LABORATORIOTYÖ 1 MITTAUSVAHVISTIMET

Transkriptio

1 LABORATORIOTYÖ 1 MITTAUSVAHVISTIMET Päivitetty: 5/0/004 MV 1 1

2 1. MITTAUSVAHVISTIMET Työn tarkoitu: Työn tarkoitukena on tututua operaatiovahvitimen ominaiuukiin mittaupiirin enimmäienä ateena. Erityieti tarkatellaan mittaupiirin kohinaominaiuukia. Siältö: 1.1. Johdanto (. ) 1.. Operaatiovahvitimen epäideaaliuudet mittaukia (. 3) Ideaalinen vahvitin 1... Vahvitimen offet Vahvitimen kohina Vahvitimen CMRR 1.3. Eielotutehtävät (. 7) 1.4. Mittauohjeet (. 8) Vahvitimen taajuu ja vaihevate Vahvitimen offetin mittau Vahvitimen kohinan mittau Vahvitimen CMRR:n määrity 1.1. Johdanto Mittaujärjetelmän enimmäien vahvituateen ominaiuukilla on merkittävä vaikutu koko mittaupiirin toimintaan. Mittauvahvitin voidaan toteuttaa hyvälaatuiilla operaatiovahvitimilla, jolloin vahvitinta valittaea huomioidaan ovellukea tarvittavat ominaiuudet, kuten otto ja kohinaominaiuudet ekä näiden ominaiuukien tabiiliuu. Muita valintakriteereitä ovat eimerkiki kaitanlevey, avoimen lenkin vahvitu, yhteimuotoien häiriön vaimennu (CMR) ja lineaariuu. Teolliuuympäritöä kiinnitetään tyypillieti huomiota myö ylijännitteen ietokykyyn, häiriöherkkyyteen, ekä ikääntymieen. Elektroniikan mittaukia ei voida kokaan uorittaa täyin ideaaliia olouhteia. Mittaulaitteitoon kytkeytyy aina mitattavan ignaalin liäki eitoivottuja häiriöignaaleja ja kohinaa. Nämä eivät johdu ainoataan mittauvahvitimen ominaiuukita, vaan myö rakennetun mittaukytkennän muita komponenteita ja parametreita. Häiriökomponentit voidaan yleenä eliminoida, mutta kohina on e jäljelle jäävä oa, jota ei täyin voida poitaa. 1

3 1.. Operaatiovahvitimen epäideaaliuudet mittaukia Ideaalinen vahvitin Taulukko 1.1. Ideaalien ja todellien vahvitimen ominaiuukien vertailua. Ideaalinen vahvitin Todellinen vahvitin Z in, iäänmenoimpedani Ääretön Äärellinen, uuri Z out, ulotuloimpedani 0 >0, pieni A 0, avoimen lenkin Ääretön Äärellinen, uuri vahvitu u o, ulotulojännite 0, kun yhteimuotoinen jännite u cm =0 eriuuri kuin 0, kun u cm =0 Todellien vahvitimen ominaiuukia pyritään käytännöä parantamaan takaiinkytkennän avulla Vahvitimen offet Vaikka operaatiovahvitimen iäänmenot oliivat oikouljettuja toiiina, havaitaan ulotuloa nollata poikkeava jännite, eli ulotulon offetjännite. Siäänmenon offetjännitteellä puoletaan tarkoitetaan itä differentiaalita jännitettä, joka iäänmenoon on kytkettävä ulotulooffetin kompenoimieki. Eli toiin anoen (iäänmenon) offetjännite vataa uuruudeltaan itä vahvitimen iäänmenoon kytkettävää pientä differentiaalijännitettä U jolla aadaan ulotulojännitteeki U o =0. Yleikäyttöön tarkoitetuilla operaatiovahvitimilla offetjännite on tyypillieti millivoltin luokkaa. Vahvitimen iäänmenoa eiintyvien biavirtojen (I b ja I b ) erotu on offetvirta. Operaatiovahvitimilla joiden iäänmenoate perutuu bibolaaritranitoreihin, biavirrat ovat tyypillieti luokkaa 100 na ja offetvirta n. 10 na. FEToperaatiovahvitimilla biavirrat ovat huomattavati pienempiä (pikoampereeja). Sekä offetjännite että offetvirta aiheutuvat operaatiovahvitimen iäänmenopiirin komponenttien hajonnata ja epäideaaliuukita. Offetuureet ovat lämpötilariippuvia ja yleenä mittauten kannalta oleelliempi parametri onkin offetin tabiiliuu, kuin offet ite. Kuvaa 1.1 on eitetty offetjännitteen ja offetvirran vaikutuket vaiheenkääntävää vahvitimea. R Offetjännite U OS u R 1 U S Z i u I b U o Kuva 1.1. Offetuureet vaiheenkääntävää vahvitimea. 1 3

4 Yllä olevan kuvan merkintöjä käyttäen ulotulojännitteeki aadaan (kun avoimen lenkin vahvitu A 0 oletetaan erittäin uureki) R R R1 U Uo R Ib (1.1) R1 R Uo Vahvitimen kohina Käytännön vahvitimen voidaan ajatella muodotuvan ideaalieta, kohinattomata vahvitimeta, jonka iäänmenoon on kytketty kohinajännite e n ja kohinavirta i n (kuva 1.). Näihin lähteiiin on reduoitu vahvitimen aiheuttamat kohinakomponentit. Siäänmenoreitanin termitä kohinajännitettä kuvaa termi e n. Koka kohinalähteet oletetaan korreloimattomiki, eri kohinalähteiden vaikutu ummautuu neliöllieti ja kokonaikohinaki aadaan n n n n u = e e i R (1.) miä e = 4k TBR, n B B f 3dB = π = kohinakaitanlevey ja k B = Boltzmannin vakio ( J/K). Signaalilähde Kohieva operaatiovahvitin R S e n e n i n Z i u Kuva 1.. Vahvitimen kohinamalli Vahvitimen CMRR Kahden eri maadoitupiteen välinen potentiaaliero eimerkiki operaatiovahvitimen ottopiiriä aiheuttaa maapiteiden välille n. yhteimuotoien häiriöjännitteen u cm, joka on yhteinen vahvitimen ja iäänmenoille. Mitä ymmetriempi operaatiovahvitin on, eli mitä paremmin ja iäänmenokanavat vahvitimen iällä on balanoitu, itä parempi vahvitimen yhteimuotoien jännitteen vaimennuuhde CMRR on. Ideaalien vahvitimen ulotulojännite u o riippuu vain iäänmenonapojen välietä differentiaalieta jännitteetä u. Todelliea vahvitimea kuitenkin myö oa 1 4

5 yhteimuotoieta jännitteetä u cm näkyy vahvitimen ulotuloa. Käyttäen kuvan 1.3 merkintöjä määritellään: u u o o = = A A ero yht u,kun u u cm cm, kun u = 0 = 0 (1.3) jolloin vahvitimen yhteimuotoien jännitteen vaimennuuhde CMRR (Commonmode rejection ratio) voidaan kirjoittaa differentiaalien vahvituken ja yhteimuotoien vahvituken uhteena: A ero CMRR = (1.4) A yht CMRR ilmoitetaan yleenä deibeleinä, eli CMRR(dB) = 0log(CMRR). u o u o u u cm a) b) Kuva 1.3. Operaatiovahvitimen iäänmenojännitteet. a) Eromuotoinen jännite ja b) yhteimuotoinen jännite. Käytännöä differentiaaliia mittaukia tehtäeä (eim. Kuva 1.4) ottopiirin epäymmetria heikentää yhteimuotoien häiriön vaimennuta iitä mikä vahvitimen ominaiuukien mukaan olii muuten aavutettavia. Kuvan 4 ottopiiri on ymmetrinen, eli ja navoia eiintyvien jännitteiden vahvitu on yhtä uuri illoin kun R /R 1 ja R /R 1 ovat kekenään amanuuruiet. Jo uhteet eroavat yhden proentin, kytkeytyy yki proentti yhteimuotoieta jännitteetä erojännitteeki, jolloin u cm :n vahvitu on 1% u :n vahvituketa. R 1 R u u o = R /R 1 u u cm R 1 ' R ' Kuva 1.4. Differentiaalinen mittau. 1 5

6 Operaatiovahvitimen CMRR heikkenee uurilla taajuukilla komponenttien hajonnata ja hajakomponenteita johtuen. Liäki mittaupiirin, eimerkiki kaapeleiden, erilaiet hajakapaitanit muuttavat ottopiirin ymmetriaa uurilla taajuukilla. Operaatiovahvitimeen kytkeytyvät häiriöjännitteet voidaan jakaa kahteen perutyyppiin: Erojännitehäiriöihin, jotka kytkeytyvät erojännitteeki iäänmenon ja napojen välille, ekä yhteihäiriöihin, jotka kytkeytyvät yhteimuotoieki jännitteeki u cm. Vahvitimen ietokyky yhteijännitehäiriöitä vataan on luonnollieti huomattavati parempi kuin erojännitehäiriöitä vataan. Erojännittehäiriöiden vaikututa voidaan vaimentaa eimerkiki uodattamalla. 1 6

7 1.3. Eielotutehtävät 1. Mikä on kuvan 1. kytkennää ignaalilähteen ulotuloa a) Signaali b) Kohina c) SignaaliKohina uhde Entä kohievan operaatiovahvitimen ulotuloa: d) Signaali e) Kohina f) SignaaliKohina uhde. Lake kuvan mukaien vahvitimen kohina ulotuloa, kun R S on 1MΩ, kohinajännitetihey e n = 0 nv/ Hz ja kohinavirrantihey i n = fa/ Hz. Vahvitimen 3dB kaitanlevey on 6 khz ja vahvitu Määrittele käite CMRR. 1 7

8 1.4. Mittauohjeet Vahvitimen taajuu ja vaihevate Kytke käyttöjännitteet vahvitinlaatikkoon ammutettuna olevan teholähteen navoita (15 V, 0V ja 15 V). Varmita että johdot on kytketty oikein ja laita teholähteen virta päälle. Kytke ignaaligeneraattorita iniaalto uoraan okillokoopin kanavaan ja äädä ignaalin tao mahdolliimman pieneki, jottei e yliohjaii vahvitinta. Seuraa tätä eteenpäin näitä työohjeita ja kirjaa aamai mittautuloket valmiieen lomakkeeeen. Kytke itten ignaaligeneraattorin ulotulo vahvitimen iäänmenoon (Kuva 1.5) ja tarkatele vahvitinkytkennän ulotulota aatavaa ignaalia okillokoopilla. Säädä iään menevän jännitteen tao opivaki, itten ettei vahvitin yliohjaudu. Käytä aluki pientä taajuutta (10 Hz). Kun olet aanut okillokoopin näytölle inikäyrän, mittaa ignaaligeneraattorin antojännitteen uuruu (huiputa huippuun). Älä enää tämän jälkeen koke ignaaligeneraattorin amplituditaon äätöön. Selvitä euraavaki vahvitimen taajuu ja vaihevate mittaamalla vahvitimen vahvitu ja vaiheiirto vataulomakkeea annetuilla taajuukilla. Voit käyttää harkintai mukaan joko okillokoopin DC tai AC aetuta. 470 pf Signaaligeneraattori Yleimittarimittaupite (Offetmittau) 470 pf 1kΩ 1MΩ 10MΩ LT kΩ 33kΩ LF 41 10kΩ 1kΩ 33kΩ.kΩ V o Kuva 1.5. Vahvituken, offetjännitteen ja kohinan mittau Vahvitimen offetin mittau Irrota ignaaligeneraattori vahvitimen iäänmenota ja laita tilalle oikoulkubncliitin. Kytke yleimittari enimmäien vahvitinateen perään (Kuva 1.5) mittaamaan DCjännitettä. Kun olet mitannut jännitteen, vaihda oikoulkuliittimen tilalle 100 kω:n BNCliitin ja mittaa jännite uudelleen. Lake mittaamiei ulotulojännitteiden avulla operaatiovahvitimen iäänmenon offetjännite ja offetvirta. Käytä apuna kaavaa 1.1, ekä kuvia 1.1. ja Vahvitimen kohinan mittau Kohinamittaukea käytetään operaatiovahvitinta LT1056, jolla on uuri iäänmenoimpedani. Kytke LT1056:n ja LF41:n väliä oleva kytkin alaaentoon. LT1056 toimii tää ykikkövahvitimena, jonka ottoimpedani on 10 1 Ω 1 8

9 ja antoimpedani adan ohmin luokkaa. LT1056:n otoa olevat vatuket imuloivat antureita, joiden aiheuttama kohinajännite mitataan. Huomaa, että tää tehtävää mitataan vain kohina ulotuloa. Käytännöä, optimoitaea mittau kohinan uhteen, eivahvitin ja lähdereitani on ovitettava toiiina iten että aadaan optimaalinen ignaalikohinauhde. Mittaa vahvitinketjun ulotulota kohinajännitteen (AC) uuruu True RMSyleimittarilla ja okillokoopilla iten, että LT1056:n otto on oikouljettu maahan. Toita ama mittau 1 MΩ ja 10 MΩ vatukilla ( antureilla ). Vertaa tulokia eielotukea lakemiii tulokiin amata vahvitimeta. Selitä mitä mahdolliet erot johtuvat Vahvitimen CMRR:n määrity Kuvaa 1.4 on eitetty operaatiovahvitimella toteutettu differentiaalivahvitin. Mikäli operaatiovahvitin olii ideaalinen, ei ulotuloa näkyii yhteimuotoieta jännitteetä johtuvaa ignaalia muuta kuin en verran mitä ottopiirin vatuverkko on epätaapainoa. Käytännöä operaatiovahvitimen CMRR on kuitenkin äärellinen. CMRR voidaan määrittää käteväti vahvitinlaatikoa alempana olevan vahvitinkytkennän 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. Operaatiovahvitimen CMRR:n mittaukytkentä. Säädä ignaaligeneraattorin ulotulojännitteeki 0 V pp ja taajuudeki 10 Hz ja kytke e vahvitimen iäänmenoon. Siäänmenoon ii liitetään yhteimuotoinen jännite. Mittaa okillokoopin ykkökanavalla vahvitimelle iään menevää jännitettä ja amanaikaieti kakkokanavalla ulotulojännitettä. Aeta okillokooppi XYmoodiin, jolloin aat näytölle vahvitimen ulotulojännitteen iäänmenojännitteen funktiona. Avaa vahvitimen edeä olevaan 00 Ω vatukeen liittyvä katkaiija ja äädä vatuverkko taapainoon potentiometrillä. Taapaino on aavutettu kun vahvitimen ulotulojännite on nollaa, eli kun okillokoopin näytöllä Yuuntainen poikkeama on mahdolliimman pieni. Kytke itten kytkimellä mukaan 00 Ω vatu, jolloin vahvitimen vahvitu kavaa adalla. Mittaa vahvitimen iäänmeno ja ulotulojännitteet (huiputa huippuun) ja lake CMRR (vahvitimen differentiaalivahvitu on A ero =100). Toita ama mittau vataulomakkeea annetuilla taajuukilla ja piirrä kuva CMRR:n käyttäytymietä taajuuden funktiona. 1 9