Forelesning nr.6 INF Operasjonsforsterker Fysiske karakteristikker og praktiske anvendelser

Transkript

1 Forelesning nr.6 INF 1410 Operasjonsforsterker Fysiske karakteristikker og praktiske anendelser

2 Oersikt dagens temaer Kretsekialent for opamp Fysiske begrensinger Common-mode rejection Komparatorer Metning Input offset spenning Slew rate og instrumenteringsforsterker INF

3 Kretsmodell En enkel opamp-modell består a to motstander og en spenningskontrollert spenningskilde: Mao: En opamp er en spenningskontrollert spenningskilde INF

4 Kretsmodell (forts) Med denne modellene er det tre parametre som klassifiserer opampen: Inngangsresistansen i For Utgangsmotstanden Forsterkningen Spesialiserte Utgangsresistansen o Forsterkningen A en fysisk opamp er inngangsmotstanden i typisk MΩ eller større o er noen få Ohm (open-loop, ds opamp en alene) er anligis fra 10 5 og større opamp er kan ha helt andre erdier INF

5 Kretsmodell (forts) Fra den enkle modellen kan man utlede de to ideelle opampreglene (repetisjon): Det er ingen spenningsforskjell mellom inngangsterminalene Det går ingen strøm inn i inngangsterminalene Utgangsspeninngen er gitt a out A d d A out His A er sært stor, il derfor d bli sært liten, siden out ikke kan ære høyere enn spenningsforsyningen INF

6 Kretsmodell (forts) Inngangsstrømmen Siden i in er gitt a i in d i out A i out er oppad begrenset a forsyningsspenningen (som betyr at d er liten), il i in ære liten når i er stor Ut fra opamp-modellen kan man utlede utgangsstrømmen: out A d i out o INF

7 Kretsmodell (forts) His utgangsmotstanden o er større enn 0, il outputspenningen out synke når utgangsstrømmen i out øker En ideell opamp bør derfor ha utgangsmotstand=0 I praktiske kretser er det iktig at utgangsmotstanden i forhold til lastmotstanden er så liten som mulig slik at det ikke blir spenningsfall som er for mye ahengig a utgangsstrømmen INF

8 Common-mode rejection Utgangsspenningen I er proporsjonalt ahengig a spenningsforskjellen mellom inngangsterminalene en ideell opamp en il en felles spenningskomponent ikke påirke utgangssignalet: I en fysisk opamp il en felles spenningskomponent påirke utgangssignalet Common-mode forsterkning (gain) er definert som A CM ocm CM der ocm er utgangsspenningen når inngangen er 1 = 2 = CM INF

9 Common-mode rejection Common-mode rejection ratio CM er definert som forholdet mellom gain i differensiell og common modus CM A A CM CM oppgis ofte på decibelskala (logartimisk skala) CM (db) 20log Oppgitt i decibel il en dobling a CM innebære en økning på 6 10 A A CM db INF

10 Metning (saturation) Metning er et ikke-lineært fenomen som opptrer når økning a inngangsspenningen ikke lenger gir økning i utgangsspenningen Utgangsspenningen fra en opamp kan aldri oerstige forsynings-spenningen (forsterkningen er derfor i praksis begrenset) Transistorene som drier output i opamp en har et konstant spenningsfall som gjør at maks utgangsspenning ligger under maks forsyningsspenning INF

11 Metning (forts.) Når opamp en er i metning, opererer den utenfor det lineære området. Oergangen fra lineært område til metning er ikke nødendigis symmetrisk, ds V lin V sat lin sat Den positie og negatie metningsspenningen er heller ikke alltid like, ds V max V sat max sat INF

12 Input offset-spenning His I Denne Opamp er inngangsterminalene er koblet sammen il d =0, og dermed out =0, his opamp en er ideell praksis il imidlertid out 0 når d =0 effekten kalles for input offset spenning er utstyrt med to ekstra terminaler slik at offset spenningen kan justeres til INF

13 Slew rate Slew rate er et mål på hor raskt utgangssignalet klarer å endre seg når inngangssignalet endrer seg Slew rate måles i olt per sekund på utgangen Ulike opamp er har ulike slew rates Opamp er som har høy maksimal output-spenning il typisk ha la slew-rate Slew rate il bestemme ha som er opamp ens båndbredde, ds anendelige frekensområde INF

14 Slew rate (forts) INF

15 Mer presis modell Ahengig a halleder-teknologi il man også se andre type aik fra den ideelle modellen, bla asymmetrisk inngangsstrøm Noen opamp er er laget med transistorer som trekker strøm på inngangen (gate n) i i i b1 i b2 2 os Tar høyde for at inngangsstrømmene kan ære asymmetriske INF

16 Mer presis modell (forts) En mer komplett modell ser derfor slik ut: Modellen er imidlertid mer komplisert å regne med INF

17 Eksempel med mer presis modell Skal analysere en inerterende forsterker: out f 1 in 5 in 1 f Bruker nå den mer nøyaktige modellen: For å finne bidraget fra offset-kildene, brukes superposisjon INF

18 Eksempel med mer presis modell (forts) Superposisjon: For å finne bidraget fra en bestemt kilde, kortsluttes de andre spenningskildene og strømkildene åpnes Starter med å finne bidraget fra fra input offset spenningen Ved å eliminere de andre kildene får man en ikke-inerterende forsterker: o 1 50kΩ 10kΩ os 6 os INF

19 Eksempel med mer presis modell (forts) Offsetstrøm på den inerterende inngangen i Offsetstrøm på den ikke-inerterende inngangen b1 o 50kΩ 0 i b2 0 o o 50kΩ 0 i b1 Totalt bidrag fra alle offset-kildene blir o 5 in 6 os 50kΩ i b INF

20 Eksempel med mer presis modell (forts) Setter inn erdier for en faktisk opamp ( A741), som har os 5mV i os 500nA Maksimalt bidrag fra ikke-ideelle effekter på utgangsspeningen blir da offset 6 os 50kΩ i b1 55mV Ahengig a bruksområdet kan dette ære et betydelig aik INF

21 Komparator og instrumenteringsforsterker Opamp er brukes anligis to mulige konfigurasjoner: Closed-loop: negati tilbakekobling reduserer eller fjerner temperaturahengigheter, komponentaik etc Open-loop: begge inngangene dries a eksterne inputsignaler En komparator sammenligner erdiene på to inputsignaler og er eksempel på open-loop konfigurasjon Siden open-loop gain ofte er sært høy (10 5 eller mer), il output nesten alltid befinne seg i en a metningsregionene, med mindre de to inputsignalene er tilnærmet like INF

22 Komparator Eksemplet iser en komparator som som sammenligner in med en 2.5V referansespenning INF

23 Komparator (forts) Komparatoren har et lite dynamisk område (±120 µv) og opererer nesten aldri i det lineære området. Kretsen kan også ses på som en enkel AD-konerter: Omformer et sinussignal til et digitalt signal med samme frekens INF

24 Instrumenteringsforsterker En instrumenteringsforsterker brukes til å forsterke opp små differensielle signaler, ofte med en stor commonmode komponent i innsignalene I motsetning til komparatoren il instrumenteringsforsterkeren operere i det lineære området INF

25 Instrumenteringsforsterker (forts.) For å fjerne common-mode komponenten må motstandserdiene tilpasses: Dette gir at INF x 3 x 2 out x 1 x out 4 3 x

26 Instrumenteringsforsterker (forts.) 1 K d I tilfellet hor reduseres uttrykket for forsterkningen seg til K For at en instrumenteringsforsterker skal ære anendelig som en integrert krets, må man kunne sette K, f.eks med en ytre motstand, slik ist i fig b) På integrerte kretser kan man også lage spenningsstyrte motstander. Her il interallet som kan settes ære mer begrenset enn om man benytter en ekstern motstand INF

27 Design a opamp er Med bipolare transistorer (strømkontrollert strømkilde) INF

28 Design a opamp er Med FET transistorer (spenningskontrollert strømkilde) INF