LABORATORIOTYÖ 1 MITTAUSVAHVISTIMET

Transkriptio

1 Työ 1 Mittausvahvistimet LABORATORIOTYÖ 1 MITTAUSVAHVISTIMET Päivitetty: 5/01/010 TP 1 1

2 Työ 1 Mittausvahvistimet 1. MITTAUSVAHVISTIMET Työn tarkoitus: Työn tarkoituksena on tutustua operaatiovahvistimen ominaisuuksiin mittauspiirin ensimmäisenä asteena. Erityisesti tarkastellaan mittauspiirin kohinaominaisuuksia. Sisältö: 1.1. Johdanto (s. ) 1.. Operaatiovahvistimen epäideaalisuudet mittauksissa (s. 3) Ideaalinen vahvistin vs. todellinen vahvistin 1... Vahvistimen offset Vahvistimen kohina Vahvistimen CMRR 1.3. Esiselostustehtävät (s. 7) 1.4. Mittausohjeet (s. 8) Vahvistimen taajuus ja vaihevaste Vahvistimen offsetin mittaus Vahvistimen kohinan mittaus Vahvistimen CMRR:n määritys 1.1. Johdanto Mittausjärjestelmän ensimmäisen vahvistusasteen ominaisuuksilla on merkittävä vaikutus koko mittauspiirin toimintaan. Mittausvahvistin voidaan toteuttaa hyvälaatuisilla operaatiovahvistimilla, jolloin vahvistinta valittaessa huomioidaan sovelluksessa tarvittavat ominaisuudet, kuten otto ja kohinaominaisuudet sekä näiden ominaisuuksien stabiilisuus. Muita valintakriteereitä ovat esimerkiksi kaistanleveys, avoimen lenkin vahvistus, yhteismuotoisen häiriön vaimennus (CMR) ja lineaarisuus. Teollisuusympäristössä kiinnitetään tyypillisesti huomiota myös ylijännitteen sietokykyyn, häiriöherkkyyteen sekä ikääntymiseen. Elektroniikan mittauksia ei voida koskaan suorittaa täysin ideaalisissa olosuhteissa. Mittauslaitteistoon kytkeytyy aina mitattavan signaalin lisäksi eitoivottuja häiriösignaaleja ja kohinaa. Nämä eivät johdu ainoastaan mittausvahvistimen ominaisuuksista, vaan myös rakennetun mittauskytkennän muista komponenteista ja parametreista. Häiriökomponentit voidaan yleensä eliminoida, mutta kohina on se jäljelle jäävä osa, jota ei täysin voida poistaa. 1

3 Työ 1 Mittausvahvistimet 1.. Operaatiovahvistimen epäideaalisuudet mittauksissa Ideaalinen vahvistin vs. todellinen vahvistin Taulukko 1.1. Ideaalisen ja todellisen vahvistimen ominaisuuksien vertailua. Ominaisuus Ideaalinen vahvistin Todellinen vahvistin Z in, sisäänmenoimpedanssi Ääretön Äärellinen, suuri Z out, ulostuloimpedanssi 0 >0, pieni A 0, avoimen lenkin vahvistus Ääretön u o, ulostulojännite 0, kun yhteismuotoinen jännite u cm = 0 Äärellinen, suuri Erisuuri kuin 0, kun u cm = 0 Todellisen vahvistimen ominaisuuksia pyritään käytännössä parantamaan takaisinkytkennän avulla Vahvistimen offset Vaikka operaatiovahvistimen sisäänmenot olisivat oikosuljettuja toisiinsa, havaitaan ulostulossa nollasta poikkeava jännite, eli ulostulon offsetjännite. Sisäänmenon offsetjännitteellä puolestaan tarkoitetaan sitä differentiaalista jännitettä, joka sisäänmenoon on kytkettävä ulostulooffsetin kompensoimiseksi. Eli toisin sanoen (sisäänmenon) offsetjännite vastaa suuruudeltaan sitä vahvistimen sisäänmenoon kytkettävää pientä differentiaalijännitettä U s, jolla saadaan ulostulojännitteeksi U o = 0. Yleiskäyttöön tarkoitetuilla operaatiovahvistimilla offsetjännite on tyypillisesti millivoltin luokkaa. Vahvistimen sisäänmenossa esiintyvien biasvirtojen (I b ja I b ) erotus on offsetvirta. Operaatiovahvistimilla, joiden sisäänmenoaste perustuu bibolaaritransistoreihin, biasvirrat ovat tyypillisesti luokkaa 100 na ja offsetvirta n. 10 na. FEToperaatiovahvistimilla biasvirrat ovat huomattavasti pienempiä (paluokkaa). Sekä offsetjännite että offsetvirta aiheutuvat operaatiovahvistimen sisäänmenopiirin komponenttien hajonnasta ja epäideaalisuuksista. Offsetsuureet ovat lämpötilariippuvia ja yleensä mittausten kannalta oleellisempi parametri onkin offsetin stabiilisuus kuin offset itse. Kuvassa 1.1 on esitetty offsetjännitteen ja offsetvirran vaikutukset vaiheenkääntävässä vahvistimessa. R u Offsetjännite U OS R 1 U S Z i u I b U o Kuva 1.1. Offsetsuureet vaiheenkääntävässä vahvistimessa. 1 3

4 Työ 1 Mittausvahvistimet Yllä olevan kuvan merkintöjä käyttäen ulostulojännitteeksi saadaan (kun avoimen lenkin vahvistus A 0 oletetaan erittäin suureksi) R R R1 U s Uos R Ib (1.1) R1 R Uo Vahvistimen kohina Käytännön vahvistimen voidaan ajatella muodostuvan ideaalisesta, kohinattomasta vahvistimesta, jonka sisäänmenoon on kytketty kohinajännite e n ja kohinavirta i n (kuva 1.). Näihin lähteisiin on redusoitu vahvistimen aiheuttamat kohinakomponentit. Sisäänmenoresistanssin termistä kohinajännitettä kuvaa termi e ns. Koska kohinalähteet oletetaan korreloimattomiksi, eri kohinalähteiden vaikutus summautuu neliöllisesti ja kokonaiskohinaksi saadaan n ns n n s u = e e i R, (1.) missä e 4k ns = BTBRs, B f 3dB 3 vakio = J / K. k B = π = kohinakaistanleveys ja Boltzmannin Signaalilähde Kohiseva operaatiovahvistin R S e n e ns i n Z i u s Kohinaton operaatiovahvistin Kuva 1.. Vahvistimen kohinamalli Vahvistimen CMRR Kahden eri maadoituspisteen välinen potentiaaliero esimerkiksi operaatiovahvistimen ottopiirissä aiheuttaa maapisteiden välille ns. yhteismuotoisen häiriöjännitteen u cm, joka on yhteinen vahvistimen ja sisäänmenoille. Mitä symmetrisempi operaatiovahvistin on, eli mitä paremmin ja sisäänmenokanavat vahvistimen sisällä on balansoitu, sitä parempi vahvistimen yhteismuotoisen jännitteen vaimennussuhde CMRR (CommonMode Rejection Ratio) on. Ideaalisen vahvistimen ulostulojännite u o riippuu vain sisäänmenonapojen välisestä differentiaalisesta jännitteestä u s. Todellisessa vahvistimessa kuitenkin myös osa yhteismuotoisesta jännitteestä u cm näkyy vahvistimen ulostulossa. Käyttäen kuvan 1.3 merkintöjä määritellään: 1 4

5 Työ 1 Mittausvahvistimet u u o o = A = A ero yht u,kun u u s cm cm, kun u s = 0, (1.3) = 0 jolloin vahvistimen yhteismuotoisen jännitteen vaimennussuhde CMRR voidaan kirjoittaa differentiaalisen vahvistuksen ja yhteismuotoisen vahvistuksen suhteena A ero CMRR =. (1.4) Ayht CMRR ilmoitetaan yleensä desibeleinä, eli CMRR(dB) = 0log(CMRR). u o u o u s u cm a) b) Kuva 1.3. Operaatiovahvistimen sisäänmenojännitteet. a) Eromuotoinen jännite ja b) yhteismuotoinen jännite. Käytännössä differentiaalisia mittauksia tehtäessä (esim. Kuva 1.4) ottopiirin epäsymmetria heikentää yhteismuotoisen häiriön vaimennusta siitä mikä vahvistimen ominaisuuksien mukaan olisi muuten saavutettavissa. Kuvan 4 ottopiiri on symmetrinen, eli ja navoissa esiintyvien jännitteiden vahvistus on yhtä suuri silloin kun R /R 1 ja R /R 1 ovat keskenään samansuuruiset. Jos suhteet eroavat yhden prosentin, kytkeytyy yksi prosentti yhteismuotoisesta jännitteestä erojännitteeksi, jolloin u cm :n vahvistus on yksi prosentti u s :n vahvistuksesta. R 1 R us u o = R /R 1 u s u cm R 1 ' R ' Kuva 1.4. Differentiaalinen mittaus. Operaatiovahvistimen CMRR heikkenee suurilla taajuuksilla komponenttien hajonnasta ja hajakomponenteista johtuen. Lisäksi mittauspiirin, esimerkiksi 1 5

6 Työ 1 Mittausvahvistimet kaapeleiden, erilaiset hajakapasitanssit muuttavat ottopiirin symmetriaa suurilla taajuuksilla. Operaatiovahvistimeen kytkeytyvät häiriöjännitteet voidaan jakaa kahteen perustyyppiin: Erojännitehäiriöihin, jotka kytkeytyvät erojännitteeksi sisäänmenon ja napojen välille, sekä yhteishäiriöihin, jotka kytkeytyvät yhteismuotoiseksi jännitteeksi u cm. Vahvistimen sietokyky yhteisjännitehäiriöitä vastaan on luonnollisesti huomattavasti parempi kuin erojännitehäiriöitä vastaan. Erojännittehäiriöiden vaikutusta voidaan vaimentaa esimerkiksi suodattamalla. 1 6

7 Työ 1 Mittausvahvistimet 1.3. Esiselostustehtävät 1. Operaatiovahvistinkytkennässä (U s = 0) on mitattu ulostulojännitteiksi 0. mv ja mv vastuksen R 1 arvoilla 1 kω ja 100 kω vastaavasti. Määritä operaatiovahvistimen offsetjännite ja offsetvirta, kun vastus R = 33 kω.. Laske vahvistimen kohina ulostulossa, kun R S = 1 MΩ. Vahvistimen 3dB kaistanleveys f 3dB on 6 khz ja vahvistus A = Kytkennässä olevan operaatiovahvistimen LT1056M kohinavirrantiheys ja kohinajännitetiheys löytyvät liitteenä olevasta datalehdestä. 3. Määrittele käsite CMRR. 1 7

8 Työ 1 Mittausvahvistimet 1.4. Mittausohjeet Vahvistimen taajuus ja vaihevaste Kytke käyttöjännitteet vahvistinlaatikkoon sammutettuna olevan teholähteen navoista (15 V, 0V ja 15 V). Varmista, että johdot on kytketty oikein ja laita teholähteen virta päälle. Kytke signaaligeneraattorista siniaalto suoraan oskilloskoopin kanavaan ja säädä signaalin taso mahdollisimman pieneksi, jottei se yliohjaisi vahvistinta. Seuraa tästä eteenpäin näitä työohjeita ja kirjaa saamasi mittaustulokset valmiiseen lomakkeeseen. Kytke signaaligeneraattorin ulostulo vahvistimen sisäänmenoon (Kuva 1.5) ja tarkastele vahvistinkytkennän ulostulosta saatavaa signaalia oskilloskoopilla. Säädä sisään menevän jännitteen taso sopivaksi, sitten ettei vahvistin yliohjaudu. Käytä aluksi pientä taajuutta (10 Hz). Kun olet saanut oskilloskoopin näytölle sinikäyrän, mittaa signaaligeneraattorin antojännitteen suuruus (huipusta huippuun). Älä enää tämän jälkeen koske signaaligeneraattorin amplituditason säätöön. Selvitä seuraavaksi vahvistimen taajuus ja vaihevaste mittaamalla vahvistimen vahvistus ja vaihesiirto vastauslomakkeessa annetuilla taajuuksilla. Voit käyttää harkintasi mukaan joko oskilloskoopin DC tai AC asetusta. 470 pf Signaaligeneraattori Yleismittarimittauspiste (Offsetmittaus) 470 pf 1kΩ 1MΩ 10MΩ LT kΩ 33kΩ LF 41 10kΩ 1kΩ 33kΩ.kΩ V o Kuva 1.5. Vahvistuksen, offsetjännitteen ja kohinan mittaus Vahvistimen offsetin mittaus Irroita signaaligeneraattori vahvistimen sisäänmenosta ja laita tilalle oikosulkubncliitin. Kytke yleismittari ensimmäisen vahvistinasteen perään (Kuva 1.5) mittaamaan DCjännitettä. Kun olet mitannut jännitteen, vaihda oikosulkuliittimen tilalle 100 kω:n BNCliitin ja mittaa jännite uudelleen. Laske mittaamiesi ulostulojännitteiden avulla operaatiovahvistimen sisäänmenon offsetjännite ja offsetvirta. Käytä apuna kaavaa 1.1 sekä kuvia 1.1. ja Vahvistimen kohinan mittaus Kohinamittauksessa käytetään operaatiovahvistinta LT1056, jolla on suuri sisäänmenoimpedanssi. Kytke LT1056:n ja LF41:n välissä oleva kytkin alaasentoon. LT1056 toimii tässä yksikkövahvistimena, jonka ottoimpedanssi on 10 1 Ω 1 8

9 Työ 1 Mittausvahvistimet ja antoimpedanssi sadan ohmin luokkaa. LT1056:n otossa olevat vastukset simuloivat antureita, joiden aiheuttama kohinajännite mitataan. Huomaa, että tässä tehtävässä mitataan vain kohina ulostulossa. Käytännössä, optimoitaessa mittaus kohinan suhteen, esivahvistin ja lähderesistanssi on sovitettava toisiinsa siten, että saadaan optimaalinen signaalikohinasuhde. Mittaa vahvistinketjun ulostulosta kohinajännitteen (AC) suuruus True RMSyleismittarilla ja oskilloskoopilla siten, että LT1056:n otto on oikosuljettu maahan. Toista sama mittaus 1 MΩ ja 10 MΩ vastuksilla ( antureilla ). Vertaa tuloksia esiselostuksessa laskemiisi tuloksiin samasta vahvistimesta. Selitä, mistä mahdolliset erot johtuvat Vahvistimen CMRR:n määritys Kuvassa 1.4 on esitetty operaatiovahvistimella toteutettu differentiaalivahvistin. Mikäli operaatiovahvistin olisi ideaalinen, ei ulostulossa näkyisi yhteismuotoisesta jännitteestä johtuvaa signaalia muuta kuin sen verran, mitä ottopiirin vastusverkko on epätasapainossa. Käytännössä operaatiovahvistimen CMRR on kuitenkin äärellinen. CMRR voidaan määrittää kätevästi vahvistinlaatikossa alempana olevan vahvistinkytkennän avulla (Kuva 1.6). R 1 =1 k R =10 k R= 00. k V o Signaaligeneraattori R 11 =1 k R =10 k k Kuva 1.6. Operaatiovahvistimen CMRR:n mittauskytkentä. Säädä signaaligeneraattorin ulostulojännitteeksi 0 V pp ja taajuudeksi 10 Hz ja kytke se vahvistimen sisäänmenoon. Sisäänmenoon siis liitetään yhteismuotoinen jännite (Mittaa se!). Mittaa oskilloskoopin ykköskanavalla vahvistimelle sisäänmenevää jännitettä ja samanaikaisesti kakkoskanavalla ulostulojännitettä. Aseta oskilloskooppi XYmoodiin, jolloin saat näytölle vahvistimen ulostulojännitteen sisäänmenojännitteen funktiona. Avaa vahvistimen edessä olevaan 00 Ω vastukseen liittyvä katkaisija ja säädä vastusverkko tasapainoon potentiometrillä. Tasapaino on saavutettu, kun vahvistimen ulostulojännite on nollassa, eli kun oskilloskoopin näytöllä Ysuuntainen poikkeama on mahdollisimman pieni. Kytke sitten kytkimellä mukaan 00 Ω vastus, jolloin vahvistimen vahvistus kasvaa sadalla. Mittaa vahvistimen ulostulojännite (huipusta huippuun) ja laske CMRR (vahvistimen differentiaalivahvistus on A ero = 100). Toista sama mittaus vastauslomakkeessa annetuilla taajuuksilla ja piirrä kuva CMRR:n käyttäytymisestä taajuuden funktiona. 1 9