TASONSIIRTOJEN ja VAHVISTUKSEN SUUNNITTELU OPERAATIOVAHVISTINKYTKENNÖISSÄ

Transkriptio

1 TSONSTOJEN ja VHVSTKSEN SNNTTEL OPETOVHVSTKYTKENNÖSSÄ H. Honkanen. SMMMEN KÄYTTÖ - Summaimelle voidaan erikseen määrittää, omaan tuloonsa: - Signaalin jännitevahvistus ja - Tasonsiirto - Mahdollisuus kytkeä myös useampia tuloja - Huomioitava vaiheen ( = napaisuuden ) kääntyminen. EPÄSYMMETSET VHVSTKYTKENNÄT ( Epäsymmetrinen otto ) - Kytkennän vahvistus määritellään jännitteiden muutosalueen mukaisesti - Tasonsiirron mitoitus virtalaskennan avulla ( Ohmin laki ) - Huomioitava mahdollinen vaiheen ( = napaisuuden ) kääntyminen ja tasonsiirtojen mahdolliset aiheuttamat virrat kiinteissä jännitepotentiaaleissa. 3. SYMMETSET VHVSTKYTKENNÄT ( Symmetrinen otto ) - Kytkennän vahvistus määritellään jännitteiden muutosalueen mukaisesti - Tasonsiirrot helppoja, jos lähtöjännite käy nollassa Vertailujännite on se tulojännite, millä ulostulon tulee olla nolla - Ellei nolla volttia kuulu lähtöjännitealueeseen, on tasonsiirto mitoitettava virtalaskennan avulla ( Ohmin laki ) tai, - nstrumentointivahvistin ei kuormita ottojaan ollenkaan, jolloin siellä ei myöskään kulje virtaa. Tasonsiirron mitoittaminen onnistuu tällöin, kun ajatellaan vahvistuskäyrän jatkuvan ohi käytettävien jännitealueiden ja määritetään tällöin jännite, jolla ulostulojännitteen tulisi olla nolla. Jännitteen muutosalue = = OT Purkurivahvistin, eli ja Napaisuuden vaihto, eli MPEDNSSMNN VHEENKÄÄNTÖ LKT : Operaatiovahvistin Differentiaalivahvistin nstrumentointivahvistin

2 Esimerkkitapaus: Toteutettavana on kytkentä, joka toteuttaa seuraavan kuvaajan mukaisen toiminnan Kuvaajasta voimme todeta, että tulojännitteen muutoksen tulee näkyä lähtöjännitteessä viisinkertaisena ( muutoskerroin ) ja lisäksi lähtöön summataan V:n jännitekomponentti ( Lähtöjännite silloin, kun tulojännite on nolla ) Esimerkkitapauksissa on käytetty,50 V referenssijännitelähdettä

3 . Summaimen käyttö: Kuvaajasta saamme johdettua lähtöjännitteelle yhtälön: OT 5V Vahvistus: = = = 5 V Koko yhtälö: = * V 5* OT + = + summain: Koska summain on vaiheen kääntävä, tarvitaan yksi ylimääräinen vaiheenkääntö: OT = ( )* ( EF + b OT = EF + OT b a + * =,0V + a = 5,0 * Koska ref antovirta on rajallinen ( 0 00 µ ), on helpointa määrittää ensiksi b: EF,5V b : b EFout 50µ Toinen vaihtoehto olisi puskuroida ref, mutta se vaatisi yhden oparin lisää.. ) : a : b,0v *50kΩ = EF = = = 0kΩ,5V b EF 0kΩ = = 5,0 a = = = kω 5,0 4 a

4 . Ei-symmetriset vahvistinkytkennät Tulosignaalin muutosvahvistuksenhan tuli olla 5. Se tulee olemaan samalla myös vahvistimelle tarvittava vahvistus. a. Ei-kääntävä vahvistin Kytkennän perusrakenne näkyy yllä. Vastuksen tulee olla vähintään tuo kuvassa oleva 0 k, jolloin takaisinkytkennän virta on maksimissaan milliampeerin luokkaa. Kytkennän jännitevahvistuksenhan tuli olla 5, joten määritellään sen mukaisesti: 0kΩ = + = = =, kω 5 5 u con:n määrittelemiseksi valitaan toimintasuoralta yksi piste. Valitaan tulojännitteeksi vaikka 0V. Tällöinhän lähtöjännitteen tulee olla V. Negatiivinen takaisinkytkentähän ajaa vahvistimen tulojännitteet ( in- ja in+ ) samoiksi. con saadaan virtalaskennan avulla, operaatiovahvistimen tuloonhan ei mene virtaa, vaan kaikki :n läpi menevä virta menee myös :n läpi. Jännitehäviö saadaan Ohmin kaavalla. Eli: 00V in = 0, = in+ = in out =, 00V = out in =,00V 0,00V =, 00V,00V = = = 00µ 0kΩ = 00µ * = 00µ *,5kΩ = 0, 50V con = 0,00V 0,50V = 0, 50V nalyysi: 0V sisään V sisään

5 Tarvittava vakiojännite ( con ) saadaan referenssijännitteestä kääntävän vahvistimen avulla: Koska ref antovirta on rajallinen (0 00 µ ), on määritettävä ensiksi : EF,5V :, valitaan 47k 50µ EFout OT 0,5V : = = = 0, 0,5V = = = = ( 0,0) * 47kΩ = 4, 7kΩ b. kääntävä vahvistin Kytkennän perusrakenne näkyy yllä. Vastuksen ( tai vastuksen ) tulee olla vähintään tuo kuvassa oleva 0 k, jolloin takaisinkytkennän virta on maksimissaan milliampeerin luokkaa. Kytkennän jännitevahvistuksenhan tuli olla 5. Kääntävän vahvistimen vahvistushan on negatiivinen, joten kääntävä vaikutus on eliminoitava kääntävällä vahvistimella ( X,, ). Jos muunnoskerroin olisi negatiivinen, kääntäjää ei luonnollisesti tarvittaisi. :n määritys: = = * = ( 5)*0kΩ = 50kΩ Vakiojännitteen ( con ) määrittämiseksi valitaan jokin toimintapiste ja määritellään takaisinkytkentävirran avulla vahvistimen negatiivisen tulon ( in- ) jännite. Tämä sama jännite tulee olla myös vahvistimen positiivisessa ( in+ ) tulossa. + out in 0,00V,00V TK = = = = 6,67µ + + 0kΩ + 50kΩ * = 6,67µ *0kΩ = 66, mv in = ( ) * in = = 0,00V ( 66,7mV ) 66, mv 7 in in = 7

6 nalyysi: 0V sisään V sisään Koska tarvittava vakiojännite ( con ) on pienempi, kuin referenssijännite ( ref ) ja koska operaatiovahvistimen tulon ottama virta on erittäin pieni, voidaan vakiojännite ( con ) toteuttaa passiivisena jännitteenjakokytkentänä. Jos tarvittava vakiojännite ( con ) olisi suurempi, kuin referenssijännite ( ref ) saataisiin vakiojännite referenssijännitteestä helpoiten ei-kääntävän vahvistimen avulla. Määritetään vastuskytkennän virraksi 50 µ Tällöin kokonaisresistanssi ( + ) olisi : + ref,50v + = 50µ Vastus : Vastus :,, con 66,7mV = = = = 3,33kΩ 50µ = + = 50kΩ 3,33kΩ = 46, 7kΩ Kuva yllä: Vakiojännitteen vastusketju lisätty

7 3. Symmetriset vahvistinkytkennät ( Erovahvistin ): Esimerkissä käytössä instrumentointivahvistin, jonka vahvistukselle on annettu: Tulosignaalin muutosvahvistuksenhan tuli olla 5. Se tulee olemaan samalla myös instrumentointivahvistimelle tarvittava vahvistus: 00kΩ 00kΩ nstrumentointivahvistimen g:n määrittäminen : = = = kω G 5 5 Etsimällä tulojännitteen, jolla vahvistimen lähtö on nolla, saamme tarvittavan vertailujännitteen:,0v =,0V + 5,0* 0V =,0V + 5,0* = = 0, 5,0 OT 0 ( Tämähän olisi tällä kertaa saatu myös suoraan kuvaajasta ) Tarvittava vertailujännite saadaan referenssijännitteestä kääntävän vahvistimen avulla: Koska ref antovirta on rajallinen (0 00 µ ), on määritettävä ensiksi : EF,5V : 50µ EFout OT 0,0V : = = = 0, 08, = = = ( 0,08)*50kΩ = 4, 0kΩ,5V nstrumentointivahvistimen paikallahan olisi voinut olla myös muuntyyppinen erovahvistin V