Takaisinkytkentä. Avoin piiri vs. suljettu piiri. Tärkeä osa elektroniikkasuunnittelua

Transkriptio

1 Takaisinkytkentä Tärkeä osa elektroniikkasuunnittelua Avoin piiri vs. suljettu piiri Suljettu, takaisinkytketty piiri on paljolti käytössä etenkin säätöjärjestelmissä Ensimmäiset analyyttiset menetelmät takaisinkytkennän analyysiin liittyvät kuitenkin vahvistintekniikkaan 2

2 Takaisinkytkentä Negatiivinen vähentää tulon vaikutusta myötähaarassa degeneratiivinen Positiivinen lisää tulon vaikutusta myötähaarassa regeneratiivinen 3 Takaisinkytkentä vahvistimissa NEGATIIVINEN vai POSITIIVINEN? Negatiivinen takaisinkytkentä parantaa lähes kaikkia ominaisuuksia vahvistimessa: kaistanleveys kasvaa särön ja epälineaarisuuksien vaikutukset pienenevät parametriherkkyys pienenee stabiilius kasvaa (ei värähtele ym.) piirin tulo ja lähtöimpedansseja voidaan muokata... 4

3 Negatiivinen takaisinkytkentä ESIM.: Mekaaninen pyörimisnopeuden säädin Höyrykoneen pyörimisnopeuden kasvaessa, keskipakoisvoima nostaa pyöriviä painoja ylöspäin samalla vaikuttaen päähöyryventtiiliin. Pyörimisnopeuden kasvaessa liian suureksi, sulkeutuu höyryventtiili hidastaen pyörimisnopeutta. Vastaavasti jos nopeus on liian pieni, avautuu venttiili enemmän kiihdyttäen pyörimisnopeutta. 5 Positiivinen takaisinkytkentä ESIM.: Kierto mikrofonista Lohkokaavioesitys samasta positiivisen takaisinkytkennän mallilla (b) ja negatiivisen takaisinkytkennän mallilla (c) esitettynä. Huom. Viive esitetty muodossa e st 6

4 Negatiivinen takaisinkytkentä Takaisinkytkentä vahvistimilla on aina yleensä negatiivinen, muutoin vahvistimesta tulee helposti oskillaattori Negatiivisen takaisinkytkennän edut eivät tule täysin ilmaiseksi: º VAHVISTUS PIENENEE Lisäksi myös negatiivinen takaisinkytkentä voi muuttua positiiviseksi jos vaihesiirto on 8 taajuudella, jossa silmukkavahvistus Aβ > 7 Takaisinkytkennän malli erosignaali Avoimen piirin vahvistus (open loop gain) lähde x s x i A x o kuorma x f β Suljetun piirin vahvistus (closed loop gain) uo A cl = u s 8

5 Suljetun piirin vahvistus A cl Takaisinkytketyn piirin vahvistus (closed loop gain): xo A Acl = = x Aβ s Aβ tuloa kutsutaan silmukkavahvistukseksi (loop gain). Jos silmukkavahvistus Aβ >> kuten tavallisesti, päästään tärkeään tulokseen: Acl β Suljetun piirin vahvistus A cl riippuu lähes kokonaan takaisinkytkennästä!!! (esim. operaatiovahvistimen A typ ) 9 Parametriherkkyys? m Yleensä takaisinkytkentä on toteutettu passiivisilla osilla (kuten vastukset) joita on saatavilla lähes mielivaltaisilla arvoilla ja tarkoilla toleransseilla: vahvistus on aseteltavissa tarkasti m Vahvistimen A:n vaihtelu ei taas merkittävästi vaikuta suljetun piirin vahvistukseen: Aktiivisilla komponenteilla, kuten transistoreilla tai operaatiovahvistimilla, on vaikeaa saada tarkkoja arvoja vahvistukselle. Tämä ongelma voidaan osin kiertää takaisinkytkennän avulla

6 Muutamia tapauksia v Ei takaisinkytkentää: β = A A = cl A = Ilmeistä A Muutamia tapauksia vloop gain Aβ negatiivinen ja < : vjoss A tai β negatiivinen, tulo Aβ on negatiivinen vjos nyt ( Aβ ) on pienempi kuin yksi, A cl on suurempi kuin A vtakaisinkytkentä summautuu tuloon, erosignaali kasvaa ja A cl > A POSITIIVINEN TAKAISINKYTKENTÄ! 2

7 Muutamia tapauksia v Aβ =, positiivisen takaisinkytkennän erikoistapaus A A A cl = = = ( ) v Ei käytännöllinen perinteisissä vahvistimissa, mutta soveltuu esim. oskillaattoreihin v yleensä tämäntyyppisissä kytkennöissä ei ole edes tuloa 3 Tärkein tapaus v Aβ positiivinen, normaali negatiivinen takaisinkytkentä A cl = A Aβ β 4

8 Stabiilius? Jossakin tapauksissa negatiivinen takaisinkytkentä voi muuttua positiiviseksi Oskillointi, värähtely,... Stabiilisuusongelma: Miten estää vahvistimen takaisinkytkentää muuttumasta positiiviseksi (esim. 8º vaihesiirto muuttaa ikävästi etumerkkiä, tulee esille esim. taajuuden kasvaessa) 5 Työkaluja stabiiliuden varmistamiseksi Bodediagrammi Nyquistdiagrammi Juuriura logmagnitude phase plot Nichols... 6

9 Takaisinkytkennän toteutus ESIM. Edellisen esimerkin tapaus, A cl = A cl =Øβ=. takaisinkytkentään siis tarvitaan piiri, jonka läpi pääsee vain. sisääntulosta: heh, helppo homma, tarvitaan vain passiivinen vaimennus, kaksi vastusta u s A u f =.u o u o 99R R 7 Toteutus operaatiovahvistimella Operaatiovahvistimella on differentiaaliset tulot (signaali tuodaan siis kahden tulonavan väliin, Elektroniikan perusteet) Tämän vuoksi operaatiovahvistimella voidaan korvata edellä esitetty yksituloinen vahvistin (A) ja summauspiste u s u o u f =.u o R 2 99R Kytkennän vahvistus on R 2 /R = /β (olettaen, että op.amp. A on suuri) R R Eiinvertoiva operaatiovahvistinkytkentä 8

10 Esim.: Vahvistuksen parametriherkkyys Miten takaisinkytketyn vahvistimen vahvistus A cl muuttuu, jos vahvistimen A muuttuu välillä 2? A cl halutaan olevan jos A= Acl = β = A = 99.9 cl jos A=2 = A cl β β x s %:n muutos A:ssa aiheuttaa tässä vain n..5 %:n muutoksen kokonaisvahvistuksessa!!! x i x f A β x o 9 Äärellisen vahvistuksen A vaikutus Esim.: Miten takaisinkytketyn vahvistimen vahvistus A cl muuttuu, jos vahvistimen A muuttuu välillä 2 ja β on aseteltu vastuksin arvoon /? A= β = / A cl = A A A=2 A cl A = = Aβ = β 2 2 = 99 = 9524 Ei enää kovin tarkka, ja selvää parametriherkkyyttä Jotta vahvistus voidaan asettaa takaisinkytkennällä, täytyy avoimen piirin vahvistus olla huomattavasti suurempi kuin suljetun piirin vahvistus 2

11 Operaatiovahvistin Tärkein(?) komponentti modernissa analogiasuunnittelussa Operaatiovahvistin Operaatiovahvistin on tärkeimpiä nykyaikaisia analogiaelektroniikan rakenneosia (IC) Operaatiovahvistimen tarkoituksena on vahvistaa kahden tulonsa välistä jännitettä (differentiaalinen vahvistin) 22

12 Esimerkki sisäisestä kytkennästä TL82 Yksinkertaistettu kytkentä Lähde: National Semiconductor Corp. 23 Operaatiovahvistimen helppous Ideaalisen operaatiovahvistimen oletuksilla monimutkaisiakin kytkentöjä voi suunnitella operaatiovahvistinta ja muutamaa passiivista osaa käyttäen, tietämättä tästä sisäisestä transistorihärdellistä juuri enempää Jos mukaan otetaan vielä aiemmin esitetyt signaalianalyysin työkalut, voidaan suunnitella vaikkapa monimutkaisia suotimia tai tehdä tarkempia laskelmia epäideaalisella (käytännön) operaatiovahvistimella Kytkennät yksinkertaistuvat ja luetettavuus paranee verrattuna yksittäisistä transistoreista kyhäiltyihin kytkentöihin Joskus taas tarvitsee rakennella niitä transistorihärdelleitä, esimerkiksi kuin teho tai taajuusrajoitukset tulevat vastaan 24

13 Operaatiovahvistimen käyttö Operaatiovahvistimia saa maitokaupan hyllyltä lähes kaikenlaisiin tarpeisiin taajuuskaista...khz...mhz...mhz...5ghz käyttöjännitealueet...v / V / ±5...5V Tarkkuusominaisuudet tehovahvistus Erilaisissa koteloissa Operaatiovahvistinpiiri Operaatiovahvistimia saa monissa, erilaisissa koteloissa, viereisessä kuvassa kaksi esimerkkiä, nk. DIP ja SOIC kotelot Usein operaatiovahvistinpiiri sisältää useita (tyypillisesti 24) yksittäisiä vahvistimia, kuten LM358piirin sisäinen kytkentä kertoo LM358 OPA77 26

14 Operaatiovahvistinpiiri Erilaisia ja erityyppisiä operaatiovahvistimia on myös suunnaton määrä Valinta tapahtuu käyttökohteen vaatimien ominaisuuksien mukaan Hinnat vaihtelevat myös suoritusarvojen mukaan, halvimpia saa muutamilla senteillä kun taas mullistavilla ominaisuuksilla varustettujen erikoismallien hinnat ovat kympeistä jopa satoihin euroihin 27 Operaatiovahvistimia voidaan luokitella myös valmistuksen puolijohdetekniikan perusteella: Bipolar BiFET CMOS Lisäksi joitakin operaatiovahvistimia saa virtatakaisinkytkettyinä (current feedback OpAmp) Myös erikoisemmat spesiaalipiirit, kuten instrumentointivahvistimet, linjaohjaimet, differentiaalivahvistimet ja ohjaimet, ym., luetaan yleensä kuuluviksi operaatiovahvistimien sukukuntaan Valinta hankalaa suuresta määrästä, yleensä hinta määrää 28

15 Operaatiovahvistin Operaatiovahvistimessa on kolme (5) liityntää: Lähtö Eiinvertoiva tulo () Invertoiva tulo () Näiden lisäksi käytännön vahvistin tarvitsee käyttöjänniteliitynnät, joten piirissä minimissään viisi liityntänastaa, analyysissä näitä ei tarvitse yleensä huomioida Invertoiva tulo Tuloliitynnät Eiinvertoiva tulo Positiivinen käyttöjännite Lähtö Negatiivinen. käyttöjännite 29 Operaatiovahvistimen toiminta Operaatiovahvistin vahvistaa tulon jänniteeron sisäisellä vahvistuksellaan A V U O = A U ( U V ( ) ( ) ) U () U () U () U () I= I= A V (U () U () ) Ideaalisen operaatiovahvistimen tuloimpedanssi on ääretön, joten tulojalkoihin ei kulje virtaa 3

16 Ideaalitapaus A V = Z in = Ω( i in = A) Z out = Ω Kaistanleveys (BW)= Hz I= U () U () U () U () I= Z i A V Z 3 Ideaalitapauksessa: Lähtöjännite riippuu vain tulojen differentiaalisesta jännitteestä Kytkennän ominaisuudet ovat pelkästään riippuvaisia tulopiirin ja takaisinkytkennän komponenteista Virtaa ei kulje tulonapoihin Vahvistus on sama välillä DC Hz, ei vaihesiirtoa Kuormitus ei vaikuta vahvistimen toimintaan Jos tulojännite on V, myös lähtöjännite on V, riippumatta syöttävän lähteen lähtöimpedanssista 32

17 Lähtöimpedanssi on pieni, ja lähtöjännite voi helposti swingata lähes negatiivisesta käyttöjännitteestä positiiviseen Pystyy syöttämään kuormitukselle jonkin verran virtaa (5 2..mA tyypillisesti) Huomaa, että: tulo on differentiaalinen (jänniteero tulonastojen välillä ilman maata ) lähtö on singleended, siis lähtöjännite on jännite maahan nähden 33 Huomaa myös, että operaatiovahvistimella ei ole maaliityntää, vaan nollataso muodostuu käyttöjänniteliityntöjen n. puoleenväliin kaksipuoleisella (esim. ±2V) käyttöjännitesyötöllä Poikkeuksena nykytrendin mukainen yksipuoleisella käyttöjännitteellä syötetty vahvistin, jossa negatiivinen käyttöjännite on kytketty tehosyötön maahan (esim. 5V ja ) Yksipuolista käyttöjännitettä käytettäessä tarvitaan erikoisjärjestelyitä vaihtojännitesovelluksiin 34

18 Tietyissä operaatiovahvistimissa voi olla myös muita liityntöjä kuin em. viisi välttämätöntä Esimerkkeinä: offsetjännitteen nollaus (offset null, trim, balance) ulkoinen kompensointi 35 Negatiivinen takaisinkytkentä Operaatiovahvistimen avoimen piirin vahvistus on hyvin suuri (ideaali A= ) Tämän johdosta operaatiovahvistinta on vaikea käyttää järkevästi vahvistimena ilman ongelmia Jos tuloon syötetään pienikin jännite (esim. mv), saadaan lähdöstä tämä jännite vahvistettuna operaatiovahvistimen sisäisellä vahvistuksella, ideaalitapauksessa lähtöjännite olisi siis V Negatiivisella takaisinkytkennällä vahvistus voidaan asettaa sopivaksi 36

19 Negatiivinen takaisinkytkentä Negatiivisessa takaisinkytkennässä osa lähdöstä syötetään takaisin tuloon ja vähennetään syöttävästä signaalista Käytännössä tämä tapahtuu (karkeasti sanoen) kytkemällä operaatiovahvistimen lähdöstä vastus invertoivaan tuloon () 37 Negatiivinen takaisinkytkentä Negatiivista takaisinkytkentää käytettäessä operaatiovahvistimen analyysiin tulee tärkeä helpotus: jos kytkennässä on negatiivista takaisinkytkentää, on eiinvertoivan ja invertoivan tulon jänniteero V Neg. Pisteen jännite on V R 2 takaisinkytkentä U i R V 38

20 Kaksi pääsääntöä ideaaliseen analyysiin Jos operaatiovahvistimessa on negatiivista takaisinkytkentää, ja vahvistin toimii lineaarisella alueella: I. Lähtö tekee kaikkensa, jotta tulonapojen jänniteero asettuu nollaan volttiin II. Tulonapoihin ei kulje virtaa Näitä tietoja soveltamalla pärjää hyvinkin pitkälle vahvistinkytkentöjen analyysissä 39 Katsaus operaatiovahvistinkytkentöihin Seuraavassa on esitelty lyhyesti muutamia tärkeimpiä operaatiovahvistinkytkentöjä Oletuksena on ideaalinen operaatiovahvistin, jonka perusteella kytkennän toiminta on esitetty Tarkastelu ei ole kovin syvällinen, mutta antaa kuvan operaatiovahvistimien laajasta sovelluskentästä Tätä ideaalista tarkastelua on helppo laajentaa tarvittaessa esimerkiksi signaalianalyysin keinoin jos kytkennän syvällistä toimintaa tarvitsee miettiä 4

21 Jänniteseuraaja (Voltage follower) Kytkennän vahvistus on, U o = U i Suuri tuloimpedanssi, pieni lähtöimpedanssi Soveltuu puskurivahvistimeksi (buffer) suuriimpedanssisen lähteen ja pieniimpedanssisen kuorman välille Ui 4 Eiinvertoiva vahvistin (Noninvering amplifier) Lähtöjännite Suuri tuloimpedanssi Pieni lähtöimpedanssi R U = ( ) o U i R2 R R2 Ui 42

22 Invertoiva (kääntävä) vahvistin (inverting amplifier) Lähtöjännite Tuloimpedanssi Z in R 2 Pieni lähtöimpedanssi Kääntää vaihetta 8º U = R o U i R2 R Ui R2 43 Differentiaalivahvistin Vahvistin lähtöjännite on verrannollinen kahden tulosignaalin jänniteeroon ( U ) 2 2 U HUOM! Tulo differentiaalinen, ei verrannollinen vahvistimen maahan kuten aiemmissa piireissä U o R = R R2 Z in (U ) = R Z in (U 2 ) = R R 2 U U2 R R R2 44

23 Summain I Lähtöjännite U Tuloimpedanssi kyseisen tulohaaran vastuksen mukainen Pieni lähtöimpedanssi o = R U U2 U3 U4 F U ( R K U R R R2 R3 R4 2 U R 3 RF U R 4 ) 45 Integraattori Lähtö on verrannollinen tulojännitteen integraaliin yli T integrointiajan T, Integrointijakso voidaan määrittää kytkimellä, joka aukaistaan ajanhetkellä t= ja suljetaan hetkellä t=t Jos kytkintä ei ole, ajautuu lähtö tappiin = R C Jos vastus R jätetään pois, toimii kytkentä virtaintegraattorina U U T o = Iidt = C o Q C U dt i Ui R 2 Huom! Kytkentä ei toimi hyvin käytännössä C 46

24 Integraattori Integraattorin lähtöjännite tulon ollessa askelmainen 47 Alipäästösuodin I ( integraattori ) Taajuustasossa kytkennän vahvistus on A CL R = R 2 jω R C 2 DCvahvistus on R 2 /R 3 db kaistanleveys BW = 2π R2C (T Lähtö käyttäytyy likipitäen kuten tulojännitteen integraali tulosignaaleille, joiden R Ui jaksonpituus T on pieni RCaikavakioon verrattuna (T< R 2 C /5) R2 C 48

25 Derivaattori / Ylipäästösuodin Jos R =, toimii kytkentä kuten ideaalinen du derivaattori, jolloin i Lisäämällä kytkentään R voidaan suurien taajuuksien vahvistus määrätä, A hf =R 2 /R Piirin vahvistus taajuuden funktiona A CL U jω R2C = jω R C = R C o 2 Ui dt R C R2 49 Derivaattori Lähdön käyrämuoto tulojännitteellä ollessa kolmioaalto 5

26 Komparaattori Komparaattori, eli vertailija, on tärkeä operaatiovahvistimen sovellus Komparaattorissa ei ole (yleensä) negatiivista takaisinkytkentää ja se toimii muista vahvistimista poiketen epälineaarisella alueella Komparaattorin lähdön voidaan ajatella olevan digitaalinen; se saa vain kaksi arvoa Komparaattorin lähtö muuttuu tilasta toiseen tulojännitteen ylittäessä jonkin vertailujännitteen Tavallinen operaatiovahvistinpiiri ei välttämättä toimi kunnolla komparaattorina, vaan vaaditaan oma komparaattoripiiri 5 Komparaattori Yksinkertaisena esimerkkinä tarkastellaan nollatason ilmaisinta Toiminnan tarkastelu voidaan aloittaa kuvittelemalla vahvistin ideaaliseksi vahvistimeksi, jonka vahvistus A OL on ääretön, ja U o =(U () U () )A OL Jos tulo (tässä U () ) ylittää vähänkään vertailutason (U () =V), pyrkii lähtö niin ylös kuin pääsee, ja päinvastoin Viimeistään valittu käyttöjännite asettaa rajat lähtöjännitteen arvoille Nollatason ilmaisin 52

27 Komparaattori Vertailutasona voidaan käyttää tietysti myös muutakin kuin V 53 Komparaattori Yksinkertainen komparaattori on kuitenkin altis häiriöille, ja esimerkiksi kuvan tapauksessa pieni häiriö aiheuttaa lähdön ylimääräistä värpätystä tulon ollessa vertailutason ympäristössä 54

28 Hystereesikomparaattori Ratkaisuna ylimääräisiin tilanvaihtoihin on lisätä kytkentään hystereesiä positiivisen takaisinkytkennän avulla 55 Komparaattorin lähdön rajoitus Joskus komparaattorin lähdön jännite täytyy rajoittaa tiettyyn rajaan esimerkiksi liitettäessä komparaattori digitaaliseen järjestelmään Eräs tapa rajoittaa lähtö on käyttää zenerdiodeja (epälineaarisessa) negatiivisessa takaisinkytkennässä Samaa tapaa lähdön rajoittamiseen voidaan käyttää myös tavallisissa operaatiovahvistinkytkennöissä 56

29 Ikkuna(window)komparaattori Joskus on taas tarvetta havaita signaalit, jotka ovat jonkin tietyn rajan sisällä Esimerkiksi kuvan kytkennällä voidaan asetella ylä (U u ) ja alaraja (U L ), jonka välissä oleva jännite täytyy huomata 57 Virtajännite muunnin Kytkentä tuottaa jännitteen, joka on verrannollinen tulovirtaan, U o =I i R F Tuloimpedanssi on takaisinkytkentävastus jaettuna avoimen piirin vahvistuksella, Z IN = R F /A OL, siis hyvin pieni Myös lähtöimpedanssi on pieni RF Ii 58

30 Jännitevirta muunnin Kuorman R L lävitse kulkeva virta I L =U i /R Virran suuruus ei siis riipu kuormitusvastuksen suuruudesta, vaan kytkentä toimii virtalähteenä, jonka virran suuruus riippuu suoraan tulojännitteestä U i Huom! Kyseisessä kytkennässä kuormituksen kumpaakaan päätä ei voi kytkeä maahan RL Ui I L R 59 Vakiovirtalähde (Howland) Kuormitusvirta I L =(U U 2 )/R, eikä siis riipu kuormituksesta Kytkentä siis toimii jänniteohjattuna virtalähteenä Kuorma voidaan nyt kytkeä maahan nr nr2 U2 R R2 U I L RL 6

31 Puoliaaltotasasuuntaaja Joskus voi olla tarvetta tasasuuntauksesta, jossa ei voi käyttää pelkästään diodia diodin myötäsuuntaisen jännitehäviön vuoksi Kuvan kytkennässä U o =U i, kun U i >, ja U o =, kun U i < Kytkentä toimii puoliaaltotasasuuntaajana, jossa ei ole diodin myötäsuuntaista häviötä (jännitehäviö on itseasiassa jaettu vahvistimen avoimen piirin vahvistuksella) Sovelluksena esimerkiksi signaalin tarkka puoliaaltotasasuuntaus tai ilmaisu kommunikaatiojärjestelmässä Ui D2 RL U i U o 6 Kokoaaltotasasuuntaaja I Eräs vaihtoehto aktiiviselle kokoaaltotasasuuntaukselle on esitetty seuraavassa kytkennässä Tässä kytkennässä U o = U i R Ui R D U i U o 62

32 Huipunilmaisin (peak detector) Kytkennän lähtöjännite on sama kuin tulojännitteen suurin hetkellinen huippuarvo Kytkennässä jälkimmäinen vahvistin toimii puskurina, jolla on suuri tuloimpedanssi. Tällöin kondensaattori ei pääse purkautumaan Ui D C U i U o 63 Vahvistin, jossa elektroninen vahvistuksen asetus Joskus vahvistimen vahvistusta on tarpeen muuttaa kytkennän toiminnan aikana (esim. AGC) Yksi esimerkki on kuvan kytkennässä, joka on periaatteessa eiinvertoiva vahvistin, jonka toista vastusta (JFET) voidaan säätää ohjausjännitteellä U c R Kytkennän vahvistus on A CL = rds jossa r ds on JFETin kanavavastus R Kuvan kytkennässä vahvistus käyttäytyy epälineaarisesti J ohjausjännitteeseen nähden Uc Ui 64

33 Logaritmimuunnin Kuvan kytkentä esittää erästä tapaa toteuttaa logaritminen funktio tulon ja lähdön välille Kytkennän takaisinkytkentähaaroissa olevat transistorit ovat sovitettu pari Kytkennän toiminta perustuu pnliitoksen käyttäytymiseen U o = log U 2R ( U R 2 ) U R Q R QbreakN 6.7R QbreakN Q2 R2 R2 U2 R R 6.7R 65 Logaritmin sovellus Seuraava kuva esittää analogisen logaritmisen kompressoinnin hyötyjä 66

34 Eksponentiaalimuunnin (antilog) Eksponentiaalimuuntimen kytkennästä on esimerkki seuraavassa kuvassa Lähtöjännite U o = R 3 I R e ( U ir2 / UT ( R R 2 )) IR R3 Q U R R2 Q2 67 Instrumentointivahvistin Joskus vahvistimelta vaaditaan differentiaalista tuloa, suurta tuloimpedanssia ja hyvää yhteismuotoisen häiriön vaimennusta (CMRR) Tällöin yksinkertainen differentiaalivahvistin ei välttämättä ole riittävä Instrumentointivahvistimen eräs kytkentä on esitetty seuraavassa kuvassa Vahvistimen vahvistus asetetaan vastuksella Instrumentointivahvistimia saa myös kaupasta, joten niitä ei tarvitse välttämätttä rakentaa itse irtoosista 68

35 Lähdön rajoitin Kuvan vahvistin toimii normaalisti kuten invertoiva vahvistin kunnes lähtöjännite ylittää zenerdiodeista riippuvan rajan Lähtö rajoittuu jännitteeseen Käyttämällä diodeja sopivasti, saadaan lähtö rajoittumaan halutulla tavalla U R U o(max) = U z U f U z. 6V D2 R2 D 69 Yli ja alipäästösuodin II U C R U R C Ylipäästösuodin Alipäästösuodin Rajataajuus =/(2πR C ) Koostuu passiivisesta suotimesta ja jänniteseuraajasta. Jänniteseuraajan tarkoitus on poistaa lähtöön kytkettävän kuormituksen aiheuttamat muutokset rajataajuudessa 7

36 Jännitereferenssi/regulaattori Kuva esittää huonoa jännitereferenssiä tai pienitehoista jänniteregulaattoria Tarkoituksena on saada tietty vakiojännite kuormitukseen (joka ei välttämättä säily VCC vakiona) D2 R R2 C R3 7 Jänniteregulaattori II Kytkennän tarkoitus on tuottaa vakiojännitettä U o kuormitukselle Tällä kytkennällä on pyritty kiertämään operaatiovahvistimen tehorajoitusta lisäämällä kytkentään tehotransistori Q, jonka läpi kuormitusvirta kulkee Operaatiovahvistimelle on tuotu takaisinkytkentä lähtöjännitteestä, jolloin vahvistin pyrkii säätämään lähtöjännitteen aina aseteltuun arvoon Toinen transistori Q 2 kytkentään on lisätty ylivirtasuojaksi, R VCC.65V/I lmax Uref Q Q2 R R2 R3 72

37 (Vakio)virtanielu Kytkennän lähtövirta on jotakuinkin riippumaton lähtöjännitteestä, jos transistori Q pysyy aktiivialueella Tällöin lähtövirta I out U = R I U ref ref B R Jos virtanielun sijasta halutaan virtalähde, onnistuu se esimerkiksi kytkemällä npntransistorin tilalle pnptransistori ja käyttämällä negatiivista referenssijännitettä VCC Iout Uref Q R 73 Kanttiaaltooskillaattori Tämä yksinkertainen piiri toimii värähtelijänä, jonka värähtelytaajuus f on f 2 R C ln3 Jännite kondensaattorin C yli on kolmioaaltoa Piirissä on positiivinen takaisinkytkentä, vahvistin toimii komparaattorina R2 R2 C R 74

38 Wienin siltaoskillaattori Yksi paljolti käytetty lineaarinen oskillaattori on Wienin siltaoskillaattori Tämä oskillaattori tuottaa siniaaltoa Kytkennässä on sekä positiivista että negatiivistä takaisinkytkentää C2 n R3 6k R4 6k C n R R2 22.k k 75 Wien amplitudin rajoitus Koska käytännön piirissä vahvistus pitää valita riittävän suureksi oskilloinnin varmistamiseksi, käy yleensä niin että värähtelyn amplitudi kasvaa, kunnes vahvistimen lähtö leikkautuu Tämän estämiseksi käytännön piiriin joudutaan kytkemään osa, joka rajoittaa leikkaantumisen 5V V 5V V 5V V 5V s 2ms 4ms 6ms 8ms ms 2ms 4ms 6ms 8ms V(U6:OUT) Time 76