OPERAATIOVAHVISTIN. Operaatiovahvistimen piirrosmerkki: IEC: Amerikkalainen ( Käytetympi ): Operaatiovahvistinpiirein kantakytkennät:

Transkriptio

1 OPERAATIOVAHVISTIN H. Honkanen Operaatiovahvistin on valmis vahvistinyksikkö, joka vahvistaa tulojensa välisen jännite-eron. Operaatiovahvistimessa on kaksi tuloa: - Ei-invertoiva ( + ) - Invertoiva ( - ), joka kääntää vaihetta 180 Operaatiovahvistimen piirrosmerkki: IEC: Amerikkalainen ( Käytetympi ): Operaatiovahvistinpiirein kantakytkennät: seita operaatiovahvistinyksiköitä voidaan sijoittaa yhteen mikropiiriin. DIL ( = DIP ) koteloiset operaatiovahvimilla käytetään pääsääntöisesti alla esitettyjä kantakytkentöjä. Kantakytkennät ovat vakiintuneen käytännön mukaisia, ei standardisoituja, joten poikkeuksiakin esiintyy. Yksikkövahvistin: Kaksikko:

2 Nelikko: Operaatiovahvistimen tärkeimpiä ominaisuuksia: Oton erovirhejännite, Vio Lähtöpulssin nousunopeus, Slew Rate, SR ( V / us ) Vahvistuskaistanleveys Lähtöimpedanssi Ottoimpedanssi Linkki: Tuloresistanssin suunnittelu Yhteismuotoisten häiriöiden vaimennus, CMRR Linkki: Differentiaaliaste Käyttöjännitteen häiriöiden vaimennus, PSRR Ominaisuudet tarkennettuna: Tulon erovirhejännite, Vio ( V ) o Tulon erovirhejännite aiheutuu tuloasteen differentiaalivahvistimen epäideaalisuuksista. o Tulon erovirhejännite ilmenee siten, että operaatiovahvistin luulee tulojen välillä olevan jännite-eroa. o Ilmiö on haitallinen tasajännitteitä käsiteltäessä. o Oton erovirhejännite kertautuu vahvistuksen suhteessa: = A * V OutputOffset IO o Tulon erovirhejänniteen maksimirvo on piirityyppikohtainen, luokkaa kymmenistä mikrovolteista muutamiin millivoltteihin. Tulon virhe-erojännite, Vio, VIO(T), Lämpötilan mukaan ( V / K ) o Yksikkövahvistimissa tulon erojännite voidaan ulkoisesti trimmata pois. Lämpötila kuitenkin muuttaa differentiaaliasteen tasapainoa, jolloin virhettä muodostuu trimmauksesta huolimatta o Ilmiö on erityisen haitallinen tarkoissa DC käsittelyissä. o = V * T IO IO ( T ) O = A * VIO ( T ) * T Lähtöpulssin nousunopeus, Slew Rate, SR ( V / us ) o Vahvistimen lähtöasteella on rajallinen lähtöjännitteen nousunopeus. o Kuorman reaktiivisuus hidastaa lähdön muutosnopeutta. o SR t =, ( V / µs )

3 Vahvistuskaistanleveys nity Gain BandWidth, Open Loop Frequency Response o Vahvistuskaistanleveys kertoo vahvistimesta sen kaistanleveyden, jolla vahvistin vahvistaa, eli sen Au >1, eli A>0 db. Koska operaatiovahvistimet ovat tasajännitekytkettyjä, alkaa vahvistus jo tasajännitteestä, joten vahvistuskaistanleveys kertoo vahvistuksen ylärajataajuuden. Lähtöimpedanssi o Lähtöimpedanssi ilmaisee vahvistimen lähtöasteen sisäisen resistanssin. Sisäinen resistanssin merkitykset käytännössä: Rajoittaa saatavan lähtövirran Pienentää vahvistusta kuormitettaessa. Tällä ei tosin ole vaikutusta silloin, kun takaisinkytkentä määrää vahvistuksen. Huomioitava sovitetuissa siirtolinjoissa!!! o Lähtöresistanssi = Lähtöimpedanssi tasavirralla Tuloimpedanssi Tuloimpedanssi ilmaisee vahvistimen ottojen kuormittavuuden. Z IN = I INPT INPT Tuloresistanssi on tuloimpedanssi tasajännitteellä: R IN = I INPT INPT

4 Tuloimpedanssi on FET-ottoisilla hyvin suuri pienillä taajuuksilla, mutta pienenee taajuuden kasvaessa. BJT ottoisilla se on merkittävästi pienempi, muttei taajuuden kasvaessa pienene kovinkaan merkittävästi. o Tuloimpedanssiin, varsinkin BJT-ottoisilla, vaikuttavat monet osatekijät: Käyttöjännite Tulosignaalin jännite suhteessa käyttöjännitteeseen Lämpötila Ottojen välinen erojännite Yhteismuotoisten häiriöiden vaimennussuhde, CMRR ( db ) Common Mode Rejection Ratio o Yhteismuotoinen häiriö tarkoittaa signaalia, joka tulee differentiaaliasteen molempiin ottoihin. Signaalin erotushan on tällöin nolla. Ideaalisessa differentiaalivahvistimessahan tämä signaali eliminoituisi täysin. Käytännön vahvistimissa siitä kuitenkin tulee pieni häiriö lähtöön. o CMRR määritellään Erovahvistuksen [ ADM ]( = Hyötyvahvistus) ja ( Ei Toivotun ) yhteismuotoisen [ ACM ] vahvistuksen suhteena: A DM = ODM DM A CM = OCM CM Erovahvistus ja yhteismuodon vahvistus määräävät yhteismuodon vaimennuksen ( CMRR ) : A A DM CMRR =,jossa A DM = Eromuodon jännitevahvistus CM CMRR( db) = 20log CMRR, CMRR( db) = 20log o CMRR arvo riippuu taajuudesta ja heikkenee taajuuden kasvaessa. A A DM CM

5 Käyttöjännitteen häiriöiden vaimennussuhde, PSRR Power Supplies Rejection Ratio o Ilmaisee käyttöjännitteessä olevien häiriöiden ( = Vaihtojänitekomponenttien ) vaimennuksen vahvistimen lähtöön. Ideaalitapauksessahan käyttöjännitehäiriöt eivät vaikuttaisi lähtöön ollenkaan o PSRR arvo on riippuvainen taajuudesta ja heikkenee taajuuden kasvaessa. Peruskytkennät: Jännitteenseuraaja eli impedanssinmuunnin ( Virtavahvistin ) OT = IN Jännitevertailija eli Komparaattori Linkki: Komparaattori Kääntävä- eli Invertoiva vahvistin A = R R 2 1 Suora- eli Ei-invertoiva vahvistin R A 1 2 = + R 1

6 Integraattori Derivaattori OT IN t = RC Välyksellinen komparaattori OT = IN RC t Linkki: Komparaattori TAAJSKOMPENSOINTI Operaatiovahvistimille, kuten myös muille useampiasteisille takaisinkytketyille vahvistimille, täytyy toteuttaa taajuuskompensointi, jolla estetään piirikytkennän joutuminen värähtelevään tilaan. Kun negatiivisen takaisinkytkennän vaihesiirto on 180, summautuu signaali tuloon ( Negatiivinen otto: 180, johon lisätään takaisinkytkentä: -180, summa: (-180 ) = = 360 ). Jos takaisinkytkentäpiirin vahvistus on yli 1:n tällä taajuudella, värähtelyehto täyttyy ja kytkentä muuttuu oskillaattoriksi! Taajuuskompensointi toteutetaan keinotekoisesti yhden vahvistinasteenasteen taajuusaluetta pienentämällä, kompensointikondensaattorin avulla. Taajuuskompensointi on yleensä rakennettu jo piirin sisään, joissakin vahvistintyypeissä se sijoitetaan ulkoisesti ( kompensointikondensaattori ) Kompensointi hidastaa piirin toimintaa, joten sen käyttäminen silloin, kun ei käytetä negatiivista takaisinkytkentää, kuten jännitevertailijaa eli komparaattoria, ei ole välttämätöntä, eikä yleensä edes suotavaa. Vahvistinkäytössä se on kuitenkin välttämättömyys. Linkki aihetta käsittelevään luentomonisteeseen SISÄINEN RAKENNE: Operaatiovahvistimen rakenne muodostuu kolmen vahvistinasteen sarjaankytkennästä: 1. Differentiaalivahvistin 2. Jännitevahvistin 3. Lähtövahvistin ( Pääteaste )

7 Sisäinen rakenne komponenttitasolla ( LM741, National Semiconductor, NSC )

8 Kuvassa ( alla ) piirikaaviosta poistettu signaalinkulun kannalta merkityksettömät osat. Signaalitie punaisella : Kuva: Koko piirikaavio, jossa signaalitie punaisella:

9 Operaatiovahvistimen 741 sisäinen toiminta: Vakiovirtageneraattorit Vakiovirtageneraattoreina käytetään virtapeilejä. Kytkennässä virtapeilejä on kytketty ristiin, joten eri piirejä ei voi aivan selkeästi erottaa toisistaan. Vertailupiiri: Sarjapiiri Q12, R5 ja Q11 muodostavat virtageneraattoreiden vertailupiirin. Tämä virta on 0,7 ma luokkaa. Differentiaaliasteen vakiovirtageneraattorit: Q10 ja Q11 muodostavat virtapeilin. Koska Q10:n emitterillä on vastus, on tämän transistorin läpi menevä virta huomattavasti Q11:n virtaa pienempi. Q10:n virta onkin vain 25 µa:n -luokkaa. Tästä virrasta noin 4 µa tulee Q3:n ja Q4:n kannoilta. Loppu ( n. 20 µa ) tulee transistorilta Q9. Transistorit Q8 ja Q9 muodostavat myös virtapeilin, josta seuraa, että myös transistorin Q8 läpi menevä virta on 20 µa -luokkaa. Tämä virta haarautuu oton differentiaaliasteessa kahteen ketjuun, jotka muodostuvat seuraavasti: Ketju 1: Q1, Q3, Q5 ja R1 Ketju 2: Q2, Q4, Q6 ja R2 Ohjainasteen vakiovirtageneraattori: Transistorit Q12 ja Q13 muodostavat virtapeiliperiaatteella vakiovirtageneraattorin välivahvistimelle. Välivahvistin toimii samalla myös pääteasteen ohjainasteena. Ohjainasteen vakiovirta on samaa luokkaa, kuin vertailupiirissä, ollen noin 0.5 ma. Tarkempi selvitys virtapeileistä tämän linkin alta Tulon differentiaalivahvistin: Tulon differentiaalivahvistin muodostuu transistoripareista Q1,Q3 ja Q2,Q4. Differentiaaliasteen jännitevahvistuksen muodostavat Q3 ja Q4 ( CE -kytketyt ). Q1 ja Q2 on kytketty emitteriseuraajiksi ( CC -kytkentä ), jotka toimivat virtavahvistimina ja täten suurentavat ottoimpedanssia. Transistorit Q5, Q6 ja Q7 toteuttavat virtapeilin, jonka virtatasapainoa voidaan muuttaa R1:n ja R2:n rinnalle kytkettävällä ulkoisella nollaustrimmerillä. Tämä virtapeiliratkaisu toimii tässä kytkennässä differentiaaliasteen kollektorivastuksina. Differentiaaliasteen lähtö otetaan Q4:n kollektorilta. Asteen jännitevahvistus on 200:n luokkaa. Tarkemmat selvitykset edellämainituista teknisistä ratkaisuista näiden linkkien alta: Differentiaaliaste Ottoresistanssin mitoitus Transistoriasteet ( BJT ) Virtapeili Välivahvistin ja ohjainaste: Välivahvistin: Kytkennän suuri jännitevahvistus toteutuu transistoriparissa Q16 ja Q17, jotka on kytketty Darlingtonkytkentään. Darlingtonkytkennän vahvistus on hyvin suuri. Lisäksi kytkennän kollektorikuormana toimii vakiovirtageneraattori. Vakiovirtageneraattori vastaa toiminnallisesti lähes ääretöntä kollektorivastusta, jolloin jännitevahvistus on hyvin suuri. Jännitevahvistusta pienentää R11. Kytkennän jännitevahvistus on kokonaisuutena luokkaa yli Ohjainaste: Pääteaste on normaali AB -luokan vahvistin. Halutun lepovirran saamiseksi tarvitaan päätetransistoreiden Q14 ja Q20 kantojen välille vakiojännite ja emitterivastukset ( R9 ja R10 ). Vakiojännite toteutetaan be -kertojan avulla. be kertoja Vahvistinratkaisuissa ei käytetä erillisiä virtalähteitä ( aika mahdoton toteutettava ), vaan käytetään be kertojaa.

10 Kytkennän toinen nimitys on Zenerkytketty transistori - Toiminnan idea: Transistorin kantavirta oletetaan merkityksettömän pieneksi. Kytkentään vaikuttaa ulkoinen jännite RCB CEQ = Rcb + Rbe CEQ = BEQ (1 + ) R lkoinen jännite saa aikaan virran, joka saa jännitehäviön vastuksiin R cb ja R be Vastusten yli oleva jännite kasvaa, kunnes se ylittää transistorin kanta-emitterijännitteen BEQ Tällöin transistori alkaa johtaa ja virtaa kulkee CE- välin kautta. Virta vastusten läpi ei enää kasva, vaan virrankasvu siirtyy transistorin CE-välin kautta johtuvaksi. R be:n jännitehäviö on täten BEQ :n suuruinen. R cb:n jännitehäviö saadaan virran ja resistanssiarvon avulla ( Ohmin laki ) Päätevahvistin: Pääteaste: Päätevahvistin on aivan tavallinen, vuorovaihekytketty AB -luokan vahvistin. Kytkennän jännitevahvistus on hiukan alle 1:n. Kytkennässä päätetransistorit toimivat, virran suunnasta riippuen, vuoronperään emitteriseuraajina ( CC -aste ). Pääteasteessa ei käytetä Booststrap -kondensaattoreita, joten pääteasteen ohjauskyky ei ole kovin hyvä silloin, kun lähtö on lähellä käyttöjännitteitä, eikä kytkennällä täten päästä äärijännitteisiin edes hetkellisesti. Ylikuormitussuojaus: Päätevahvistimeen on lisätty ylikuormitus ( = oikosulku ) -suojaus. Oikosulkusuojaus toteutetaan kummallekin päätetransistorille erikseen: Q14 ( Positiivinen puolijakso ) Virta mitataan R9:n yli jäävän jännitehäviön avulla. Jos jännite ylittää Q15:n BE -välin kynnysjännitteen, lähtee Q15 johtamaan, jolloin se ohjaa Q14:n ( = Päätetransistorin ) ohjausvirran suoraan emitterille, jolloin Q14:n johtavuus pienenee. Q20 ( Negatiivinen puolijakso ) Tässä virtaa ei mitatakaan enää pääteasteelta, vaan mitataankin kantavirtaa. Q20:n kantavirta kulkee Q17:n kautta R11:n läpi, jonka jännitehäviön avulla kantavirta mitataan. Jos R11:n jännitehäviö ylittää Q22:n BE -välin kynnysjännitteen, johtaa Q22 differentiaaliasteen ohjaustulon ohi Q16 ja Q17 muodostaman välivahvistimen, jolloin myös päätetransistorin ohjaus pienenee. Tarkempi selvitys AB -luokan päätevahvistimesta tämän linkin alta Kytkennän kokonaisjännitevahvistus Kytkennän kokonaisjännitevahvistus on kaikkien vahvistinasteiden jännitevahvistuksien tulo. Siten se on luokkaa: 200 x 1000 x 1 = Datatiedoissa annettu minimiarvo on BE

11 YLEISTÄ OPERAATIOVAHVISTIMIEN KÄYTÖSTÄ TLOIMPEDANSSIN TASAAMINEN Operaatiovahvistimen ottojen tuloimpedanssit ( signaalimaata vasten mitattuna ) tulee olla samansuuruiset! = Oton Biasointi, koska : Bibolaaritransistoriottoiset ( BJT ) Bibolaaritransistoreita ohjattaessa tarvitaan aina kantavirtaa. Jos tulojen impedanssit eroavat, saa tämä ero aikaan pienen ( mutta haitallisen ) kantavirtojen ja - jännitteiden eron, joka näkyy differentiaaliasteen tasapainossa ja sitä mukaa myös lähdön jännitteessä. Ilmiön vaikutus on sitä pienempi, mitä suurempi on ottoimpedanssi, eli mitä pienempi ohjausvirta vaaditaan Kanavatransistoriottoiset ( FET ) FET -ottoisissa ohjausvirta on lähes nolla. FET:n hilalla on kuitenkin kapasitanssia. Kapasitanssista johtuen muodostuu tuloasteeseen RC -piiri. Jos tulojen tuloresistanssi eroaa, on tällöin myös muodostuvan RC -piirin toiminta erilainen. Tämä aiheuttaisi virhettä vaihtojännitteellä. Tasajännitteitä käsiteltäessä ei FET -ottoisilla tuloimpedanssien tasauksella ole juurikaan merkitystä. TOIMINTA-ALE Normaalit ( = kaksipuolisen) ja yksipuolisen -käyttöjännitteen operaatiovahvistimet Ns. Normaali operaatiovahvistin on suunniteltu toimimaan käyttöjännitealueen puolivälissä. Tämä tarkoittaa sitä, että tulojen jännitteet eivät saa olla lähelläkään ( n. 2 V:n ero minimissään ) käyttöjännitteitä, eikä lähtöastetta ole myöskään suunniteltu antamaan kumpaakaan äärijännitettä. ( V+ tai V- ) Yksipuoleisen käyttöjännitteen operaatiovahvistin on, edellisestä poiketen, suunniteltu toimimaan mahdollisimman myös mahdollisimman lähellä toista äärijännitettä, joka yleensä on negatiivinen. Tätä käyttöjännitettä nimitetään GND:ksi. Sallittu tulojännitealue ulottuu GND:hen saakka. Myös lähtöaste on optimoitu siten, että sen lähtöjännitealue ulottuu mahdollisimman lähelle GND:tä. Yksipuolisen- ja kaksipuolisen käyttöjännitteen operaatiovahvistimen ero on siis vain ja ainoastaan toiminta-alueissa!! Kuvassa kuvattu tulo- ja lähtöasteiden periaatteelliset eroavaisuudet:

12 KÄSITTEITÄ: Absulute maximim ratings Absoluuttiset ( = ehdottomat ) raja-arvot! Supply Voltage Vcc Käyttöjännite ( = syöttöjännite ) Input offset voltage Vio Tulon ( =oton ) kantajännitteen ero ( io = input offset ) VOS - II - Differential input voltage Vi ( diff ) Tulojen välinen jännite-ero Input voltage Vi Tulon jännite Power dissapation PD Tehohäviö Operating temperature range Topr Toimintalämpötila-alue Storage temperature range Tstg Säilytyslämpötila-alue Adjustment range VIO Säätöalue ( Input offset jännitteen ) Input offset current Iio Tulojen ( kanta- ) virtojen ero ( io = input offset ) IIS - II - Input bias current Ibias Tulon ( kanta-) virta Input resistance Ri Tuloresistanssi Input capasitance Ci Tulokapasitanssi Input voltage range VI Tulojen jännitealue Large signal voltage gain Gv Vahvistus ( V / mv ) = x 1000 Gain BandWidth GBW Vahvistuskaistanleveys Output short circuit current Isc Lähtövirta 0Ω kuormaan ( = oikosulkuun ) Output voltage swing Vo(p-p) Lähtöjännitealue Common mode rejection ratio CMRR Yhteismuotoisten häiriöiden Vaimennussuhde Power supply rejection ratio PSRR Käyttöjännitteen häiriöiden vaimennussuhde Transient response Transienttivaste Rise time Tr Nousuaika ( 10% - 90% ) Settling time Asettumisaika Overshoot OS Ylitys

13 Bandwidth BV Kaistanleveys Slew rate SR Nousunopeus ( V / µs ) Supply current Icc Syöttövirta ( piirin ottama käyttövirta ) Power consumption Pc Tehonkulutus Rajataajuus Taajuus, jolla signaali on vaimentunut 3 db keskitaajuudesta - Alarajataajuus f L - Ylärajataajuus f H Vahvistuskaistanleveyden ja nousunopeuden suhteen pätee seuraava likiarvoyhtälö: f GBW 0,35 t r LINKIT: Askelvasteen avulla määritettäviä ominaisuuksia Taajuuskompensoinnin mitoittaminen Kohina Differentiaalivahvistin Instrumentointivahvistin Differentiaaliaste Takaisinkytkennän vakavuus Takaisinkytkentätopologiat Säädettävä vaihe Tasonsiirtojen suunnittelu Komparaattori Ottoresistanssin suunnittelu