Forelesning nr.12 INF 1411 Elektroniske systemer Opamp-kretser Oscillatorer og aktie filtre
Dagens temaer Komparatorer, addisjon- og subtraksjonskretser Integrasjon og deriasjon med opamp-kretser Oscillator Aktie filtre Spenningsregulator Dagens temaer er hentet fra kapittel 18.1-18.6 24.04.2017 INF 1411 2
Komparatorer Komparatorer sammenligner to inputsignaler og har et outputsignal som er i metning (ds. 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 anligere er det å bruke spesialiserte opamp er som er raskere V in R 2 24.04.2017 INF 1411 3
Komparatorer (forts) Eksempel på komparator; maks output-spenning er 13, og V ref =4.2 +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 24.04.2017 INF 1411 4
Integrator med opamp En integrator produserer et output-signal som er den integrerte a et input-signal, ds. summen a input-signalet oer tid Q c C x - out - C d out 1 dq - 1 i dt C dt C f out in i in R x - + i f C out i in R in i f -C d dt out out - 1 RC t 0 in dt 24.04.2017 INF 1411 5
Integrator med opamp (forts) Siden integratoren er en inerterende forsterker il output ære negati (forutsatt positi og negati forsyningspenning) His 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 24.04.2017 INF 1411 6
Differensiator med opamp En differensiator lager et output-signal som er proporsjonalt med den derierte a inputsignalet, ds. endringen i inputsignalet oer tid i in =i f i f = - R out f i f R f dq Q Cin C dt din out -R fc dt d dt in i in in C i in x - + out 24.04.2017 INF 1411 7
Differensiator med opamp (forts) His input er et trekant-signal il output ære et negatit firkantsignal når inputsignalet stiger, og positit når input signalet faller (inerterende) i f V in R f V out in C i in x - + out 24.04.2017 INF 1411 8
Summasjonsforsterker En operasjonsforsterker kan brukes til å summere spenninger og eentuelt skalere dem Output-spenningen er gitt a 24.04.2017 INF 1411 9 ) ( R R R R R R 3 2 1 f out 3 a 2 a 1 a f out a - - - - - 0
Gjennomsnittsberegning His man ønsker å beregne gjennomsnittsspenningen a inputsignalene, må R R f n out out Rf - ( R R - n R 1 1 ( n 1 2 2 3 ) 3 ) 24.04.2017 INF 1411 10
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 positi tilbakekobling som gir både faseskift og dempning Oscillatorer må produsere en stabil og konfigurerbar utfrekens 24.04.2017 INF 1411 11
Positi feedback Positi feedback skjer når en del a outputsignalet føres tilbake som inputsignal uten faseskift 24.04.2017 INF 1411 12
Positi feedback (forts) To betingelser må ære tilstede for oscillasjon: Faseskift =0 grader rundt feedback-løkken Spenningsforsterkning A cl =1 rundt feedback-løkken A A B Spenningsforsterkningen A cl er gitt a cl 24.04.2017 INF 1411 13
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 ære >1 helt til amplituden har nådd det ønskede niået 24.04.2017 INF 1411 14
Wien-brigde oscillator En Wien-brigde oscillator genererer sinussignaler oer et bredt frekensområde med la forrengning Oscillatoren består a en «lead-lag» tilbakekobling og en opamp En lead-lag krets fungerer som et høypassfilter etterfulgt a et lapassfilter Dette gir et båndpassfilter med amplitude 1/3 a V in for resonans (oscillasjons)- frekensen f r når R 1 =R 2 og X C1 =X C2 24.04.2017 INF 1411 15
Wien-brigde oscillator (forts) Oscillasjonsfrekensen f r er gitt a f r 2RC Kun ed oscillasjonsfrekensen er fasedreiningen mellom V in og V out 0 grader «Lead-lag»-kretsen brukes i den positie feedback-sløyfen, og en spenningsdeler gir negati tilbake-kobling 1 24.04.2017 INF 1411 16
Wien-brigde oscillator (forts) Wien-bridge oscillatoren kan ses på som en ikkeinerterende forsterker hor tilbakekoblingen kommer ia lead-lag kretsen Siden 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 24.04.2017 INF 1411 17
Wien-brigde oscillator (forts) For å starte oscillasjonen må A >3 til å begynne med Dette kan gjøres ed at R 2 -motstanden arierer med max amplitude på output. Større R 2 gir større V -, som igjen gir mer forsterkning 24.04.2017 INF 1411 18
Wien-brigde oscillator (forts) Variabel motstand kan implementeres med en JFET, hor gatespenningen reguleres a Vout Når amplituden på utgangen stiger il JFET en begynne å lede og forsterkningen il synke Komponenterdiene må apasses nøye slik at A cl =1 Aik i komponenterdiene kan føre til at enten oscillasjonene blir for store (metning) elller ingen oscillasjon 24.04.2017 INF 1411 19
Aktie filtre Et passit filter består kun a passie komponenter (resistorer, kondensatorer og/eller spoler) Et passit filter kan ha maksimalt gain A=1 Den største ulempen med passie filtre er at de il ha stor dempning også i passområdet his man skal ha bratt «roll-off» Aktie filtre består a passie 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 hor bratt roll-off er 24.04.2017 INF 1411 20
Aktit 1.ordens lapassfilter Et aktit lapassfilter kan lages ed å koble et passit lapass-filter til den ikke-inerterende inngangen på en opamp Et 1.ordens lapassfilter har en roll-off på -20dB per dekade, ds forsterkningen faller med en faktor 10 for 10*f c Forholdet mellom V out og V in er gitt a Vout XC V 2 2 in R XC 24.04.2017 INF 1411 21
Aktit 2.ordens lapassfilter Høyereordens filtre lages ed å koble sammen flere 1.ordens filtre For her orden øker roll-off med -20dB: et 2.ordens filter har rolloff på -40dB/dekade 24.04.2017 INF 1411 22
Aktit 1.ordens høypassfilter Et 1.ordens høypassfilter kan lages ed å koble et passit høypass-filter til den ikke-inerterende inngangen på opampen Siden opampen er koblet som en spenningsfølger, il A=1 i passområdet 24.04.2017 INF 1411 23
Aktit båndpassfilter Ved å kaskadekoble et høypass- og lapassfilter, og astemme knekkfrekensene, kan man lage et aktit båndpassfilter 24.04.2017 INF 1411 24
Spenningsregulatorer En spenningsregulator lager en presis og stabil spenning på bakgrunn a en ustabil/arierende innspenning («line»), eller for arierende laststrømmer («load») Spenningsregulatorer brukes blant annet i powersupply og batteridreen elektronikk V IN Control element V OU T Reference oltage Error detector Sample circuit 24.04.2017 INF 1411 25
Spenningsregulatorer (forts) Serieregulatoren bruker en komparator for å sammenligne utgangsspenningen med en referansespenning Serietransistoren dropper mer eller mindre spenning slik at utgangsspenningen holdes konstant Spenningen på den inerterende inngangen holdes lik V ref pga tilbakekoblingen V R out 2 1 V ref R 3 24.04.2017 INF 1411 26
Spenningsregulatorer (forts) Shuntregulatorer holder spenningsfallet oer en lastmotstand konstant ed å kontrollere spenningsfallet oer en motstand som står i serie med lasten 24.04.2017 INF 1411 27
Spenningsregulatorer (forts) Hensikten med shuntregulatoren er at spenningen skal ære mest mulig stabil sel om lastmotstanden eller inputspenningen arierer 24.04.2017 INF 1411 28
5. Obligatoriske labøelse Tema: Transistorkarakteristikker, forsterker med BJT og opamp-forsterkere Formål: Bli bedre kjent med sammenhengen mellom strøm, spenning, forsterkning og motstandserdier i BJT og ulike transistorer Man må ha lest teorien rundt BJT og operasjonsforsterkere på forhånd Innleeringsfrist fredag 5.mai kl. 23.59 24.04.2017 INF 1411 29
Kapittel 19.1-19.6 Oppsummeringsspørsmål 24.04.2017 INF 1411 30
Spørsmål 1 Utgangen på en komparator opererer stort sett i? a) Det lineære området b) Metning c) Breakdown d) Cutoff 24.04.2017 INF 1411 31
Spørsmål 2 Hilket utsagn er FEIL? En opamp-basert integrator a) Gir et output-signal som er summen a input-signalet oer tid b) Gir et output-signal som er den akkumulerte a inputsignalet oer tid c) Gir et output-signal som er er den integrerte a inputsignalet oer tid d) Gir et output signal som er den inerterte a input-signalet 24.04.2017 INF 1411 32
Spørsmål 3 En opamp-basert deriator beregner a) Summen a input-signalet oer tid b) Den akkumulerte erdien a input-signalet oer tid c) Endringen i input-signalet oer tid d) Den integrerte a input-signalet oer tid 24.04.2017 INF 1411 33
Spørsmål 4 En oscillator a) Skifter dc-erdien til et input signal b) Adderer to ac-signaler c) Produserer et ac-signal med en bestemt frekens d) Produserer et ac-signal med fast dc-offset og konfigurerbar amplitude 24.04.2017 INF 1411 34
Spørsmål 5 Positi feedback il si at a) En del a input-signalet fasedreies 180 grader og adderes til outputsignalet b) En del a output-signalet fasedreies 180 grader og adderes til input-signalet c) En del a output-signalet fasedreies 90 grader og adderes til input-signalet d) En del output-signalet adderes til input-signalet uten fasedreining 24.04.2017 INF 1411 35
Spørsmål 6 Ett a 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 24.04.2017 INF 1411 36
Spørsmål 7 Et aktit filter a) Har mindre dempning i passområdet enn et passit filter b) Har slakere roll-off enn et passit filter c) Kan ikke ha gain (A) større enn 1 d) Har mindre dempning i passområdet enn et passit filter for samme roll-off 24.04.2017 INF 1411 37