Förstärkare Ingångsresistans Utgångsresistans Spänningsförstärkare, v v Transadmittansförstärkare, i v Transimpedansförstärkare, v i

Transkript

1 Elektronk för D Bertl Larsson Sammanfattnng föreläsnng 15 Mål Få en förståelse för förstärkare på ett generellt plan. Kunna beskrva olka typer av förstärkare och krav på dessa. Kunna förstå och rta upp nverterandeoch cke nverterande spännngsförstärkare med OPn och kunna ta fram förstärknng för andra OP-kopplngar med hjälp av kretsteor och OPns approxmatoner. Förstärkare En krets som består av en n-port (nput) och en ut-port (output) kallas för en två-port. Det specella med en två-port är att den nte har någon annan kopplng mellan n och ut än just förstärknngen. Inströmmen går alltså endast ngången och utströmmen endast utgången, se högra delen gur 2. Kvoten mellan nsgnalen och utsgnalen kallas förstärknng och kan vara enhetslös, A = v ut /v n, eller ha enhet, A = ut /v n. Om A är mndre än 1 så kallas kretsen för en dämpare och om A är större än 1 så kallas kretsen för en förstärkare. Då nsgnalen och utsgnalen är spännngar så kallas kretsen för en spännngsförstärkare och om nsgnalen och utsgnalen är strömmar så kallas kretsen för en strömförstärkare. A kan vara negatv och då kallas förstärkaren för en nverterande förstärkare. Förstärkartyper Om nsgnalen och utsgnalen kan vara antngen ström eller spännng kan fyra typer av förstärkare konstrueras: Spännngsförstärkare v v, Transadmttans v, Transmpedans v och Strömförstärkare. De deala n- och utmpedanser ges tabellen nedan Förstärkare Ingångsresstans Utgångsresstans Spännngsförstärkare, v v 0 Transadmttansförstärkare, v Transmpedansförstärkare, v 0 0 Strömförstärkare, 0 1

2 Verknngsgrad För att utsgnalen från en krets ska kunna utföra ett arbete så krävs att det överförs eekt tll den apparat som ska utföra arbetet (t. ex., högtalare, elmotor, lampor, värme-element). För att förstärka en sgnals eekt så måste man förstärka både spännngen och strömmen en sgnal. Energn som behövs för att förstärka eekten en sgnal tllförs från förstärkarens strömförsörjnng. Av den tllförda eekten från strömförsörjnngen så kommer en del att användas tll att förstärka sgnalen och en del kommer att försvnna värme. Förhållandet mellan eekten som används för förstärknng och den totala tllförda eekten från strömförsörjnngen kallas för förstärkarens eektvtet eller verknngsgrad. verknngsgraden η = P använd P tllförd Återkopplng Återkopplng betyder att man mäter utsgnalen och återför och dämpar den samt därefter jämför den med nsgnalen. Skllnaden man får mellan den dämpade utsgnalen och nsgnalen förstärks och drver utsgnalen tll rätt värde. För att detta ska fungera måste s.k. negatv återkopplng användas d.v.s. den återkopplade sgnalen ska subtraheras från nsgnalen. I gur 1 ser man Blacks återkopplngsmodell från Återkopplng reducerar dstorson och gör förstärkare mer lnjära, vlket var ett stort behov förstärkare telegraednngar över atlanten vd den tden. vn + ve A vf beta Fgur 1: Blacks återkopplngsmodell 2

3 Ur gur 1 kan man få följande samband: v ut = Av e v e = v n + v f v f = βv ut v ut = A(v n + v f ) A total = v ut v n = A 1 βa Det ssta uttrycket är det ntressanta. Om man låter βa vara mycket större än 1 blr A total = 1. Förstärknngen blr alltså bara beroende av β. Detta β ger två stora fördelar: β är en dämpare d.v.s. en spännngsdelare som man t.ex. kan göra med två motstånd och nästan godtycklgt exakt. Genom att göra olka typer av dämpare kan fyra olka typer av förstärkare konstrueras: v,, v, och. Det enda vktga krav som ställs på A-delen är att den ska vara v v stor så att βa 1. Operatonsförstärkaren är en sådan komponent. Operatonsförstärkaren, OP En OP-förstärkare är ett ntegrerat förstärkarblock, en komponent, som är konstruerad så att man ska behöva så lte extra yttre komponenter som möjlgt för att konstruera sn förstärkarkopplng, A gur 1. För att få största möjlga användnngsområde så är OP-förstärkaren en så kallad derensförstärkare. Det vll säga att den förstärker endast skllnaden mellan de två ngångarna tll förstärkaren, v ut = A op (v n+ v n ). Symbolen för en OPförstärkare är en trangel med tre anslutnngar (förutom matnngsspännngarna), se gur 2. En deal OP-förstärkare har oändlgt hög nresstans, låg utresstans och oändlgt hög förstärknng. Verklga värden är bra A > 10 5, R n > 10 6 Ω och R ut < 100Ω. v R A v Ro Fgur 2: Operatonsförstärkaren, symbol och kretsmodell 3

4 OPns approxmatoner Eftersom förstärknngen är oändlgt stor och utspännngen är lka med v ut = A op (v n+ v n )volt, så måste skllnadsspännngen mellan ngångarna vara oändlgt lten om utsgnalen är begränsad t.ex. 5V. Det gäller också att nresstansen är oändlgt stor vket medför att det nte yter någon ström n tll förstärkarens mnus- och plusngångar. Vd approxmatva beräknngar kan man alltså använda att v n+ v n 0 och n+ = n 0, vlket förenklar lvet avsevärt. Spännngsförstärkare med OP vn R1 R2 Fgur 3: Spännngsförstärkare med OP Spännngsförstärkaren kopplas enlgt gur 3. Med approxmatonen ovan lgger spännngen v n över och därmed blr v n = +R 2 v ut. Ur detta får man förstärknngen A total = v ut v n = + R 2 eller A total = 1 + R 2 Inresstansen förstärkaren blr stor efterson nströmmen är nära noll enlgt approxmatonen. Transmpedansförstärkare med OP Transmpedansförstärkare kopplas enlgt gur 4. Med approxmatonen ovan blr utspännngen v ut = 0 n R 2 = n R 2. Förstärknngen blr alltså A = R 2 med sorten Ohm. Att den är negatv betyder att det är en nverterande förstärkare, d.v.s. när nströmmen ökar blr utspännngen negatv gvet dentonsrktnngarna guren. 4

5 R 2 n v ut Fgur 4: Transmpedansförstärkare med OP Inverterande spännngsförstärkaren Inverterande spännngsförstärkare kopplas enlgt gur 5. Med approxma- R1 R2 v n Fgur 5: Transmpedansförstärkare med OP tonen ovan blr utspännngen v ut = 0 n R 2 = n R 2. Men n skapas från v n så v ut = n R 2 = R 2 v n. Förstärknngen blr alltså A = R 2. Medan transmpedansförstärkaren har deala egenskaper enlgt tabellen så har den nverterande spännngsförstärkaren som bygger på den kopplngen nte det. Inresstansen är och om man vll göra den stor blr R 2 ännu större om förstärknngen skall vara stor. Här blr det alltså en kompromss. Trots detta är det en vanlg kopplng eftersom den 1) nverterar och 2) kan ha förstärknng mndre än 1. 5