OP-förstärkare. Idealiska OP-förstärkare

Transkript

1 Idealiska OP-förstärkare

2 OP-förstärkare (OPerational Amplifier, OPA), är en fullt fungerande förstärkare som har tillverkats på en kisel-skiva genom att N- och P-dopa olika områden av kiselkristallen för att forma en förstärkare som kräver minimalt med yttre komponenter. Mycket hög tomgångsförstärkning Mycket hög ingångsresistans Differens-förstärkare (två ingångar, en utgång)

3 OP-krets

4 Differensförstärkare Två ingångar, en inverterande och en ickeinverterande (d.v.s., + och - ) Differensförstärkare förstärker skillnaden mellan ingångarna u (1) in u (2) in ³ u ut = A v u (1) in u(2) in

5 Differensförstärkare Differens-signaler används ofta om man ska skicka svaga signaler över en lång kabel. Förstärker endast signaler som skiljer sig åt

6 Differensförstärkare Common-mode u (diff) in 2 u (1) in u (2) in u (cm) in u (diff) in 2 u (1) in = 1 2 ³ u (1) in + u(2) in {z } u (cm) in ³ u (1) in u(2) in {z } u (di ) in

7 Differensförstärkare Så man vill endast förstärka skillnadssignalen och inte common-mode signalen. I verkliga OP-förstärkare så får man tyvärr alltid en förstärkning även av common-mode signalen. För att ange hur bra en OP-förstärkare är på att undertrycka common-mode signalen så används kvalitetsmåttet Common-Mode Rejection Rate CMRR ³ CMRR = 20 log jad j 10 ja cm j [db]

8 Idealisk OP-förstärkarmodell: R s1 R o = 0 R s2 u (1) in u (2) in + - A d (u (1) in u(2) in ) R L Oändlig inresistans Noll utresistans Oändlig förstärkning av differens-signal Noll förstärkning av common-mode signal Oändlig bandbredd

9 Inverterande förstärkare Om förstärkningen är oändlig så måste differensspänningen mellan ingångarna vara noll. Om inresistansen är oändlig, så måste inströmmen vara noll. Negativ motkoppling används för att styra förstärkningen. (En del av utsignalen inverteras och adderas till förstärkarens insignal)

10 Motkoppling eller återkoppling (Feedback): u in + - A u ut u ut = A u in u ut = A (u in u ) ; u = u ut u ut = A (u in u ut ) A v = u ut u in = A 1+A

11 Motkoppling: Om j1 + A j > 1 ) A v < A ) negativ återkoppling Om j1 + A j < 1 ) A v > A ) positiv återkoppling Om A = 1 ) A v = 1 instabil krets som självsvänger (oscillerar).

12 Inverterande förstärkare i 1 uin R 1 R 2 u x i 2 u ut R L Eftersom förstärkningen är oändlig så är skillnadsspänningen lika med noll och u x blir då 0 V u x = 0 ) i 1 = u in R 1 KCL : i 2 = i 1 ) i 2 = u in R 1 KVL : u ut + R 2 i 2 = 0 A v = u ut u in = R 2i 2 R 1 i 2 = R 2 R 1

13 Inverterande förstärkare: Förstärkarens inresistans blir då: R in = u in i in = u in i1 = R 1 Eftersom förstärkningen A v = R 2 R 1 är oberoende av utgångsbelastningen R L så är förstärkarens utresistans lika med noll

14 Summerare R 2 R 1a u (1) in u (2) in R 1b u ut R L A va = R 2 R 1a A vb = R 2 R 1b µ in A vb = R 2 u ut = u (1) in A va + u (2) u (1) in R 1a + u(2) in R 1b

15 Icke-inverterande förstärkare u in i in u ut R L u 1 R 1 R 2 i in = 0 ) u 1 = u in u 1 = R 1 R 1 +R 2 u ut A v = u ut u in = R 1 +R 2 R 1 u 1 u 1 = 1 + R 2 R 1

16 Icke-inverterande förstärkare: Förstärkarens inresistans blir då: R in = u in i in = 1 Eftersom förstärkningen A v = 1 + R 2 R 1 är oberoende av utgångsbelastningen R L så är förstärkarens utresistans lika med noll

17 Spänningsföljare är ett specialfall av icke-inverterande förstärkare u in u x u ut R L u x = u in u ut = u x A v = u ut u in = 1

18 Spänningsföljare: Utspänningen är detsamma som inspänningen Inströmmen är låg och utströmmen är hög Används för effekthöjning av signalen Om insignalen endast är en spänningssignal (d.v.s, mycket lite inström) så kan spänningsföljaren förse signalen med ström på utgången så att signalen får effekt och därmed kan utföra ett arbete (t. ex, driva en högtalare)

19 Ofta så är prestandakraven på förstärkare inte så höga Så de ideala antaganden kan användas vid konstruktion av förstärkaren. Om A v = 1 + R 1 så finns det ett oändligt antal R 2 = 10 kombinationer av R 1 och R 2 Så, vilka värden? R 1 R 2

20 (Exempel 14.2) Om R 1 och R 2 har för låga värden (t.ex., 1 respektive 9 ) Strömmen kommer att bli hög genom motstånden, vilket kommer att belasta strömförsörjningen i IC:n Problem med värmeavledning Mindre effekt till lasten R 1 R 2

21 (Exempel 14.2) Om R 1 och R 2 har för höga värden (t.ex., 10M respektive 90M ) Eftersom det krävs en mycket liten ström för att generera en spänning över ett hög-ohmigt motstånd så för man ofta kraftiga störningar från olika störkällor (t.ex. Lysrör, transformatorer, spolar) R 1 R 2

22 (Exempel 14.2) Man bör välja motståndsvärden mellan 100 och 1M Till exempel 9 k och 1 k R 1 R 2

23 Om man använder OP:n som drivenhet för en LED eller LED-display: +

24 v 2 R Instrumentförstärkaren v d 0 v v v x 1 2 v 1 v 2 v 1 R x R i x i x vx v v R R x 1 2 x Ingen ström in i OPförstärk. v R Ri x R R x v 1 v 2