TSTE93 Analog konstruktion

Transkript

1 Komponentval Flera aspekter är viktiga Noggranhet TSTE9 Analog konstruktion Fysisk storlek Tillgänglighet Pris Begränsningar pga budget Föreläsning 5 Kapacitanstyper Kent Palmkvist Resistansvärden ES, ISY Operationsförstärkare Dagens föreläsning Resistanser Komponentval Kolfilm Billigast Operationsförstärkare Metallfilm Egenskaper Icke-ideala egenskaper Frekvensberoenden Billiga, bättre brusegenskaper än kolfilm, bättre toleranser Lindade, etc. Vanliga typer Dyra Strömförsörjning Endast för speciella tillämpningar som hög effekt Princip Linjär försörjning Standardkomponenter 2 4 1

2 Kapacitanser Tumregler för val av R och C Keramiska Välj metallfilmsmotstånd Billiga, små, låg ESR Kontrollera att effektutvecklingen inte blir för stor i kopplingen Spänningsberoende kapacitans (undvik i många fall) Stor precision bara vid behov (matchande filtrering) Plastfilm Kondensatorer Billiga, små Keramiska endast som avkopplingskondensatorer Bra toleranser Plastfilmskondensatorer är att föredra Elektrolyt Polariserade, hög ESR, dåliga toleranser Kan krävas om ingen tydlig polarisationsriktning finns Noggranhet beroende på tillämpning Elektrolyt om stora kapacitanser behövs Använd bara vid behov (avkoppling och liknande) Kontrollera att tydlig polarisationsriktning finns Kontrollera max spänning 5 7 Andra aspekter som kan vara viktiga vid komponentval Icke-ideala egenskaper hos Operationsförstärkare Vad händer om komponenten går sönder Detta ska de flesta (EI) sett i föreläsning i TSEI01 Analog elektronik Kortslutning? Information från kursboken, Analog elektronik, Bengt Molin Inte bra om det handlar om 220V kondensator för galvanisk åtskillnad Antag operationsförstärkaren har potential V+ på +ingången, Vpå ingången, matas med spänningen E respektive -E, och levererar utspänningen Uut Avbrott? Explosionsrisk? Elektrolyt som utsätts för stor överspänning kan explodera Åldrande Förändringar pga åldring i material Elektrolyt kan torka => tappar kapacitans Beroende på tillämpning kan det medföra brand 6 8 2

3 Operationsförstärkaren Ingångssteget, forts. Tre områden med problem (dåliga/bra parametrar) Tillåtna skillnader mellan ingång och matningsspänning Ingång Kan sitta skydd för att tvinga ingångarnas potentialer att vara inom matningsspänningens område. Inimpedans, offset, CMRR Offset spänning Utgång Spänningskillnad mellan V+ och V- för att få Uut = 0 Drivförmåga, sving, slewrate System Spänningsmatning Frekvensberoende förstärkning Slutlig effekt på utgång beror även på koppling Förstärkande koppling förstärker även offset God prestanda för en parameter kan ge dålig prestanda i en annan parameter Databladen beskriver gränser och egenskaper Exempel 741: 6 sidor (ST) alt. 2 sidor (TI) med information 9 11 Ingångssteget Ingångssteget, forts. Ingången har inte oändlig impedans Common Mode Rejection Ratio (CMRR) Bipolär (t ex 741) har bipolär transistor på ingången, dvs basström Hur mycket medelspänningen (V+ + V-)/2 påverkar utspänningen Kallas förströmmar (input bias current) CMRR=20 log Måste garantera DC-väg på ingången till operationsförstärkaren Ger mest problem om återkopplingsnätet har stor impedans AVDM ; AVCM U ut V + V U AVCM = ut ; U CM =U + =U U CM AVDM = FET-baserad operationsförstärkare har högre inimpedans (nästan 0 förström) FET-baserat ingångssteg Tillåtna spänningsskillnader mellan ingångarna Kapacitiv belastning på ingångarna Värre problem med FET-baserade operationsförstärkare 10 12

4 Utgångssteg Exempel på klassificering Utspänningsområde Tillverkare/återförsäljarens uppdelning (filtrering för sökning) Hur nära matningsspänningen kan utgången drivas TI:s hemsida Kan ibland behövas flera volts skillnad mellan max utspänning och matningsspänning Matningsspänning, utström, slew rate, offset, CMRR, Bandbredd, inström ELFA:s hemsida Slew-rate Hur snabbt kan utgången ändras Offset, bandbredd, förstärkning, slew rate, matningsspänning Klassificeras ofta även efter applikationer, t ex Utgångsimpedans Audio Delvis kopplat till slew-rate, men inte helt Generell Likströmsmässig drivförmåga Video Effekt 1 15 System Exempel på olika operationsförstärkare Begränsningar/krav på spänningsmatning Namn Matning Band- Slew Open V+-V- CMRR (enkel) Bredd Rate loop gain Offset [db] [V] [MHz] [V/us] [V/mV] [mv] Ingångsresistans [Mohm] Power Supply Rejection Ratio (PSRR) Ändlig förstärkning LM na Frekvensberoende förstärkning TL TL LM OP Ibland anges +- spänning, ibland enkel matningsspänning Unit gain bandwidth Stabilitet Frekvenskompensering Temperaturstabilitet

5 Strömförsörjning Strömförsörjning, glättning Anpassning av utrustning som vill ha t ex V likström till matning med 240 V växelström Jämna ut spänningskillnader mha stor kapacitans Ger stora strömspikar vid topparna av inspänningen Vill få en stabil utspänning Elektrolyter har stor ESR (ekvivalent serieresistans) Oberoende av belastning Kan få stort rippel trots stor kapacitans pga strömpulserna Oberoende av förändringar i inspänning Kan åtgärda strömspikar mha filtrering av ingången Vill undvika stora effektförluster Krav från elleverantören kan kräva åtgärder Vill få galvaniskt skilja utspänning från inspänning Storlek på glättningskondensator kan lätt räknas ut Behöver en transformator Tillåten spänningsförändring under en halv cykel Transformator fungerar bara med växelström Ström dras kontinuerligt vid linjär reglering Se till att max spänningsfall stämmer med uttagen laddning Q = deltau C ; Q = I T => C = I T / deltau Enkel lösning, linjärt spänningsaggregat Strömförsörjning, reglering Transformator, likriktare, glättning, regulator Shuntreglering Zenerdiod parallellt med last, strömbegränsande resistor i serie (figur 15.10, figur.75 i S. Söderkvist Elektronik) Likriktning av transformerad inspänning Halvvägslikriktning Ineffektiv, stor effektutveckling i olastat läge Helvågslikriktning Måste få en miniström genom zenerdioden även vid maximal lastström Mittutag möjligt för att minska antal dioder Kräver större transformator, sekundärlindningen används bara halva tiden Används inte så ofta Kan vara användbart om utrustning alltid körs med konstant belastning Svårstyrd nivå Varierar med belastning pga resistanser i lindningarna Variationer i inspänning påverkar utspänningen direkt Väldigt billig Rippel av låg frekvens (50 Hz)

6 Strömförsörjning, seriereglering Strömförsörjning, OP-baserad styrning Serietransistor, zenerdiod för bestämning av baspotential, resistor kollektor-bas (figur 15.11) Lågt spänningsfall över regulator Använd PNP-transistor istället Sätter högre krav på minimum inspänning Kan klara < 1 V framspänningsfall Transistorn får inte bottna Ger lägre förluster Ger större förluster Problem med stabilitet Bättre reglering än parallellreglering Spänningen inte helt stabil 21 2 Strömförsörjning, integrerade serieregulatorer Strömförsörjning, OP-baserad styrning Använd operationsförstärkare för att jämföra utspänning med referens från shuntkopplad zenerdiod (figur 15.12) Kompletta kretsar med allt som behövs Exempel 7805 OP driver basström i transistor Kräver 7 V spänningsfall för att fungera - ingång kopplad till lastens spänning Enda som behöver läggas till: avkopplingskondensatorer Strömbegränsning (figur 15.14) Enkelt ordna andra spänningar NPN transistor som tar bort basström från uttransistorn om spänningsfall över serieresistor R SC > 0.6 V. Antag ström genom referenspinnen kan anses som väldigt liten Koppla spänningsdelaren till utgången OP mäter spänning efter strömbegränsaren => inget spänningsfel Ström i referenspinnen kan försummas om små resistanser Fold-back begränsning Färdiga kretsar med liten spänningsreferens Bas på skyddstransstor kopplad via spänningsdelare mellan emitter på uttranssitor och jord placerad innan R SC (figur 15.15) LM17 1.2V referens Kräver resistorkoppling för att ge användbar spänning Ger en mindre ström ju lägre utspänningen är

7 Effektutveckling i regulator Egenskaper för linjär strömförsörjning Spänningsskillnad * ström = effekt Stor och klumpig Störst problem när strömmen stor Stor transformator Effektutveckling bestäms vid design Vald maxström och vald inspänning I vårt fall: 5 V in (vill inte ha en egen spänningsmatning från 220 V för förförstärkaren) Stora glättningskondensatorer (lång tid mellan varje uppladdning) Stora förlusteffekter, dålig effektivitet oberoende av last Förlusteffekter även utan last (transformatorförluster) Klarar kortare störning i linjespänningen (t ex faskorrigering) Kan minska effektutveckling i stabilisator om den utvecklas någon annanstans Glättningskondensatorerna håller uppe spänningen länge Sätt resistor i serie med regulator Välj storlek så spänningsfall fortfarande tillräckligt stort över regulator vid max ström Kostnad Välj effekt på resistor så den klarar värsta fallet Rippel Implementationsval beror av prestandakrav Tillåten effektutveckling Strömförsörjning, dubbel matning Switchade nätaggregat Transformator med mittuttag, full brygga, Strömförsörjning med hög effektivitet Kräver minimum 20V AC från transformator + glättning Hög frekvens kräver fysiskt mindre transformatorer Transistorer som bara slår av och på Andra möjligheter Jämför med klass D förstärkaren DC-DC omvandlare som genererar en negativ spänning En egen lindning + likriktarbrygga Styr med likspänningsreferens istället för ljudsignal Princip Likrikta linjespänning direkt 400V likspänning! Skapa fyrkantsvåg mha switchar och låt den gå genom en transformator Likrikta utsignalen från transformatorn

8 Switchade nätaggregat, egenskaper Liten fysisk storlek och vikt Liten effektutveckling (effektivitet upp mot 90%) Högfrekvent spänningsrippel ( khz) Glättningskondensatorn kan vara mindre Högre spänning ger inte högre förluster i switchat aggregat Energi lagrad i kondensator W = V*V*C/2 Energi förbrukad under en period måste matcha energi tagen ur kondensatorn 29 Projektuppgiften Dags för signalbehandlingen före subwoofer-stegen Lågpassfilter Inverterare/buffer med bygling Additionssteg för vänster och höger kanal Högpassfilter för vänster och höger kanal (glöm inte 6dB cross-over) Kan även bygga förenklad modell över hela systemet Inkällor vänster och höger kanal Koppla via styrbara spänningskällor Filtrera med enkla LC-nät Ger en ideal modell 0 8