Forelesning nr.12 INF 1411 Elektroniske systemer

Transkript

1 Forelesning nr.12 INF 1411 Elektroniske systemer Opamp-kretser Oscillatorer og aktie filtre 1

2 Dagens temaer Komparatorer, addisjon- og subtraksjonskretser Integrasjon og deriasjon med opamp-kretser Oscillator Aktie Spenningsregulator filtre Dagens temaer er hentet fra kapittel

3 Komparatorer Komparatorer Siden sammenligner to inputsignaler og har et outputsignal som stort sett er i metning (ds enten max eller min mulige spenning) man ønsker max/min-type oppførsel bruker man ikke feedback +V Vanlige opamp er kan brukes som komparator, men anligere er det å bruke spesialiserte opamp er som er raskere V in R 1 R 2 V out 3

4 Komparatorer (forts) Eksempel på output fra komparator; maks output-spenning er 13, og referansespenningen er V V = +15 V V in +4.2 V 0 V V in R 1 10 kw - + V out -10 V +13 V R kw V out 0 V -13 V 4

5 Opamp-basert integrator En i opamp-basert integrator produserer et output-signal som er den integrerte a et input-signal, ds den akkumulerte eller summen a input-signalet oer tid Q c C x - out - C d out 1 dq - 1 i dt C dt C in in R i f d -C dt f out out out 1 - RC t 0 in in dt i in R x - + i f C out 5

6 Opamp-basert integrator (forts) Siden His integratoren er basert på en inerterende forsterker il output ære negati (forutsatt at opamp en har både positi og negati forsyningspenning) input er en firkantbølge sentrert rundt 0 il output ære en negati trekantbølge (forutsatt at man ikke går i metning) V in 0 V C V out 0 V in i in R x - + i f out 6

7 Opamp-basert differensiator En opamp-basert differensiator produserer et output-signal som er proporsjonal med den derierte a inputsignalet, ds at den beregner endringen i inputsignalet oer tid iin i f iin - R out f i f R f dq Q C in i dt d in out -RfC dt in C d dt in in C i in x - + out 7

8 Opamp-basert differensiator (forts) His input-signalet er et trekant-signal il output ære et firkantsignal som er negatit når inputsignalet stiger, og positit når input signalet faller (pga inerterende opampkonfigurasjon) i f V in R f V out in C i in x - + out 8

9 Summasjonsforsterker En operasjonsforsterker kan brukes til å summere spenninger og eentuelt skalere input- og output-spenningen Output-spenningen er gitt a 9 ) ( R R R R R R f out 3 a 2 a 1 a f out a

10 Gjennomsnittsberegning His man ønsker å beregne gjennomsnittsspenningen a inputsignalene, må man elge R R f n out out Rf - ( 1 R R - n 1 ( 1 R n ) 3 ) 10

11 Spørsmål Ha Ha Hilken Bruker Hordan Kan Ha Hordan beregner en differensiator? beregner en integrator? funksjon har en komparator? man feedback i en komparator? ser utgangssignalet fra en komparator ut? man bruke en opamp som en komparator? er en summasjonsforsterker? kan man bruke en summasjonsfortserker til å beregne gjennomsnittserdien a inputspenningene? 11

12 Osclillatorer Oscillatorer produserer et repeterende ac-signal basert på et likespennings input-signal Osclillatorer brukes i bla mobiltelefoner, radioutstyr og PC er Oscillatorer inneholder forsterkere (enten enkle transistorer eller opamp er) og positi tilbakekobling som gir både faseskift og dempning Oscillatorer må kunne gi en stabil og konfigurerbar utfrekens 12

13 Positi feedback Positi feedback skjer når en del a outputsignalet føres tilbake som inputsignal uten faseskift 13

14 Positi feedback (forts) To Spenningsforsterkningen betingelser ære tilstede for oscillasjon: Faseskiftet rundt feedback-løkken må ære 0 grader Spenningsforsterkningen A cl rundt den lukkede feedback-løkken må ære 1 A cl er gitt a A cl A B 14

15 Oppstart-betingelser Oscillatorer For basert på en dc foryningsspenning trenger ikke et input-signal for å oscillere å sette igang oscillasjon må forsterkningen rundt den lukkede feedback-løkken ære >1 inntil amplituden på utgangen har nådd det ønskede niået 15

16 Wien-brigde oscillator En Oscillatoren En Wien-brigde oscillator produserer sinussignaler oer et bredt frekensområde med la forrengning består a en «lead-lag» tilbakekoblingskrets og en operasjonsforsterker lead-lag krets fungerer som et høypassfilter etterfulgt a et lapassfilter Resultatet er et båndpassfilter hor max amplitude er 1/3 a V in for resonansfrekensen f r for R 1 =R 2 og X C1 =X C2 16

17 Oscillasjonsfrekensen Kun Wien-brigde oscillator (forts) f r er gitt a 1 f r 2RC ed oscillasjonsfrekensen er fasedreiningen mellom V in og V out 0 o «Lead-lag»- kretsen brukes i den positie feedbacksløyfen, mens en spenningsdeler brukes for å gi negati tilbakekobling 17

18 Wien-bridge Siden Wien-brigde oscillator (forts) oscillatoren kan ses på som en ikke-inerterende forsterker hor tilbakekoblingen kommer ia lead-lag kretsen lead-lag kretsen har et max gain på B=1/3, må opamp en gi en forsterkning på A =3 for at A A B 1 cl R 1 2R 2 A 3 A =3 18

19 Wien-brigde oscillator (forts) For Dette at oscillasjonen skal starte må A >3 initielt kan gjøres ed at R 2 -motstanden arierer med max amplitude på output. Større R 2 gir større V -, som igjen gir mer forsterkning 19

20 Den Når Komponenterdiene Aik Wien-brigde oscillator (forts) ariable motstanden kan implementeres med en JFET, hor gatespenningen reguleres a Vout amplituden på utgangen stiger il JFET en begynne å lede og forsterkningen il synke må apasses nøye slik at A cl =1 i komponenterdiene kan føre til at enten oscillasjonene blir for store elller ingen oscillasjon 20

21 Spørsmål Ha Hor Hor Ha Hor er en oscillator? stort er closed-loop gain i en oscillator ed oppstart? stort er closed-loop gain i en oscillator ed ønsket oscillasjon? bestemmer oscillasjonsfrekensen? stor er fasedreiningen ed oscillasjonsfrekensen? 21

22 Aktie filtre Et Et Den Aktie Forsterkerne Et passit filter består kun a passie komponenter, ds ohmske motstander, spoler og/eller kondensatorer passit filter kan ha maksimalt gain A=1 største ulempen med passie filtre er at de il ha stor dempning også i passområdet his man skal ha bratt «roll-off» filtre består a passie filtre pluss forsterkere (opamper) gjør at man kan både få A=1 i passområdet, samt bratt roll-off filters orden (eller antall poler) sier noe hor bratt roll-off er 22

23 Et Aktit 1.ordens lapassfilter aktit lapassfilter kan lages ed å koble et passit lapassfilter til den ikke-inerterende inngangen på en opamp Et Forholdet 1.ordens lapassfilter har en roll-off på -20dB per dekade, ds at forsterkningen faller med en faktor 10 for 10*f c mellom V out og V in er gitt a Vout XC V 2 2 in R X C 23

24 Aktit 2.ordens lapassfilter Høyereordens For filtre lages ed å koble sammen flere 1.ordens passie lapassfiltre her orden øker roll-off med -20dB, ds at en 2.ordens filter har roll-off på -40dB/dekade 24

25 Aktit 1.ordens høypassfilter Et Siden 1.ordens høpassfilter kan lages ed å koble et passit høypass-filter til den ikke-inerterende inngangen på opampen opampen er koblet som en spenningsfølger, il A=1 i passområdet 25

26 Aktit båndpassfilter Ved å kaskadekoble et høypass- og lapassfilter, og astemme knekkfrekensene, kan man lage et aktit båndpassfilter 26

27 Spørsmål Ha Ha Ha Ha Hor Ha er et passit filter? er et aktit filter? er roll-off? sier et filters orden noe om? stor roll-off har et 1.ordens filter? Et 2.ordens filter? er maksimal gain i passområdet for et passit filter? I et aktit filter? 27

28 Spenningsregulatorer En Spenningsregulatorer spenningsregulator brukes for å lage en presis og stabil spenning på bakgrunn a en ustabil/arierende innspenning («line»), eller for arierende laststrømmer («load») brukes blant annet i powersupply og batteridreen elektronikk V IN Control element V OUT Reference oltage Error detector Sample circuit 28

29 Serieregulatoren Serietransistoren Spenningen Spenningsregulatorer (forts) bruker en komparator for å sammenligne output-spenningen med en referansespenning dropper mer eller mindre spenning slik at outputspenningen holdes konstant på den inerterende inngangen holdes lik V ref pga tilbakekoblingen V R out 2 1 V ref R 3 29

30 Shuntregulatorer Spenningsregulatorer (forts) holder spenningsfallet oer en lastmotstand konstant ed kontrollere spenningsfallet oer en motstand som står i serie med lasten 30

31 Hensikten Spenningsregulatorer (forts) med shuntregulatoren er at spenningen skal ære mest mulig stabil sel om lastmotstanden arierer (eller inputspenningen arierer) 31

32 Spørsmål Ha Hilke Ha Ha Ha Ha Ha Ha er en spenningsregulator? fire deler består en spenningsregulator a? er kontrolldelens oppgae? er sample-delens oppgae er refereansedelens oppgae? er feildetektorens oppgae? er en linjeregulators funksjon? er en lastregulators funksjon? 32