2. Strömförstärkare: Både insignal och utsignal är strömmar. Förstärkarens inresistans

Transkript

1 1 Föreläsning 1, Ht 2 Hambley asnitt 11.11, 14.1 Fyra typer a förstärkare s 0 s i ut s in i A in ut L s in i G L in 0 Spänningsförstärkare Spänningströmförstärkare (transadmittansförst.) i in 0 i in i ut is s i iin ut L is s i Aiin 0 L Strömspänningsförstärkare (transimpedansförst.) Strömförstärkare Följande fyra förstärkare definieras: 1. Spänningsförstärkare: Både insignal och utsignal är spänningar. Förstärkarens inresistans i skall idealt sett ara oändlig och förstärkarens utresistans (tomgång) o skall idealt sett ara noll. Då blir i = s och ut = A i. 2. Strömförstärkare: Både insignal och utsignal är strömmar. Förstärkarens inresistans i skall idealt sett ara noll och förstärkarens utresistans o skall idealt sett ara oändlig. Då blir i i = i s och i ut = A i i i. 3. Transadmittansförstärkare: Insignal är en spänning och utsignalen en ström. Förstärkarens inresistans i skall idealt sett ara oändlig och förstärkarens utresistans (tomgång) o skall idealt sett ara oändlig. 4. Transimpedansförstärkare: Insignal är en ström och utsignalen en spänning. Förstärkarens inresistans i skall idealt sett ara noll och förstärkarens utresistans (tomgång) o skall idealt sett ara noll.

2 2 Differensförstärkare Differensförstärkaren förstärker skillnaden mellan tå spänningar. Denna typ a förstärkare kommer att behandlas i asnittet om operationsförstärkare senare i kursen. ickeinerterande ingång Differensförstärkare o = A d ( ) i1 i2 i1 i2 inerterande ingång A d =förstärkning a differenssignalen. Om id = i1 i2 = 0 skall en ideal differensförstärkare ge utsignalen noll. Om det ligger en gemensam spänning (common mode oltage) icm = 0.5( i1 i2 ) på både den ickeinerterande och den inerterande ingången ger dock de flesta förstärkare en liten utspänning. Målet är naturligtis att denna utspänning skall ara så liten som möjligt. id id 2 2 Differensförstärkare = o A d id A cm icm icm id = i1 i2 =differenssignalen icm =0.5( i1 i2 )=common mode signalen A d =förstärkning a differenssignalen A cm =förstärkning a commonmode signalen Ett mått på förstärkarens förmåga att undertrycka commonmode signalen är CM (common mode rejection ratio) som definieras a CM= A d. Ju högre CM A cm desto bättre förstärkare. Mätt i db är CM db >120 db bra.

3 3 Återkoppling a förstärkare En återkopplad förstärkare är en förstärkare där utsignalen påerkar insignalen. Återkoppling kan anändas för att få en stabil förstärkning som är okänslig för ariationer i komponenter. I figuren nedan isas principen för återkoppling för en spänningsförstärkare. Insignalen till förstärkaren är in och utsignalen är ut. Utan återkoppling är utsignalen gien a insignalen och råförstärkningen A oc ut = A oc in B in Förstärkare råförstärkning Aoc ut Figure 1: En återkopplad förstärkare. Återkopplingen fungerar så att spänningen B ut adderas till insignalen, ilket ger utsignalen ut ges därmed a ut = A oc ( in B ut ) ut = Återkopplingen delas upp i tå fall: positi återkoppling 1 BA oc > 0 negati återkoppling BA oc < 0 A oc 1 BA oc in Positi återkoppling ökar förstärkningen. Det gör förstärkaren mer instabil. Det anänds i oscillatorer, där en positi återkoppling som uppfyller BA oc = 1 gör att man kan få en utsignal utan insignal. Det är anligare att anända negati återkoppling i förstärkare. Negati återkoppling gör att förstärkningen minskar men att förstärkaren blir i stort sett okänslig för ariationer i förstärkarens komponenter. Vid negati återkoppling brukar man införa B = β ut = A oc 1 βa oc in

4 4 Den slutna förstärkningen (closed loop gain) ges a A = A oc 1 βa oc Genom att låta A oc blir förstärkningen A = 1 β Ibland kallas denna förstärkningen för den asymptotiska förstärkningen. I kopplingar med operationsförstärkare, som behandlas under de kommande tre eckorna, utnyttjas att när råförstärkningen blir mycket stor är förstärkningen bestämd a återkopplingen. Operationsförstärkare [14.1] Operationsförstärkaren (operational amplifier eller opamp.) uppfanns 1938 a G.A. Phibrick och C.A. Loell och ar konstruerade för att realisera matematiska operationer i så kallade analogimaskiner. Analogimaskiner anändes fram till mitten a 60talet för att simulera system som matematiskt beskris a ordinära differentialekationer. Analogimaskinerna konkurrerades så småningom ut a digitala processorer. Operationsförstärkaren leer dock kar och anänds flitigt i allehanda elektronik. Det stora genombrottet för operationsförstärkaren kom när tekniken för integrerade kretsar utecklades på 60talet. Den nya tekniken möjliggjorde massproduktion a små, billiga och strömsnåla kretsar. Egenskaper [14.1] Symbolen för operationsförstärkaren och dess iktigaste anslutningar ges a figuren till höger. Operationsförstärkaren behöer tå drispänningar, en positi (V CC ) och en negati (V CC ). Drispänningarna brukar inte ritas ut i kretsschemat. Ingångsporten består a en inerterande () och en ickeinerterande () ingång. esistansen mellan de tå ingångsanslutningarna är mycket hög ( in 1 MΩ). Utresistansen (eller utimpedansen) är liten ( ut 100 Ω). Operationsförstärkarens iktigaste egenskap är dess råförstärkning. Den är mycket hög (A oc > ). f i p i n Vcc Vcc Vcc A f f Vcc

5 5 Kretsmodell [14.1] En approximati modell för operationsförstärkaren är Aoc > : råförstärkning in 1 MΩ: ingångsresistans ut 100 Ω: utgångsresistans i p ut f in A oc f i n Ideal Op [14.1] I kursen approximarerar i oftast operationsförstärkaren med den ideala OPn. För den gäller in =, ut = 0 Ω och A oc = ilket får till följd att i p = i n = 0 f i p i n Negatit återkoppling leder till illkoret f = p n = 0

6 6 Komparator [(Behandlas inte i Hambley)] En operationsförstärkarkoppling utan återkoppling är en komparator. Utsignalen bestäms a insignalens spänning s relatit referensspänningen ref enligt följande: { Vcc om s > ref ut = V cc om s < ref s Vcc a ut ref Vcc b Komparatorn ger ingen information om hur stor skillnaden är mellan s och ref. Om operationsförstärkaren arit ideal hade utsignalen bliit oändlig stor, eftersom råförstärkningen för en ideal förstärkare är oändlig. Operationsförstärkaren kan dock inte ge en utsignal ars absolutbelopp är större än matningsspänningen V cc. ADomandlare Vi representerar normalt numeriska ärden i det decimala talsystemet, ilket har basen 10. Talet 2083 representerar då Hade i alt basen 9 skulle talet i stället representerat ilket är lika med 1539 i basen 10. I basen 10 kan i anända siffrorna 09. Med basen 9 kan i anända siffrorna 08 o.s... Det binära talsystemet har basen 2 och där skris talen med siffrorna 0 och 1. Talet 1101 representerar då ilket ger det decimala talet 13. Det binära talsystemet är inte praktiskt att anända i ardagsliet men lämpar sig desto bättre för informationsbehandling i elektroniska kretsar. En ADomandlare (Analog till Digitalomandlare) gör om en analog signal till en digital signal. Den samplar den analoga signalen, d..s. mäter dess ärde, id bestämda tidpunkter och gör om ärdena till binära tal. Ju fler bitar det binära talet har desto noggrannare är det digitala ärdet. En anlig typ a ADomandlare är en Flashomandlare. Den utnyttjar en serie a komparatorer. I figuren isas en tåbitars Flashomandlare. Den gör om en analog inspänning in till tre utspänningr ilka kan omandlas ett binärt tåbitars tal. Antag att insignalen ligger mellan 0 V och 4 V och att i ill öersätta dess ärde så att

7 7 in /V binärt tal V ref V CC in d V CC grön d gul d röd Ett första steg är att få ut tre spänningar som antingen är V CC eller V CC. För att testa detta kan man koppla tre lysdioder till utgångarna, som i figuren. Motstånden d anänds för att få ner framspänningen för dioderna till ca 2 V. Låt referensspänningen V ref ara 4 V och V CC = 4 V. Spänningsdelning ger potentialerna på de inerterande ingångarna. Den understa OP:n har 1 V, den mittersta 2 V och den öersta 3 V. Det ger in /V Lysdioder som lyser 01 ingen 12 röd 23 röd och gul 34 röd, gul och grön För att få ut den digitala signalen kopplar man utgångarna från operationsförstärkarna till en encoder.