Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια. ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ (Τ.Ε. ή OpAmps) ιαφορικοί Ενισχυτές: ενισχυτές που έχουν δυο εισόδους και µια έξοδο. Τελεστικοί Ενισχυτές (Τ.Ε.): διαφορικοί ενισχυτές µε µορφή ολοκληρωµένου κυκλώµατος. Συµβολισµός Τ.Ε.: Αναστρέφουσα είσοδος Μη αναστρέφουσα είσοδος - Έξοδος
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια Bασικότερα χαρακτηριστικά των Τ.Ε.: -Υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου. Προσαρµόζονται ιδανικά σε πηγές µε υψηλή σύνθετη αντίσταση. -Χαµηλή σύνθετη αντίσταση εξόδου. Προσαρµόζονται εύκολα σε φορτία χαµηλής σύνθετης αντίσταση. -Υψηλή ενίσχυση. -Ρυθµός µεταβολής (slew rate). υνατότητα του σήµατος της εξόδου του ενισχυτή να παρακολουθεί τις µεταβολές του σήµατος εισόδου. Υπάρχει το ενδεχόµενο να παραµορφώνεται το σήµα εξόδου όταν η συχνότητα του σήµατος εισόδου ξεπεράσει ένα όριο. -Χρειάζεται συµµετρική τροφοδοσία από ±9 µέχρι ±5
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 3 Ο Τ.Ε. 74 Υπάρχουν πολλοί τύποι Τ.Ε. σε µορφή ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. 74: τύπος που χρησιµοποιείται περισσότερο. 8 7 6 Balance 74 έξοδος - Balance 5 3 4 Αναστρέφουσα είσοδος Μη αναστρέφουσα είσοδος -
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 4 Ισοστάθµιση τελεστικού ενισχυτή Σύνδεση ποτενσιόµετρου Ρύθµιση ποτενσιόµετρου για µηδενική έξοδο Κύκλωµα τροφοδοσίας Τ.Ε. 74 4 7 6 - - Τροφοδοτικό 5 dc Τροφοδοτικό 5 dc
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 5 Κυκλώµατα Τ.Ε.. Ο Ακολουθητής Τάσης IN Κέρδος Τάσης A Υψηλή Z in Χαµηλή Z Χρήση: σαν κύκλωµα προσαρµογής OUT
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 6. Ο µη Αναστρέφων Ενισχυτής i f f in A 0 Είναι f B, όπου B Με αντικατάσταση της f Επειδή BA o >>, in A 0 ( in - f ) in A B f A 0 BA 0
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 7 3. Ο Αναστρέφων Ενισχυτής in i Ι in Ι f Επειδή η Z (-) άπειρη I (-) 0, (-) 0 και I in I f i in -0 i in I in in i f0- f I f f από συνδυασµό A f in i f
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 8 4. O Αθροιστής in ( in inn N in in f... f inn N )
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 9 4. Ο Συγκριτής Τάσεων - Λειτουργία Συγκρίνει τις δύο εισόδους (-) και () και: α) εάν (-)>() - τροφ β) εάν ()>(-) τροφ τροφ - τροφ Σηµείωση: Υπάρχει περίπτωση ο ΤΕ στο κύκλωµα του συγκριτή να τροφοδοτείται µόνο µε τάση τροφ. Τότε εάν: (-)>() 0
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 0 Εφαρµογή συγκριτή : θερµίστορ. Όταν > ; -. Ο συναγερµός δεν λειτουργεί. κύκλωµα συναγερµού Όταν µε αύξηση θερµοκρασίας <, ο συναγερµός µπαίνει σε λειτουργία
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια Παράδειγµα Στην µία από τις δύο εισόδους ενός συγκριτή εφαρµόζεται η τάση v in που φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Στην άλλη είσοδο εφαρµόζεται η EF dc. Οι τιµές που µπορεί να λάβει η έξοδος του συγκριτή είναι: 0 και 0. Ζητείται να σχεδιαστεί η κυµατο- µορφή της τάσης εξόδου 0. in () t t t 3 t 4 t 5 t 6
Λύση Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια Για 0<t<t, ιn αυξάνεται από τα 0 στο. Επειδή EF > in 0 0 δηλ. λαµβάνει την τιµή της. Για t <t<t, η ιn γίνεται θετικότερη από τη EF και η έξοδος γίνεται 0 δηλ. λαµβάνει την - τιµή της. Για t <t<t 3, η είσοδος ιn γίνεται πάλι µικρότερη από τη EF και η έξοδος επανέρχεται στα 0. Η κυµατοµορφή εξόδου: 0 () t t t 3 t 4 t 5 t 6 t
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 3 Παράδειγµα Να σχεδιαστεί η του κυκλώµατος του Σχ. (α). Η µορφή της ref φαίνεται στο Σχ. (β). 6-6 5 kω 5 kω ref () (α) 6 8 (β) t (ms)
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 4 Λύση 0 5-5 -0 ref () 6 8 t (ms)
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 5 Παράδειγµα Να υπολογιστεί η του κυκλώµατος σαν συνάρτηση των,,,. ίνεται ότι η τάση (-) στην αναστρέφουσα είσοδο είναι ίση µε την τάση () της µη αναστρέφουσας εισόδου του Τ.Ε. Επίσης δίνεται Ι 3 0. I I I 3 (-) ()
Λύση Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 6 Είναι () (-) ()και () και λόγω της () ( ) (). Επίσης Ι Ι Ι 3 και επειδή Ι 3 0 Ι Ι (3). Είναι όµως I (-) (-) και Ι (4). Αντικαθιστώντας την (4) στην (3) (-) (-) (-) (-).
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 7 Λύνοντας την τελευταία εξίσωση ως προς και αντικαθιστώντας ) ( - ) ( ) ( - άρα το κύκλωµα ενισχύει τη διαφορά - µε συντελεστή ενίσχυσης.
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 8 Παράδειγµα Να σχεδιαστεί το σήµα που θα δείξει ο παλµογράφος 0 dc Απ.: 0 kω 0 kω 0 - -3 0 kω
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 9 Άσκηση Στο κύκλωµα ενός ενισχυτή αναστροφής που χρησιµοποιεί Τ.Ε., η ενίσχυση τάσης Α είναι 5. Εάν το σήµα εισόδου είναι volts και η αντίσταση που συνδέεται µε την αναστρέφουσα είσοδο του Τ.Ε. είναι 5 kω, ποια είναι αντίσταση ανάδρασης f είναι: Απ.: 75 kω
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 0 Κύκλωµα ενεργοποίησης λαµπτήρων µε ρελέ Ο τελεστικός ενισχυτής λειτουργεί σαν συγκριτής. Όταν ο φωτισµός είναι χαµηλός (φωτοαντίστασηµεγάλη τιµή) ενεργοποιείται η έξοδος του τελεστικού που οδηγεί το τρανζίστορ σε κόρο. Τότε ενεργοποιείται το ρελέ και οι λάµπες ανάβουν. Με το ποτενσιόµετρο ρυθµίζουµε την φωτεινότητα του χώρου στην οποία θα ενεργοποιηθεί το κύκλωµα. φωτοαντίσταση 00 kω 0 kω Ν400 00 kω 00 kω Ν9 9 dc 0
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια Ο Τ.Ε. σαν Ολοκληρωτής v in i in v C() 0 κ v0 Eίναι v0 και i0 i in i C. Επίσης v i in και επειδή v v in -vv in -0v in vin θα είναι v in i in iin ic (). Επίσης v C() 0 και επειδή v C v C() -v C(-) v C -v C(-), v -v C(-) (). ic Είναι q C i C t και q C v C C, άρα v C Ci C t vc t C (3) Από (), () και (3) vin v t C i0 C - i C v C(-) v
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια dvc Είναι ic C λόγω των προηγούµενων dt σχέσεων µετασχηµατίζεται σε i v d(-v C dt in C Ολοκληρώνουµε: ή v ) dv -C dt dv dt dt vin - dt C - vindt c (αρχική τιµή), C δηλ. η v ολοκλήρωµα της v in πολλαπλασιασµένο επί έναν συντελεστή. C Για τον λόγο αυτόν ονοµάζεται «ολοκληρωτής». in 0 0 t t
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 3 Παράδειγµα Να σχεδιαστεί η έξοδος του παρακάτω κυκλώµατος. Οι τιµές που µπορεί να λάβει η είναι ±0. Λύση Από Σχ. (β) είναι: in 0 για 0 µs < t 00 µs in 5 για 00 µs < t 00 µs in 0 για 00 µs < t 300 µs in 5 για 300 µs < t 400 µs in 0 για 400 µs < t 500 µs Ισχύει v - vindt c (αρχική τιµή) C Για 0 kω C 0,0 µf in 0 0 µs 00 µs 00 µs 300 µs 400 µs 500 µs (a) 5 0 µs < t 00 µs µε in 0, είναι: 00 µs - 0 dt 0 0 kω 0.0 µ 0 s in (β) 0
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 4 Για ή Για 00 µs < t 00 µs µε in 5, είναι: - 4 0 s 0 4 00 0 6 s 00 0 s (5 ) s 4 0 s (5 0 4 0 s 6 5 dt 00 0 6 s 00 0 6 s 0 [ -4 5 0 s ( ) ] 4 ) s -5 00 µs < t 300 µs µε in 0, είναι: 300 µs - 0 dt ( 5 ) 0-5 4 00 µ s 0 s Για 300 µs < t 400 µs µε in 5, είναι: 400 µs - 5dt 4 300 µs 0 s 0 s (-5 ) [ ] 400 µs (5 ) (-5 ) 4 300 µs ή ή ή - 5
0 Για 4 Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 5 0 4 s (5 0 s [ -4 5 0 s (4 3) ] 4 ) s (-5 ) -5 (-5 ) (-5 ) 400 µs < t 500 µs µε in 0, είναι: - 0 500 µs - 0 dt ( 0 ) 0-0 - 0 4 400 µs 0 s Σύµφωνα µε τα παραπάνω η µορφή της είναι: in 5 0 0 µs 00 µs 00 µs 300 µs 400 µs 500 µs 0-5 -0
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 6 Παράδειγµα Να υπολογιστεί η 0 του παρακάτω κυκλώµατος. Ι Ι 0, MΩ MΩ I in C µf 0 - Λύσ η dc Είναι IC C dt. Είναι όµως C- o, διότι η πλευρά του C είναι 0 λόγω της άπειρης αντίστασης της αναστρέφουσας εισόδου του d0 Τ.Ε.. Άρα και IC C. Είναι επίσης I in I C dt I C o
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 7 και I in I I, άρα και d0 d0 C ( ) dt C dt Ολοκληρώνοντας ως προς t έχουµε: d ( )dt 0 dt C dt ( v )dt 0 C MΩ ( 6 6 )dt 0 0 0 s 0, ΜΩ και τελικά 0 ( 0 0 s 5 )dt ( 5 )dt
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 8 Άσκηση Να σχεδιαστεί η 0 του κυκλώµατος του Σχ. (α). Οι τιµές που µπορεί να λάβει η είναι ±0. Η µορφή της in φαίνεται στο Σχ. (β) in in 0 kω 5 C 0,0 µf (a) 0 0 µs 00 µs (β) 00 µs 300 µs -5 400 µs
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 9 Ο ΤΕ σαν ιαφοριστής in I C C Ι C I 0 d C in dt Ι και. I 0 Επειδή 0 I C I και µε αντικατάσταση d in - d C -C in dt dt i 0 0 t t
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 30 Παράδειγµα Σε έναν διαφοριστή είναι:, kω C0,00 µf. Η µορφή της in φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Να σχεδιαστεί η. 5 0-5 () 4,4 0-4,4 in () 5 0 5 t (ms) t
Λύση Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 3 d -C in µε C, kωx0,00 µf dt α. από 0-5 µs Είναι: d -, µs in. dt, 0-3 0-3 0 6 s, 0-6 s, µs d Η παράγωγος in παριστάνει τον συντελεστή dt κατεύθυνσης της ευθείας που παριστάνει η in. Από µορφή in φαίνεται ότι η ευθεία αυτή διέρχεται από τα σηµεία (0,-5), (5µs, 5). Από µαθηµατικά ο συντ. κατεύθυνσης ευθείας που διέρχεται από σηµεία Μ (χ, ψ ), Μ (χ, ψ ) δίνεται από λ ψ χ ψ χ ψ χ ψ χ
Εποµένως και Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 3 d in 5 ( 5) 0 dt 5µs 0 5µs,µs µs β. Από 5µs µέχρι 0 µs Είναι: 4,4 d -, µs in. dt Τώρα η in αλλάζει και διέρχεται από τα σηµεία (5µs, 5), (0µs, -5) άρα d in dt και 5 ( 5) 5µs 0µs 0 5µs,µs ( ) µs γ. Από 0µs µέχρι 5µs Είναι: d -, µs in. dt µs 4,4 Η in διέρχεται από τα σηµεία (0µs, -5), (5µs, 5) άρα µs
Τελεστικοί Ενισχυτές-Ι.Σ. Χαλκιάδης διαφάνεια 33 d in 5 ( 5) 0 dt 5µs 0µs 5µs και,µs µs µs 4,4 Σύµφωνα µε όλα τα παραπάνω η µορφή της φαίνεται στο αρχικό σχήµα.