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

Like dokumenter
Forelesning nr.12 INF 1411 Elektroniske systemer. Opamp-kretser Oscillatorer og aktive filtre

Forelesning nr.12 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer

FYS1210 Løsningsforslag. Eksamen V2015

Forelesning nr.7 INF 1411 Elektroniske systemer. Tidsrespons til reaktive kretser Integrasjon og derivasjon med RC-krester

Forelesning nr.7 INF 1411 Elektroniske systemer. Tidsrespons til reaktive kretser Integrasjon og derivasjon med RC-krester

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer. Måleteknikk Operasjonsforsterkere

Forelesning nr.6 INF Operasjonsforsterker Fysiske karakteristikker og praktiske anvendelser

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer. Måleteknikk Operasjonsforsterkere

Forelesning nr.11 INF 1411 Elektroniske systemer. Måleteknikk Operasjonsforsterkere

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer. Anvendelser av RC-krester Spoler og RL-kretser

Forelesning nr.6 IN 1080 Elektroniske systemer. Strøm, spenning og impedans i RC-kretser Anvendelser av RC-krester

Fasit og sensorveiledning eksamen INF1411 våren Oppgave 1 Strøm, spenning, kapasitans og resistans (Vekt 20 %) A) B) Figur 1

UNIVERSITETET I OSLO

«OPERASJONSFORSTERKERE»

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer. Anvendelser av RC-krester Spoler og RL-kretser

g m = I C / V T g m = 1,5 ma / 25 mv = 60 ms ( r π = β / g m = 2k5 )

Eksamen i Elektronikk 24. Mai Løsningsforslag Knut Harald Nygaard

Oppsummering. BJT - forsterkere og operasjonsforsterkere

Fasit og sensorveiledning eksamen INF1411 våren Oppgave 1 Strøm, spenning, kapasitans og resistans (Vekt 20 %) A) B) Figur 1

Forelesning nr.6 INF 1411 Elektroniske systemer. Anvendelser av RC-krester Spoler og RL-kretser

LAB 7: Operasjonsforsterkere

Forslag til løsning på Eksamen FYS1210 våren 2004

UNIVERSITETET I OSLO

Forslag til løsning på eksamen i FYS1210 våren 2005 side 1. Fig.1 viser et nettverk med to 9 volt batterier og 4 motstander, - alle på 1kΩ.

Forslag B til løsning på eksamen FYS august 2004

«OPERASJONSFORSTERKERE»

Forslag til løsning på eksamen i FY Forslag til løsning på eksamen i F -IN 204 og FY108 våren 2003.

g m = I C / V T = 60 ms r π = β / g m = 3k3

Forelesning nr.10 INF 1411 Elektroniske systemer. Felteffekt-transistorer

g m = I C / V T g m = 1,5 ma / 25 mv = 60 ms ( r π = β / g m = 3k3 )

Lab 7 Operasjonsforsterkere

UNIVERSITETET I OSLO.

Forslag til løsning på eksamen FYS1210 våren Oppgave 1

Figur 1. 1e) Uten tilkopling på inngangene A og B - Hva er spenningen på katoden til dioden D1? 1,4 volt

Forelesning nr.10 INF 1411 Elektroniske systemer

FYS1210 Løsningsforslag Eksamen V2015

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

«OPERASJONSFORSTERKERE»

Prøveeksamen 1. Elektronikk 8.feb Løsningsforslag

FYS1210 Løsningsforslag Eksamen V2018

Forslag til løsning på Eksamen FYS1210 våren 2008

Eivind, ED0 Ingeniørfaglig yrkesutøvelse og arbeidsmetoder Individuell fremføring

UNIVERSITETET I OSLO.

01-Passivt Chebychevfilter (H00-4)

Forelesning nr.5 INF 1410

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Studere en Phase Locked Loop IC - LM565

303d Signalmodellering: Gated sinus a) Finn tidsfunksjonen y(t) b) Utfør en Laplace transformasjon og finn Y(s)

Løsningsforslag eksamen inf 1410 våren 2009

FYS1210 Løsningsforslag Eksamen V2017

Ny/Utsatt eksamen i Elektronikk 2. August Løsningsforslag Knut Harald Nygaard

Løsningsforslag til eksamen FY108 høsten 2003

Forslag til løsning på eksamen FYS1210 våren 2010

UNIVERSITETET I OSLO.

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Studere en Phase Locked Loop IC - NE565

Innhold Oppgaver om AC analyse

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Forslag til løsning på eksame n FY-IN 204 våren 2002

UNIVERSITETET I OSLO

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

INF1411 Obligatorisk oppgave nr. 3

Figur 1 viser et nettverk med et batteri på 18 volt, 2 silisiumdioder og 4 motstander.

FYS1210. Repetisjon 2 11/05/2015. Bipolar Junction Transistor (BJT)

UNIVERSITETET I OSLO

LABORATORIEØVELSE B FYS LINEÆR KRETSELEKTRONIKK 1. LAPLACE TRANSFORMASJON 2. AC-RESPONS OG BODEPLOT 3. WIENBROFILTER

Forelesning nr.7 IN 1080 Elektroniske systemer. Spoler og induksjon Praktiske anvendelser Nøyaktigere modeller for R, C og L

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

EKSAMEN Løsningsforslag Emne: Fysikk og datateknikk

Oppgaven må gis etter at vi har gjennomgått bodeplot for resonanskretser. Anta at opampen er ideell og kun fungerer som en ren forsterker Rf

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Forslag til løsning på eksamen FYS1210 V-2007 ( rev.2 )

Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Forelesning nr.14 INF 1410

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

FYS Forslag til løsning på eksamen våren 2014

Studere en Phase Locked Loop IC - LM565

UNIVERSITETET I OSLO.

UNIVERSITETET I OSLO.

UNIVERSITETET I OSLO

Forslag til løsning på eksamen FYS1210 høsten 2005

Contents. Oppgavesamling tilbakekobling og stabilitet. 01 Innledende oppgave om ABC tilbakekobling. 02 Innledende oppgave om Nyquist diagram

INF1411 Obligatorisk oppgave nr. 4

Operasjonsforsterkeren

Løsningsforslag Elektronikk 1 (LO342E) høst 2006 eksamen 1. desember, 3timer

Forelesning nr.9 INF 1411 Elektroniske systemer. Transistorer MOSFET Strømforsyning

Forelesning nr.9 INF 1411 Elektroniske systemer

INF1411 Oblig nr. 4 Vår 2011

Forelesning nr.9 INF 1411 Elektroniske systemer. Transistorer

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO.

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

Ny og utsatt eksamen i Elektronikk 28. Juli Løsningsforslag Knut Harald Nygaard

UNIVERSITETET I OSLO.

Lab 3: AC og filtere - Del 1

Transkript:

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

Dagens temaer Komparatorer, addisjon- og subtraksjonskretser Integrasjon og derivasjon med opamp-kretser Oscillator Aktive filtre Spenningsregulator Dagens temaer er hentet fra kapittel 18.1-18.6 14.04.2015 INF 1411 2

Komparatorer Komparatorer sammenligner to inputsignaler og har et outputsignal som er i metning (dvs. enten max eller min) Siden man ønsker max/min-type oppførsel bruker man ikke feedback +V R 1 V out Vanlige opamp er kan brukes som komparator, men vanligere er det å bruke spesialiserte opamp er som er raskere V in R 2 14.04.2015 INF 1411 3

Komparatorer (forts) Eksempel på komparator; maks output-spenning er 13v, og Vref=4.2v +10 V V = +15 V V in +4.2 V 0 V V in R 1 10 kw - + V out -10 V +13 V R 2 3.9 kw V out 0 V -13 V 14.04.2015 INF 1411 4

Integrator med opamp En integrator produserer et output-signal som er den integrerte av et input-signal, dvs. summen av input-signalet over tid Q vc vc v x - vout -v C dv out 1 dq - 1 i dt C dt C f out v in i in R v x i f C - + v out i in v R in i f -C dv dt out v out - 1 RC t 0 v in dt 14.04.2015 INF 1411 5

Integrator med opamp (forts) Siden integratoren er en inverterende forsterker vil output være negativ (forutsatt positiv og negativ forsyningspenning) Hvis input er en firkantbølge sentrert rundt 0v vil output være en negativ trekantbølge (forutsatt at man ikke går i metning) V in 0 V C V out 0 V v in i in R v x - + i f v out 14.04.2015 INF 1411 6

Differensiator med opamp En differensiator lager et output-signal som er proporsjonalt med den deriverte av inputsignalet, dvs endringen i inputsignalet over tid i in =i f i f = - v R out f i f R f dq Q Cv in i dt dv in vout -RfC dt in C dv dt in v in C i in v x - + v out 14.04.2015 INF 1411 7

Differensiator med opamp (forts) Hvis input er et trekant-signal vil output være et negativt firkantsignal når inputsignalet stiger, og positivt når input signalet faller (inverterende) i f V in R f V out v in C i in v x - + v out 14.04.2015 INF 1411 8

Summasjonsforsterker En operasjonsforsterker kan brukes til å summere spenninger og eventuelt skalere dem Output-spenningen er gitt av 14.04.2015 INF 1411 9 ) v v (v R R v R v v R v v R v v R v v 3 2 1 f out 3 a 2 a 1 a f out a - - - - - 0

Gjennomsnittsberegning Ønsker å beregne gjennomsnittsspenningen av inputsignalene, må R R f n v v out out Rf - (v R R - n R 1 1 (v n v 1 2 v v 2 3 ) v 3 ) 14.04.2015 INF 1411 10

Spørsmål Hva beregner en differensiator? Hva beregner en integrator? Hvilken funksjon har en komparator? Bruker man feedback i en komparator? Hvordan ser utgangssignalet fra en komparator ut? Kan man bruke en opamp som en komparator? Hva er en summasjonsforsterker? Hvordan kan man bruke en summasjonsfortserker til å beregne gjennomsnittsverdien av inputspenningene? 14.04.2015 INF 1411 11

Osclillatorer Oscillatorer produserer et repeterende ac-signal basert på et likespennings input-signal Oscillatorer brukes i bla mobiltelefoner, radioutstyr og PC er Oscillatorer inneholder forsterkere og positiv tilbakekobling som gir både faseskift og dempning Oscillatorer må gi en stabil og konfigurerbar utfrekvens 14.04.2015 INF 1411 12

Positiv feedback Positiv feedback skjer når en del av outputsignalet føres tilbake som inputsignal uten faseskift 14.04.2015 INF 1411 13

Positiv feedback (forts) To betingelser må være tilstede for oscillasjon: Faseskift =0 grader rundt feedback-løkken Spenningsforsterkning A cl =1 rundt feedback-løkken A A B Spenningsforsterkningen A cl er gitt av cl v 14.04.2015 INF 1411 14

Oppstart-betingelser Oscillatorer basert på en dc-spenning trenger ikke inputsignal for å oscillere Men for å starte oscillasjon må forsterkningen rundt den lukkede feedback-løkken være >1 helt til amplituden har nådd det ønskede nivået 14.04.2015 INF 1411 15

Wien-brigde oscillator En Wien-brigde oscillator genererer sinus over et bredt frekvensområde med lav forvrengning Oscillatoren består av en «lead-lag» tilbakekobling og en opamp En lead-lag krets fungerer som et høypassfilter etterfulgt av et lavpassfilter Dette gir et båndpassfilter med amplitude 1/3 av V in for resonans (oscillasjons)- frekvensen f r når R 1 =R 2 og X C1 =X C2 14.04.2015 INF 1411 16

Wien-brigde oscillator (forts) Oscillasjonsfrekvensen f r er f r 2RC Kun ved oscillasjonsfrekvensen er fasedreiningen mellom V in og V out 0 grader «Lead-lag»-kretsen brukes i den positive feedback-sløyfen, og en spenningsdeler gir negativ tilbake-kobling 1 14.04.2015 INF 1411 17

Wien-brigde oscillator (forts) Wien-bridge oscillatoren kan ses på som en ikkeinverterende forsterker hvor tilbakekoblingen kommer via lead-lag kretsen Siden lead-lag kretsen har et max gain på B=1/3, må opamp en gi en forsterkning på A v =3 for at A A B 1 cl v R 1 2R 2 Av 3 14.04.2015 INF 1411 18

Wien-brigde oscillator (forts) For å starte oscillasjonen må A v >3 til å begynne med Dette kan gjøres ved at R 2 -motstanden varierer med max amplitude på output. Større R 2 gir større V -, som igjen gir mer forsterkning 14.04.2015 INF 1411 19

Wien-brigde oscillator (forts) Variabel motstand kan implementeres med en JFET, hvor gatespenningen reguleres av Vout Når amplituden på utgangen stiger vil JFET en begynne å lede og forsterkningen vil synke Komponentverdiene må avpasses nøye slik at A cl =1 Avvik i komponentverdiene kan føre til at enten oscillasjonene blir for store (metning) elller ingen oscillasjon 14.04.2015 INF 1411 20

Spørsmål Hva er en oscillator? Hvor stort er closed-loop gain i en oscillator ved oppstart? Hvor stort er closed-loop gain i en oscillator ved ønsket oscillasjon? Hva bestemmer oscillasjonsfrekvensen? Hvor stor er fasedreiningen ved oscillasjonsfrekvensen? 14.04.2015 INF 1411 21

Aktive filtre Et passivt filter består kun av passive komponenter (R, C og L) Et passivt filter kan ha maksimalt gain A=1 Den største ulempen med passive filtre er at de vil ha stor dempning også i passområdet hvis man skal ha bratt «roll-off» Aktive filtre består av passive filtre pluss forsterkere Forsterkning gjør at man kan både få A=1 i passområdet, og bratt roll-off Et filters orden (eller antall poler) sier noe hvor bratt roll-off er 14.04.2015 INF 1411 22

Aktivt 1.ordens lavpassfilter Et aktivt lavpassfilter kan lages ved å koble et passivt lavpass-filter til den ikke-inverterende inngangen på en opamp Et 1.ordens lavpassfilter har en roll-off på -20dB per dekade, dvs Forholdet forsterkningen faller med en faktor 10 for 10*f c mellom V out og V in er gitt av Vout V 2 2 in R XC 14.04.2015 INF 1411 23 X C

Aktivt 2.ordens lavpassfilter Høyereordens filtre lages ved å koble sammen flere 1.ordens filtre For hver orden øker roll-off med -20dB: et 2.ordens filter har rolloff på -40dB/dekade 14.04.2015 INF 1411 24

Aktivt 1.ordens høypassfilter Et 1.ordens høypassfilter kan lages ved å koble et passivt høypass-filter til den ikke-inverterende inngangen på opampen Siden opampen er koblet som en spenningsfølger, vil A=1 i passområdet 14.04.2015 INF 1411 25

Aktivt båndpassfilter Ved å kaskadekoble et høypass- og lavpassfilter, og avstemme knekkfrekvensene, kan man lage et aktivt båndpassfilter 14.04.2015 INF 1411 26

Spørsmål Hva er et passivt filter? Hva er et aktivt filter? Hva er roll-off? Hva sier et filters orden noe om? Hvor stor roll-off har et 1.ordens filter? Et 2.ordens filter? Hva er maksimal gain i passområdet for et passivt filter? I et aktivt filter? 14.04.2015 INF 1411 27

Spenningsregulatorer En spenningsregulator lager en presis og stabil spenning på bakgrunn av en ustabil/varierende innspenning («line»), eller for varierende laststrømmer («load») Spenningsregulatorer brukes blant annet i powersupply og batteridreven elektronikk V IN Control element V OU T Reference voltage Error detector Sample circuit 14.04.2015 INF 1411 28

Spenningsregulatorer (forts) Serieregulatoren bruker en komparator for å sammenligne output-spenningen med en referansespenning Serietransistoren dropper mer eller mindre spenning slik at outputspenningen holdes konstant Spenningen på den inverterende inngangen holdes lik V ref pga tilbakekoblingen V R out 2 1 V ref R 3 14.04.2015 INF 1411 29

Spenningsregulatorer (forts) Shuntregulatorer holder spenningsfallet over en lastmotstand konstant ved kontrollere spenningsfallet over en motstand som står i serie med lasten 14.04.2015 INF 1411 30

Spenningsregulatorer (forts) Hensikten med shuntregulatoren er at spenningen skal være mest mulig stabil selv om lastmotstanden eller inputspenningen varierer 14.04.2015 INF 1411 31

Spørsmål Hva er en spenningsregulator? Hvilke fire deler består en spenningsregulator av? Hva er kontrolldelens oppgave? Hva er sample-delens oppgave Hva er refereansedelens oppgave? Hva er feildetektorens oppgave? Hva er en linjeregulators funksjon? Hva er en lastregulators funksjon? 14.04.2015 INF 1411 32

5. Obligatoriske labøvelse Tema: Transistorkarakteristikker, forsterker med BJT og opamp-forsterkere Formål: Bli bedre kjent med sammenhengen mellom strøm, spenning, forsterkning og motstandsverdier i BJT og ulike transistorer Man må ha lest teorien rundt BJT og operasjonsforsterkere på forhånd Svært relevante oppgaver med tanke på eksamen Innleveringsfrist 27.april 14.04.2015 INF 1411 33

Kapittel 19.1-19.6 Oppsummeringsspørsmål 14.04.2015 INF 1411 34

Spørsmål 1 Utgangen på en komparator opererer stort sett i? a) Det lineære området b) Metning c) Breakdown d) Cutoff 14.04.2015 INF 1411 35

Spørsmål 2 Hvilket utsagn er FEIL? En opamp-basert integrator a) Gir et output-signal som er summen av input-signalet over tid b) Gir et output-signal som er den akkumulerte av inputsignalet over tid c) Gir et output-signal som er er den integrerte av inputsignalet over tid d) Gir et output signal som er den inverterte av input-signalet 14.04.2015 INF 1411 36

Spørsmål 3 En opamp-basert derivator beregner a) Summen av input-signalet over tid b) Den akkumulerte verdien av input-signalet over tid c) Endringen i input-signalet over tid d) Den integrerte av input-signalet over tid 14.04.2015 INF 1411 37

Spørsmål 4 En oscillator a) Skifter dc-verdien til et input signal b) Adderer to ac-signaler c) Produserer et ac-signal med en bestemt frekvens d) Produserer et ac-signal med fast dc-offset og konfigurerbar amplitude 14.04.2015 INF 1411 38

Spørsmål 5 Positiv feedback vil si at a) En del av input-signalet fasedreies 180 grader og adderes til outputsignalet b) En del av output-signalet fasedreies 180 grader og adderes til input-signalet c) En del av output-signalet fasedreies 90 grader og adderes til input-signalet d) En del output-signalet adderes til input-signalet uten fasedreining 14.04.2015 INF 1411 39

Spørsmål 6 Ett av kriteriene for at oscillasjon skal finne sted er at a) Spenningsforsterkningen rundt den lukkede feedbackløkken er 1 b) Spenningsforsterkningen rundt den lukkede feedbackløkken er ekte større enn 1 c) Spenningsforsterkningen rundt den lukkede feedbackløkken er mindre enn 1 d) Faseskiftet rundt feedback-løkken er 180 grader 14.04.2015 INF 1411 40

Spørsmål 7 Et aktivt filter a) Har mindre dempning i passområdet enn et passivt filter b) Har slakere roll-off enn et passivt filter c) Kan ikke ha gain (A) større enn 1 d) Har mindre dempning i passområdet enn et passivt filter for samme roll-off 14.04.2015 INF 1411 41