Operationsförstärkare [14.1]

Transkript

1 Föreläsng 3 Hambley: Operationsförstärkare [4.] Operationsförstärkaren (operational amplifier eller opamp.) lanserades under 940 talet, och anände sig till en början a elektronrör. Operationsförstärkaren anändes först för att realisera matematiska operationer i så kallade analogimasker. Analogimasker anändes fram till 965 för att simulera system som kan beskrias a ordära differentialekationer. De digitalt arbetande datorerna är dock mycket flexiblare och därmed mer anändbara. Analogimaskerna är nu lagda i malpåse, men operationsförstärkare leer kar och anänds i allehanda elektronik. Det stora genombrottet för operationsförstärkaren kom med de tegrerade kretsarna på 60 talet. Den nya tekniken möjligjgorde massproduktion a små, billiga och strömsnåla kretsar. Egenskaper [4.] Symbolen för operationsförstärkaren och dess iktigaste anslutngar framgår a figuren till höger. Operationsförstärkaren behöer tå drispänngar, en positi och en negati. Vanligtis ill man att kopplgsschemat endast ska beskria signalbehandlgen och då är te drispänngarna utritade i kretsschemat. Ingångsporten består a en erterande () och en ickeerterande () gång. esistansen mellan de tå gångsanslutngarna är mycket hög ( MΩ eller större). Utresistansen (eller utimpedansen) är liten ( ut 00 Ω). Operationsförstärkarens iktigaste egenskap är dess råförstärkng, som är mycket hög (A OL > ). p n V CC V CC V CC A( p n ) V CC p n Kretsmodell [4.] En approximati modell för operationsförstärkaren är A OL > : råförstärkng MΩ: gångsresistans p n ut A( p n ) ut ut 00 Ω: utgångsresistans

2 2 Ideal Op [4.] I den här kursen studeras framförallt den ideala operationsförstärkaren. För den gäller =, ut = 0 Ω och A = ilket får till följd att = = 0 p n Negatit återkopplg leder till illkoret p n = 0 Olika förstärkarkopplgar [4.24.4] Inerterande förstärkare [4.2] I elektroniken betyder uttrycket erterande teckenskiftande. En erterande förstärkare byter tecken på utspänngen. För att bestämma förstärkngen ab / s anänder i egenskaperna hos den negati återkopplade ideala operationsförstärkaren. Kraet p n = 0 ger att () gången har samma potential som () gången, d..s. 0 V. KCL på () gången ger s 2 ab 0 s 0 ab 0 = 0 2 där i anänt att gångströmmen = 0. Utsignalen ges a ab = 2 s Eftersom förstärkngen är koten mellan resistanserna kan i med enkla medel få den förstärkng i ill ha. Den erterande förstärkarens gångsresistans är = s /i s =.

3 3 Summerande krets [öng4.] Den erterande förstärkarkopplgen generaliseras lätt till multipla gångar. Nodanalys ger utsignalen ( a ut = f b ) c a b c Förstärkarkopplgen är en erterande iktad adderare. Den kan t.ex. anändas för att bilda ett iktat medelärde a ett antal signaler. a b Specialfall: a = f, b = f /2 och c = f /4 a c b ut = ( a 2 b 4 c ) c n p f ut Ickeerterande förstärkare [4.3] En ickeerterande förstärkare ges a kopplgen till höger. Kraet p n = 0 medför att nod har potentialen s och KCL på nod ger s ab 2 s 0 = 0 s f 2 a ab med lösng ab = 2 s. Eftersom = 0 har den ickeerterande förstärkaren oändligt stor gångsresistans = s /. Den ickeerterande förstärkaren är därmed lämplig som spänngsförstärkare. b

4 4 Differenskrets [4.8] KCL på nod : ( p n = 0) f a a Spänngsdelng = p = ut f = 0 d c d b a a c d b p ut totalt ut = d( a f ) a ( c d ) b f a a Komparator [(Behandlas te i Hambley)] En operationsförstärkarkopplg utan återkopplg är en komparator. Komparatorn har bara tå diskreta tillstånd på utgången och är därför te någon förstärkare. Komparatorn jämför signalen s med referensen 0 V. Utsignalen signalerar om signalen är större eller mdre än referensen. s flvcc flvcc a ab b ab = { Vcc om s > 0 V cc om s < 0 Den ger gen formation om hur mycket större eller mdre än noll s är. Om operationsförstärkaren arit ideal hade utsignalen arit oändlig stor, eftersom råförstärkngen för en ideal förstärkare är oändlig. Operationsförstärkaren kan dock te ge en utsignal som är större än matngsspänngen V cc (oftast är utspänngen någon olt lägre än V cc ).

5 5 ealiserg a förstärkare De fyra typerna a förstärkare: spänngs, ström, transresistans och transkonduktansförstärkare som troducerades i första föreläsngen i Ht2 kan alla realiseras med OPkopplgar. Härledngen a förstärkngarna och och utresistanser är rättframma. Spänngsförstärkare 2 ut Förstärkng A cl = ut = 2. Inresistansen är oändlig och utresistansen noll. Transresistansförstärkare i ut Förstärkng cl = ut i = Både och utresistansen är noll.

6 6 Transkonduktansförstärkare L i ut Förstärkng G cl = i ut =. Både och utresistansen är oändliga. Strömförstärkare L i ut i 2 Förstärkng A icl = i ut = 2. Inresistansen är noll och utresistansen oändlig. i