Operationsfo rsta rkarens parametrar

Transkript

1 Institutionen för tillämpad fysik och elektronik Umeå universitet Agneta Bränberg, Ville Jalkanen Laboration Operationsfo rsta rkarens parametrar Analog elektronik II HT16 1

2 Introduktion Operationsförstärkare (OP) är en vanligt byggsten inom mer eller mindre avancerade förstärkarkopplingar samt inom signalkondionerande system och andra analoga applikationer. Denna laboration syftar till att bygga vidare på förvärvade kunskaper om grundkopplingar med OP och att ge kunskaper om OP:ns parametrar och egenskaper. Laborationen syftar till ge kunskaper enligt lärmålen: - förklara grundläggande begrepp gällande operationsförstärkarens parametrar, - dimensionera avancerade förstärkarsteg med operationsförstärkare, - simulera och analysera OP-förstärkares DC-, AC- och tids-egenskaper med hjälp av PSpice, - använda sina förvärvade kunskaper i laborativa moment. I denna laborationsspecifikation görs sidhänvisningar till böckerna: [AE] Analog Elektronik (2:a upplagan), 2010, Studenlitteratur, Bengt Molin [SP] Simulering med PSpice, 2011, Bengt Molin För att genomföra laborationen ska man kunna grunderna i simulering med OrCAD/PSpice. Känner du att du kan simulera, så kan du börja med uppgifterna nedan. Är du nybörjare, så rekommenderas du att titta igenom instruktionsfilmer för att komma igång. Dessa filmer hittas på kurssidan. Uppgifter 1. Råförstärkning, in- och utimpedans I denna uppgift ska råförstärkning, in- och utimpedans undersökas hos en enkel OP-modell samt en modell som modellerar en verklig OP i PSpice. Hos en ideal OP så är råförstärkningen oändligt stor, inimpedansen är oändligt hög, och utimpedansen är noll. För en verklig OP kan man anta dessa ideala parametrar under de flesta förhållanden. Figur 1.1. En enkel modell på en OP med parametrarna råförstärkning, samt in- och utimpedans. a) Gör en egen OP-modell enligt boken SP, fig 8.2, s Gör den gärna som ett hierarkiskt block så att du får ett så enkelt schema som möjligt att arbeta vidare med (Film om Hierarkiska block finns). b) För att kontrollera råförstärkning, in- och utimpedans ska du ge din krets en insignal via en likspänningskälla (VDC), ge utgången ett namn, och därefter göra en simulering av Bias Point. (Välj Analysis type: Bias Point) Klicka i Calculate small-signal DC gain (.TF). Simulera och titta i utfilen genom att klicka på View Simuation Output File. Stämmer det? 2

3 c) Gör ett nytt schema med en verklig OP (Välj en av OP:na som finns i AE, s ) med en insignal från en likspänningskälla. Kom håg att din verkliga OP även kräver matningsspänning. d) Kontrollera råförstärkning, in- och utimpedans på samma sätt som tidigare. Jämför med vad databladet för OP:n säger. e) Jämför din modell med den verkliga. Kommentera resultaten. 2. Förstärkning och Bandbredd I denna uppgift ska OP:ns frekvensberoende förstärkning modelleras och undersökas, se AE, s a) Lägg till ett RC-filter till din egen OP-modell enligt SP, fig 8.5, s. 160 (enbart filtret). b) Insignalen i detta fall ska vara en sinussignal med konstant amplitud och varierande frekvens. Det gör du genom att använda en VAC. Ge in-och utnoderna namnen in och ut. c) Simuleringen ska nu vara ett AC-svep från låga frekvenser till höga. d) För att se hur råförstärkningen varierar med frekvensen är det lämpligt att titta på Bodediagrammet. Klicka på Trace Add trace och skriv in DB(V(ut)/V(in)). e) Stämmer gränsfrekvensen och råförstärkningen vid låga frekvenser? Vad blir bandbredden för unity-gain? f) Gör samma simulering som ovan för din verkliga OP som du valde i uppgift 1. Stämmer det med databladet för din verkliga OP? (gränsfrekvensen och råförstärkningen vid låga frekvenser, bandbredd (unity-gain)) 3. Utsignalsbegränsning En operationsförstärkare kan inte ge ut högre eller lägre utspänning än matningsspänningen, dvs matningsspänningen sätter en begränsning på utsignalen. a) För att din egen OP ska kunna begränsa utsignalen måste du lägga till dioderna och VDCkällorna enligt SP, fig 8.5, s Det är viktigt att du använder dioderna Dbreak och att du ändrar i modellerna för dessa på följande sätt: markera en av dioderna, välj sedan Edit PSpice Model i menyn, och ändra standardinställningen RS=0.1Ω till RS=0 Ω. b) Nu ska du testa att utsignalen begränsas. Detta kan göras på lite olika sätt. En variant är att använda en sinussignal med fast amplitud och frekvens som insignal (VSIN) och att svepa tiden så att man får med några perioder. Simulera och kontrollera att din OP-modell begränsar utsignalen. Stämmer det? c) Testa din verkliga OP på samma sätt. Stämmer det enligt datablad? d) Belasta utgången på din OP-modell och på din verkliga OP och mät utsignalbegränsningen. Vad händer? Vad säger databladet för din verkliga OP? e) Belasta utgången med lågimpediv last och undersök hur stor strömmen på utgången kan maximalt vara. Vad säger databladet? 3

4 4. Offsetspänning, förströmmar, Offsetström I denna uppgift ska offsetspänning (input offset voltage), förströmmar (input bias current) och offsetström (input offset current) studeras för en verklig OP, se AE s a) Koppla upp en krets med en verklig OP och undersök hur stor offsetspänningen på utgången blir. Jämför resultatet med datablad. Trimma därefter offsetspänningen till 0 V. b) Undersök nu hur förströmmar påverkar utspänningen. Hur stora är förströmmarna? Jämför med datablad. Gör därefter en förströmskompensering. c) Hur stor är offsetströmmen? 5. CMRR Undersök Common Mode Rejection Ration (CMRR ) för en verklig OP. CMRR är ett mått på hur mycket skillnadsspänningen (differential mode (DM)) förstärks i förhållande till hur mycket gemensamma spänningar (common mode (CM)) på ingångarna undertrycks (dämpas). Se boken AE, s. 70. Bestäm CMRR genom att koppla upp en krets och simulera. a) Börja med att kompensera bort offsetspänningen. b) Koppla enbart en (liten) CM-spänning på ingångarna. Hur mycket förstärks CM-spänningen? c) Koppla enbart en (liten) DM-spänning mellan ingångarna. Hur mycket förstärks DMspänningen? d) Beräkna CMRR och jämför med datablad för OP:n. 6. Slew rate Slew rate är en parameter som beskriver hur snabbt en OP kan ändra utspänningen, se AE s. 73. a) Mät Slew rate genom att ansluta en fyrkantvåg som inspänning till en verklig OP och mäta utspänningens stighastighet. Fyrkantvågen kan skapas med VPULSE. Se till att ha ett tillräckligt litet tidssteg. Jämför med datablad för OP:n. b) Visa hur Slew rate påverkar utseendet på en sinusvåg genom att testa med olika amplituder och frekvenser. Kommentera resultatet. 4

5 7. Temperaturdrift Temperaturvariationer kan påverka offsetspänning och förstömmar, AE, s. 70. Temperaturdrift undersöker du genom att göra ett temperatursvep och studera temperaturens påverkan på offsetspänning och förströmmar. Jämför temperaturdriften med datablad. 8. Instrumentförstärkare Konstruera en instrumentförstärkare (AE, s.56) med OP och dimensionera den med förstärkningen 1000 ggr. Signalen som ska förstärkas är en liten och lågfrekvent spänning (1 mv, 5 Hz) överlagrad på en 50 Hzstörning (amplitud 1V). VOFF = 0 VAMPL = 1mV FREQ = 5Hz V3 VOFF = 0 VAMPL = 1V FREQ = 50Hz V2 0 Använd instrumentförstärkaren för att förstärka enbart 1mV-spänningen genom att ansluta förstärkarens ingångar på rätt ställe i ovanstående signalmodell. Visa utspänningen och inspänningen i samma figur. Hur mycket dämpas störningen? 5