Sähkötekniikka ja elektroniikka

Transkriptio

1 Sähkötekniikka ja elektroniikka Kimmo Silvonen (X)

2 Operaatiovahvistin Operational Amplifier Opva Opamp. Versio. Ideaalivahvistin elektroniikan peruslohkona Takaisinkytkentä Operaatiovahvistin vahvistaa signaalin amplitudia (jännite) Sovelluksia, helppo ja hyvä yleistyökalu! Laskusäännöt: Laskuesimerkkejä Invertoiva ja ei-invertoiva vahvistin Teoria vs. käytäntö Epäideaalisuuksia Page 2 (25)

3 Signaalin vahvistaminen, esim: CD-soitin kaiutin Lukuarvot esimerkkinä, alinna sijaiskytkentä eli piirimalli P = 0,1mW 0,1mA + CD 1V R OUT = 0 1,5A P = 9W 6V Tuloresistanssi 10 kω Kaiutin 4 Ω A u = 6 A i = A p = Esim. Operaatiovahvistin + virtavahvistimeksi tehotransistorit + CD R IN + Page 3 (25)

4 Ideaalinen jännitevahvistin (VCVS) Voltage-Controlled Voltage Source, Voltage Amplifier Control u OUT u out = u OUT u IN + A u = u OUT u IN u IN = u in Voltage Source u OUT u IN = u out u in u OUT u IN Tässä viittaa u:n muuttumiseen ajan funktiona! Vahvistus A u kohdistuu muutokseen u in ei suuruuteen u IN (case!). Page 4 (25)

5 Jänniteohjattu jännitelähde (VCVS) Alinna amerikkalainen symboli ja ideaaliset resistanssit R IN =, R OUT = 0 u R IN + R OUT e = Au u + e = Au R IN R OUT 0 Page 5 (25)

6 Differentiaalivahvistin Differential Amplifier Kuvassa kelluva symmetrinen tulo, epäsymmetrinen (yksipäinen) lähtö Jos v + kasvaa tai v pienenee, u IN ja u OUT kasvavat: v + u IN v + Out u OUT = A D u IN 0 = GND Tässä viittaa potentiaalieroon kahden solmun välillä sen voisi itsestäänselvyytenä jättää poiskin! APLAC labrassa: OPAMP Nimi + Out 0 = GND $ IDEAL Page 6 (25)

7 Operaatiovahvistin, DIL-kotelo, IC Mikropiiri, myös kaksikko (dual), nc = not connected, DC: V+ ja V V+ out nc V V 1 + V Page 7 (25)

8 Taustaa ja sovelluksia Background and Applications Analogiaelektroniikan yleistyökalu, µa702 IC 1963 Fairchild Semiconductor (Sherman Fairchild, Fokker F-27, ks. Wikipedia) Fairchild Intel mikroprosessorin µ Signaalin vahvistaminen ja muokkaaminen Haluttujen tai ei-toivottujen signaalien suodatus Jännitteenregulointipiirin osana Audiosignaalien käsittely, mm. sävynsäätö Mittaus- ja säätöjärjestelmät, instrumentointi A/D- ja D/A-muunnos, anturien liitäntä Digitaalisten järjestelmien liitäntä ulkomaailmaan, maailma mokoma on yhä analoginen! Page 8 (25)

9 Kaksipuolinen syöttöjännite DC Supply Voltage Elektroniikkapiirit tarvitsevat tasajännitelähteen! 0 0 i O + i + i O i v OUT E E Rail-to-Rail V i O Page 9 (25)

10 Toimintaperiaate, liitännät Differentiaalinen tulojännite on nolla! Ääretön raakavahvistus säädetään pienemmäksi vastuksilla (negatiivinen takaisinkytkentä). + E 1 E 2 E 1 + v + 0 u OUT v E 2 E 1 Labran poveri E 2 u OUT = A (v + v ) }{{} u= u IN =u D u OUT = 0 Labrassa opva saa käyttövoimansa piirilevyn sisäisen johdotuksen kautta reunaliittimistä! Page 10 (25)

11 Negatiivinen takaisinkytkenta NFB Kokeile itse alinna olevia lukuarvoja! Negative Feedback Example u IN + u u OUT = A u + A Bu OUT B u {}}{ u OUT = A(u IN Bu OUT ) A u OUT = 1 + AB u IN A u OUT 1 B u IN & u 0 Esim. u IN = 1 ja B = 1 10 A = 1,10,100,1000,... Page 11 (25)

12 Operaatiovahvistinmies (just a stupid joke) X, credits to the LC s, Horowitz and Hill + O-Man 0 + Page 12 (25)

13 Operaatiovahvistimen laskusäännöt Ideal Operational Amplifier, Simple Rules couldn t be much simpler! DC i + = 0 u D = u = v + v = 0 i = 0 i O + I DC + I DC DC i O 0 u OUT DC Ground Page 13 (25)

14 Invertoiva vahvistin Inverting Amplifier Sovelluskytkentä Input Signal i 1 + u IN Virtuaalinen maa Virtual Ground R 1 i 1 R 2i 2 Output Voltage i R 1 0 R u O + zombivirta kömpii maasta i 1 = u IN 0 i 1 = i 2 i 2 = 0 u O R 1 R 2 u IN = u O u O = R 2 R 1 R 2 u IN R 1 Page 14 (25)

15 Kaksi vaihtoehtoista laskutapaa Kuva edellisellä sivulla, laskareissa molemmat. Two Alternative Ways: 1. Jännite- ja silmukkayhtälöt (KJL, vrt. muut laskuharjoitukset) u IN + R 1 i = R 2 i 2 + u O = 0 i 1 = i 2 2. Virta- ja solmuyhtälöt (KCL, tässä hyvin suositeltava!) i 1 = u IN 0 R 1 i 2 = 0 u O R 2 i 1 = i 2 Page 15 (25)

16 Ei-invertoiva vahvistin Non-Inverting Amp. Yleinen sovelluskytkentä Another Recommended Application u IN i R i 2 R 1 u OUT u IN R 1 i = 0 i = u IN R 1 R 1 i R 2 i + u OUT = 0 u OUT u IN = 1 + R 2 R 1 Page 16 (25)

17 Jännitteenseuraaja, puskurivahvistin Yet another: Voltage Follower, Buffer R S + e e v e A u v + R L A u =1 R IN {}}{ R L e 1 = u OUT R S + R }{{ IN R } OUT + R }{{ L } v + =e 1 R S << R IN R OUT << R L Page 17 (25)

18 Integraattori vs. derivaattori Signaalinkäsittelyssä, katso myös Wikipediasta: Analog Computing + R u IN C + uo + C u IN R + uo u O (t) = 1 t u IN (t)dt + u O (t 1 ) RC t 1 u O (t) = RC du IN dt Page 18 (25)

19 Signaalin integrointi ja derivointi Myös aaltomuodon muokkaus Integration vs. Derivation integrointi t t derivointi Page 19 (25)

20 Ideaalinen vs. käytännön operaatiovahvistin Tyypillisiä arvoja. Ideal vs. Typical Characteristics Suure Ideaalinen Tyypillisesti R IN 2 MΩ... 1 TΩ BJT JFET R OUT Ω A = u OUT u D 10 5 u D = v + v 0 < 100 µv i + 0 < 100 na i 0 < 100 na Page 20 (25)

21 Yksikkövahvistuksen rajataajuus ja GBP Gain Bandwidth Product, Slope: 6 db/octave, 20 db/decade 20lgA 100 db 70 db 64 db 50 db 0 db f C 10 Hz f T MHz [log] f C f 2f 10f f T Page 21 (25)

22 Offset-jännite (nollatason siirtymä ) ja bias- eli esivirta Epäideaalisuuksia; vrt. laboratoriotyön epätarkka DC- vs. tarkka AC-jännitevahvistus! Jos mittaat labrassa jännitevahvistuksen esim. arvoilla u IN = +0,5 V ja u IN = 0,5 V, saat vahvistustenkeskiarvoksi tasan R 2 R 1. + I U B+ OS I B + U OS 5 mv I B I B+ 100 na I OS = I B I B+ 10 na Page 22 (25)

23 Tulo- ja lähtöresistanssi Input and Output Resistance Yleensä tässä yhteydessä merkityksettömiä! Often negligible in practice + 2R CM R D 2R CM A D u D + R OUT Page 23 (25)

24 Yhteismuodon vaimennus, CMRR Common Mode Rejection Ratio, ideaalisella muuntajalla se olisi! u D2 u D + u D2 + + u OUT u CM + + u OUT A = A D = u OUT /u D 100 db A CM = u OUT /u CM 20 db CMRR = A D /A CM 80 db Page 24 (25)

25 Ensi kerralla; teholähteet eli poverit Ensi viikolla on kurssin viimeinen ja ehkä hyödyllisin luento, joka käsittelee povereita eli erityisesti elektroniikan tasajännitelähteitä, kuten "verkkolaitteita"! Laboratoriotyöt päättyvät to Viimeisiin vuoroihin saa mielellään tulla tekemään rästejä! Page 25 (25)