Vahvistimet ja lineaaripiirit. Operaatiovahvistin

Transkriptio

1 Vahvistimet ja lineaaripiirit Kotitentti 3 (2007) Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 1 Operaatiovahvistin (Operational Amplifier, OpAmp) Perusvahvistin, toiminta oletetaan suunnittelussa ideaaliseksi Käytetään vahvistimena aina negatiivisesti takaisinkytkettynä, jotta vahvistus pysyy lineaarisella alueella (pl. komparaattori ja oskillaattorit) Kaikki muut vahvistimet voidaan toteuttaa OpAmpeilla Hinnat tavallisesti 0,5-1 / piiri, vähäkohinaiset pari euroa Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 2

2 Operaatiovahvistimien valintakriteerejä Vahvistimien lkmr. piirillä (1, 2, 4) ja kotelon tyyppi Käyttöjännitteet (1/2 puoleinen, alue) Kohinaominaisuudet (e n, i n, 1/f) Sisäänmenon epäideaalisuudet (V os, I bias ) + niiden ryömintä Epäideaalisuuksien kompensointiin saattaa olla nastat CMRR ( db) Rail-to-rail Taajuuskaista (Gainbandwidth-product) Slew rate (nopeus) Samat kriteerit pätevät myös muille vahvistinpiireille, joten jatkossa keskitytään eroihin näistä Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 3 Komparaattori (Comparator) Operaatiovahvistinta käytetään digitaalipiirina, jolla on kaksi tilaa, +V s ja V s Komparaattoriksi tarkoitetuissa piireissä on optimoitu nopeus. Tavallisia opareita ei suositella käytettäväksi komparaattoreina Positiivisella takaisinkytkennällä voidaan lisätä hystereesiä Hintaluokka 0,1-6 Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 4

3 Sovellus ja hystereesi Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 5 Differentiaalivahvistin (Differential Amplifier) Valmis jännitevahvistin, joka ei tarvitse takaisinkytkentää Vahvistusvaihtoehdot: kiinteä, valitaan vastuksella, valitaan pinneillä, valitaan ohjelmallisesti Vahvistus luokkaa (jopa ) CMRR luokkaa >70 db Optio: differentiaalinen ulostulo Hintaluokka 1 5 Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 6

4 Instrumentointivahvistin (Instrumentation Amplifier) Hyvälaatuinen differentiaalivahvistin mittauskäyttöön Korkea sisäänmenoimpedanssi Hyvät kohina ja ryömintäominaisuudet Hyvä CMRR ( db) Siltamittaukset, ECG, EEG Hintaluokka 2-10 Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 7 CMRR riippuu taajuudesta ja vahvistuksesta Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 8

5 InstAmp sovellutuksia Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 9 Virran mittausvahvistin (Current Sense Amplifier) Differentialivahvistin mittaa jännite-eron pienen shunt-vastuksen yli Moottorikäytöt, akkulaturit, akkukäyttö, 4-20 ma vastaanotin, ylivirtasuojaus Vaaditaan hyvä CMRR, lisäksi toimittava vaikka yhteismuotoinen jännite > Vs High-side, low-side Hintaluokka 1 5 Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 10

6 Virranmittausvahvistin Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 11 Erotusvahvistin (Isolation Amplifier) Kuin operaatiovahvistin (tai differentiaali) mutta ulostulo on galvaanisesti erotettu sisäänmenosta Erotus optisesti, induktiivisesti, kapasitiivisesti, tai digitaalisesti Käytetään esim. katkaisemaan maaluuppi, erottamaan suurjännitteiset osat mittapiiristä, erottamaan potilas jännitteisistä osista, moottorikäytöt, ECG, EEG Lisäparametrit: Erotusjännite [V] jatkuvana ja hetkellisenä (luokkaa V) IMR, Isolaatiomuotoisen signaalin vaimennus (luokkaa db) Kalliita (kympeistä satoihin euroihin) Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 12

7 Erotusvahvistimia Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 13 Erotusvahvistinten sovelluksia Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 14

8 Logaritminen vahvistin (Logarithmic Amplifier, Log Amp) Operaatiovahvistin jossa takaisinkytkentä diodilla, saa valmiina piirinä Kätevä, jos ulotulo halutaan db:ksi Uusi speksi: dynaaminen alue (esim. 100 db) Lähetys/vastaanottotehon mittaus/säätö Hintaluokka 4 15 Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 15 LogAmp sovelluksia Käytetään esim. RF- ja Audiosovelluksissa Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 16

9 Chopper-vahvistin (Chopper Amplifier, Chopper Stabilized Amplifier) Operaatiovahvistin, jossa bias-jännitteet on kompensoitu, mikä johtaa 1/f kohinan minimoitumiseen Jalkajärjestys usein sama kuin perinteisillä operaatiovahvistimilla 3 12 Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 17 Choppervahvistimen sovellus Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 18

10 Muut vahvistintyypit Siirtoimpedanssioperaatiovahvistin (valmiiksi kytketty virtajännitemuunnin, nopea) Siirtokonduktanssioperaatiovahvistin (jänniteohjattu virtalähde) Norton-operaatiovahvistin (differentiaalivahvistin virtasisäänmenoilla, nopea) Virtatakaisinkytketty operaatiovahvistin (nopea GHz:ihin asti) Variable gain amplifier Audiovahvistimet (teho, mikrofoni, kuuloke) Useampikanavaisetvahvistimet Puskurivahvistin Exponentiaalivahvistin Petri Kärhä 20/01/2008 Vahvistimet ja lineaaripiirit 19