθέσιμες τιμές αντιστάσεων ανοχής 5% είναι 330Ω και 470Ω. 8,2kΩ LM358 330Ω 10kΩ 21 Ένα χαρακτηριστικό ενός καλού κυκλώματος σύγκρισης είναι πόσο γρήγορα μπορεί να γίνει η μετάβαση από τη μία τιμή της εξόδου στην άλλη, δηλαδή πόσος χρόνος απαιτείται για να αλλάξει τιμή η τάση εξόδου. Αυτό καθορίζεται από τον ρυθμό ανταπόκρισης (slew rate), o οποίος πρέπει να είναι αρκετά μεγάλος ώστε να μην υπάρχουν καθυστερήσεις στη μεταβολή της τάσης εξόδου. 22 11
Επίδραση του ρυθμού ανταπόκρισης στην έξοδο ενός κυκλώματος σύγκρισης. Η μεταβολή της τάσης εξόδου δεν είναι αρκετά γρήγορη (η μετάβαση δεν είναι απότομη, αλλά έχει μία πεπερασμένη κλίση). 23 Είσοδος Έξοδος ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Συνήθως, στα κυκλώματα σύγκρισης δεν χρησιμοποιούνται συμβατικοί Τ.Ε., αλλά ειδικά ολοκληρωμένα, τα οποία έχουν κατασκευαστεί ώστε να εκτελούν αποτελεσματικά τη σύγκριση ανάμεσα σε δύο τάσεις. Το πλεονέκτημά τους βρίσκεται στο ότι είναι πιο γρήγορα από τους συνηθισμένους Τ.Ε., δηλαδή η μετάβαση από την μία ακραία τιμή στην άλλη γίνεται πολύ πιο γρήγορα σε σχέση με τους συμβατικούς Τ.Ε. Τα ολοκληρωμένα αυτά ονομάζονται συγκριτές (comparators) και είναι σχεδιασμένα να παρέχουν πολύ υψηλό ρυθμό ανταπόκρισης και μπορεί να είναι 100 φορές πιο γρήγορα από τους συνηθισμένους Τ.Ε. 24 12
ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Παρόλο που ένας Τ.Ε. μπορεί να λειτουργήσει ως συγκριτής (χαμηλών επιδόσεων), το αντίστροφο δεν ισχύει. Δηλαδή, ένας συγκριτής δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί όπως ένας Τ.Ε. σε ενισχυτικές διατάξεις αρνητικής ανάδρασης που θα δούμε σε επόμενα μαθήματα. Ένας συγκριτής σε μία τέτοια ενισχυτική διάταξη θα ήταν ασταθής, προκαλώντας ανεπιθύμητες ταλαντώσεις, ειδικά σε υψηλές συχνότητες. Αντίθετα, ένας Τ.Ε. κατασκευάζεται ώστε να μην είναι ασταθής σε κυκλώματα αρνητικής ανάδρασης. Επομένως: Ένας συμβατικός Τ.Ε. μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συγκριτής (χαμηλών επιδόσεων), αλλά ένας συγκριτής δεν μπορεί να σε κυκλώματα ενίσχυσης αρνητικής ανάδρασης. 25 ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Αντιπροσωπευτικοί συγκριτές: LM393 TLC372 TLC3702 LM311 LT1016 AD8561 TLV3501 26 13
ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Χρήση ειδικού ολοκληρωμένου (LM311) για σύγκριση τάσης εισόδου με 0V. 27 Είσοδος Έξοδος ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Ένα χαρακτηριστικό πολλών συγκριτών είναι ότι επιτρέπουν τονκαθορισμότωνεπιπέδωντηςτάσηςεξόδουανεξάρτητα από τις τάσεις τροφοδοσίας που χρησιμοποιούνται. Θετική τάση τροφοδοσίας 2 3 8 LM311P 4 7 1 Μέγιστη τάση εξόδου Ελάχιστη τάση εξόδου 28 Αρνητική τάση τροφοδοσίας 14
ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιούνται τάσεις τροφοδοσίας 15V καιταεπίπεδατηςτάσηςεξόδουναείναι 0V και5v. Συγκριτής με τάσεις τροφοδοσίας 15V και τάσεις εξόδου 15V. Συγκριτής με τάσεις τροφοδοσίας 15V και τάσεις εξόδου 0/5V. 29 ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Το τρανζίστορ που φαίνεται στα προηγούμενα σχηματικά δεν είναι ξεχωριστό εξάρτημα, αλλά είναι ενσωματωμένο στο ολοκληρωμένο. Το τρανζίστορ αυτό λειτουργεί ως διακόπτης: όταν η τάση στην αναστρέφουσα είσοδο είναι μεγαλύτερη από αυτή στη μη αναστρέφουσα, το τρανζίστορ είναι σε κορεσμό (κλειστός διακόπτης) συνδέοντας τον ακροδέκτη εξόδου του ολοκληρωμένου με την χαμηλή τάση. όταν η τάση στην αναστρέφουσα είσοδο είναι μικρότερη από αυτή στη μη αναστρέφουσα, το τρανζίστορ είναι σε αποκοπή (ανοικτός διακόπτης) συνδέοντας τον ακροδέκτη εξόδου του ολοκληρωμένου με την υψηλή τάση μέσω μίας αντίστασης. Η αντίσταση αυτή ονομάζεται pullup και καθορίζει το ρεύμα εξόδου του ολοκληρωμένου. Οι τιμές της είναι συνήθως μεταξύ 470Ω και 4,7kΩ. 30 15
ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Ένας συγκριτής έχει πολύ υψηλό ρυθμό ανταπόκρισης, το οποίο είναι μεν επιθυμητός για να μην υπάρχουν καθυστερήσεις στην έξοδο του συγκριτή, αλλά ταυτόχρονα μπορεί να δημιουργήσει παραμορφώσεις τόσο στο σήμα εισόδου όσο και στο σήμα εξόδου, με τη μορφή ανεπιθύμητων ταλαντώσεων. Οι παραμορφώσεις αυτές εμφανίζονται κατά τη μετάβαση από τη μία τιμή εξόδου στην άλλη και είναι περισσότερο έντονες όταν το σήμα εισόδου μεταβάλλεται αργά, δηλαδή έχει χαμηλή συχνότητα και πλάτος. 31 ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Τάση εισόδου πριν τη σύνδεση στον συγκριτή. Τάση εισόδου μετά τη σύνδεση στον συγκριτή ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Τ.Ε 32 Τάση εξόδου Μεγέθυνση τάσης εξόδου 16
ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Τα προβλήματα αυτά οφείλονται στο ότι κάθε φορά που μεταβάλλεται η τάση εξόδου, ο συγκριτής αντλεί ή παράγει αιχμές ρεύματος δια μέσω των γραμμών τροφοδοσίας και της γης αναφοράς. Οι αιχμές αυτές προκαλούν έντονες διαταραχές στις γραμμές τροφοδοσίας και στη γη αναφοράς. Οι διαταραχές αυτές γίνονται αισθητές στις εισόδους του συγκριτή κάνοντας τον συγκριτή να αλλάζει γνώμη συνεχώς ανεβοκατεβάζοντας συνεχώς την τάση εξόδου. 15V 0V 33 Θετική τροφοδοσία (Κατακόρυφη κλίμακα: 200mV/div). Γη αναφοράς (Κατακόρυφη κλίμακα: 200mV/div). ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Αλλά ακόμα και εάν δεν υπήρχαν τα φαινόμενα αυτά και ο συγκριτής λειτουργούσε όπως έπρεπε, θα παρουσιάζονταν πρόβλημα εάν η τάση εισόδου είχε άλλες ανεπιθύμητες μεταβολές (π.χ. λόγω παρεμβολών από γειτονικές συσκευές ή λόγω του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας). Ειδικά στην περίπτωση που η τάση εισόδου είναι κοντά στην τάση κατωφλίου, η παρουσία θορύβου μπορεί να προκαλέσει διαδοχικές μεταβολές της τάσης εισόδου πάνω και κάτω από το κατώφλι. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα η τάση εξόδου του συγκριτή να αλλάζει συνεχώς καταστάσεις. 34 17
ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ Επίδραση θορυβώδους σήματος εισόδου. Θορυβώδης είσοδος Έξοδος 35 ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗ Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού, χρησιμοποιείται μία τεχνική που ονομάζεται υστέρηση (hysteresis). Σύμφωναμετηντεχνικήαυτήγιανααλλάξεικατάστασηηέξοδος του κυκλώματος σύγκρισης δεν αρκεί η τάση εισόδου να γίνει μεγαλύτερη (η μικρότερη) από την τάση αναφοράς στιγμιαία, αλλά πρέπει να έχει σαφή πτωτική ή ανοδική πορεία. Συγκεκριμένα, ορίζονται δύο τάσεις κατωφλίου και με. Η έξοδος του συγκριτή αλλάζει τιμή μόνο όταν η τάση εισόδου γίνει μικρότερη από ή μεγαλύτερη από. Όσο η τάση εισόδου παραμένει ανάμεσα σε και,ητάση εξόδου θα είναι αμετάβλητη, διατηρώντας την προηγούμενη τιμή της. Η διαφορά ανάμεσα στα δύο κατώφλια,, ονομάζεται τάση υστέρησης. 36 18
ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗ Το πιο γνωστό κύκλωμα σύγκρισης με υστέρηση είναι ο σκανδαλιστής Schmitt (Schmitt trigger). Χρησιμοποιεί θετική ανάδραση (positive feedback) για να δημιουργήσει την υστέρηση. Στη θετική ανάδραση, η έξοδος ανατροφοδοτείται στον μη αναστρέφοντα ακροδέκτη του συγκριτή μέσω μίας αντίστασης. Μέγιστη τιμή τάσης εξόδου Ελάχιστη τιμή τάσης εξόδου 37 ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗ Στοκύκλωματηςπροηγούμενηςδιαφάνειας,οιαντιστάσεις και σχηματίζουν έναν διαιρέτη τάσης και ανατροφοδοτούν μέρος της τάσης εξόδου ( ) στη μη αναστρέφουσα είσοδο (ακροδέκτης +). Η τάση εισόδου που εφαρμόζεται στην αναστρέφουσα είσοδο (ακροδέκτης ) συγκρίνεται με αυτή την ανατροφοδοτούμενη τάση. Καθώς η έξοδος μπορεί να πάρει δύο τιμές ή τα δύο κατώφλια είναι: Συνεπώς, η τάση υστέρησης ( ), θα ισούται με: όπου είναι η πλήρης μεταβολή της τάσης εξόδου. 38 19
ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗ Η εφαρμογή υστέρησης καθαρίζει το σήμα εισόδου και το σήμα εξόδου. Είσοδος Έξοδος 39 ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗ Η εικόνα παρουσιάζει το σήμα εισόδου (μπλε) και τα δύο κατώφλια (κόκκινο). Όσο το σήμα είναι ανάμεσα στα δύο κατώφλια, η τάση εξόδου δεν θα αλλάζει τιμή. 40 20
ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗ Το μέγεθος της τάσης υστέρησης ( ) εξαρτάται από το μέγεθος της διαταραχής που εμφανίζεται στην είσοδο. Εάν για παράδειγμα, η διαταραχή στην είσοδο είναι περίπου 200mV από κορυφή σε κορυφή, τότε οι αντιστάσεις και πρέπει να υπολογιστούν ώστε να παρέχουν μία τάση υστέρησης ελαφρώς μεγαλύτερη από 200mV. Αξίζει να σημειωθεί ότι η υστέρηση παρουσιάζει ένα μικρό μειονέκτημα: η εναλλαγή από τη μία τιμή της τάσης εξόδου στην άλλη γίνεται με μία μικρή καθυστέρηση. 41 ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗ Καθυστέρηση στην εναλλαγή της τάσης εξόδου λόγου υστέρησης. Χρονική στιγμή που θα έπρεπε να γίνει η εναλλαγή Χρονική στιγμή που γίνεται η εναλλαγή 42 21
ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗ Λαμβάνοντας,υπόψηότιητάσηυστέρησηςείναιπολύμικρή (συνήθως της τάξη των 100mV), οι προηγούμενοι τύποι για τα δύο κατώφλια δίνουν τιμές γύρω από το μηδέν. Για παράδειγμα, για 1Ωκαι 47Ω,τότε εάν 5 και 5V, τότε το χαμηλό κατώφλι θα είναι 104mV και το υψηλό κατώφλι θα είναι +104mV εάν 0και 5V,τότετοχαμηλόκατώφλιθαείναι 0V και το υψηλό κατώφλι θα είναι +104mV. Πολλές φορές, επιθυμείται τα κατώφλια να μην είναι κοντά στο μηδέν, αλλά γύρω από μία μη μηδενική τιμή αναφοράς (π.χ. 1,5V). Στην περίπτωση αυτή, η δενθαπρέπεινασυνδέεταιστη γη αναφοράς αλλά στην επιθυμητή μη μηδενική τάση αναφοράς. 43 ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗ Υστέρηση γύρω από την τάση. 44 22
ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗ Η τάση αναφοράς μπορεί να δημιουργηθεί με χρήση ενός διαιρέτη τάσης. 45 ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗ Στην περίπτωση αυτή, μπορεί να αποδειχθεί με χρήση του θεωρήματος Thevenin ότι θα ισχύει: όπου. 46 23
ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ ΥΣΤΕΡΗΣΗ Παράδειγμα Έστω το επόμενο κύκλωμα. Ισχύει ότι: 1kΩ3,3kΩ 0,77kΩ 1kΩ 3,3kΩ 1kΩ 15V 3,5V 1kΩ 3,3kΩ 0,77kΩ 3,5V 0,77kΩ47kΩ 15V 3.26V 0,77kΩ 3,5V 0,77kΩ47kΩ 15V3,74V 47 24