Elektronik för D Bertil Larsson 03-05-3 Sammanfattning föreläsning 7 Mål Olika OP-kopplingar, komparatorn Summatorn I transimpedansförstärkaren (sammanfattning föreläsning 5) förstärks en inström till en utspänning, se gur a. Från denna skapades den inerterande spänningsförstärkaren genom att bilda en ström, i in, från en inspänning och en resistor, gur b. Flera strömmar kan gietis summeras till en gemensam inström till transimpedansförstärkaren och då får man en summator för de olika inspänningarna enligt gur c. i in ut in ut (a) Transimpedansförstärkare (b) Inerterande spänningsförstärkare i in f ut (c) Summatorn Figur : Summatorn härledd ur transimpedansförstärkaren Totala strömmen in blir i in = i + i = + och utspänningen blir då ut = i in f. Med strömmen insatt blir utspänningen ut = f ( + ) eller omskriet ut = ( f + f ) d..s. och summeras.
Spänningsföljaren Spänningsförstärkaren, gur a, har idealt förstärkningen A = + samt in = och ut = 0. Om = 0 (kortslutning) och = (abrott) blir förstärkningen A =. Kopplingen kallas för spänningsföljare, gur b, och anänds för att anpassa en högohmig källa till en lågohmig last. Utan följaren skulle spänningen öer lasten i ett sådant fall bli äldigt liten. På grund a att följaren inte belastar källan, men kan leerera ström till lasten förloras inget i spänningsdelningen. in ut in ut (a) Spänningsförstärkare (b) Spänningsföljare Figur : Spänningsförstärkare med förstärkning A = + respektie A = Komparatorn Om OPn inte återkopplas blir utsignalen ut = A op ( + ) Eftersom A op är så stor kommer OPn att bottna d..s. utgången blir antingen +V DD eller V DD för en äldigt liten skillnad ( + ). Om man ser utsignalen som digital är den '' om + > och '0' om + <. Man kallar denna koppling för en komparator. Komparatorn jämför tå spänningar och agör ilken som är störst. För kräande tillämpningar, d..s. snabba omslag från 0 till nns speciella OP, komparatorer, optimerade för denna uppgift. Schmittriggern Om en insignal till en komparator är brusig kan omslaget bli osäkert. Flera omslag p.g.a. bruset kan ge oönskade pulser i utsignalen innan det slutliga tillståndet uppnås. Schmittriggern är en koppling med komparatorn som eliminerar detta, se gur 3. Funktionen är som följer: Antag att utsignalen är i ändläget +V DD. Spänningen på plusingången blir då + = + V DD. När in ökar ligger utspänningen kar på V DD tills den passerar spänningen på +. Då blir > + och utgången äxlar till andra ändläget, V DD. Spänningen på plusingången ändras då omedelbart till + = + ( V DD ), som är negati. Eentuella störningar och brus i insignalen måste nu understiga denna nya spänning för att ändra tillbaka omslaget. Kopplingen blir mer tolerant mot störningar. Skillnaden
mellan de tå omslagsniåerna på ingångssidan kallas Hysteres. in ut Figur 3: Schmittriggern. Obserera tecknen på ingången, här är det positi återkoppling! Förstärkare som nämnts tidigare har negati återkoppling. Dierentialförstärkare Då man ill förstärka en spänning där ingen nod är jord, t.ex. spänningen öer ett motstånd inne i en krets, behös en dierentialförstärkare. En sådan förstärker skillnaden mellan tå spänningar, ut = A( ), tecken bestäms a förstärkarkopplingen och ar man ansluter signalerna. När man räknar på dierentialförstärkare denieras tå tänkta signaler utifrån de erkliga insignalerna och nämligen DM = och CM = +. DM kallas dierential mode och CM kallas common mode. DM är den signal man önskar förstärka och CM ska idealt inte ge något bidrag till utsignalen. I en erklig förstärkare blir dock utsignalen ut = A DM DM + A CM CM där A DM är den önskade förstärkningen och A CM förstärkningen för den oönskade signalen CM. A CM beror på toleranser och fel i kopplingen. Ett mått på kalitén på en dierentialförstärkare är Common Mode ejection atio, CM = A DM. För en bra förstärkare har denna ett mycket stort ärde, A CM ofta angiet i db. OPn är en dierentialförstärkare, men förstärkningen är för stor för de esta anändningsområden. Det nns en dierentialförstärkarkoppling med OPn som har rimlig och albarbar förstärkning, se gur 4. Med beteckningarna i guren blir förstärkningen A DM = ut in = ( ) om illkoret = 4 3 är uppfyllt. Om förstärkaren ska fungera bra är detta ett kritiskt illkor och trimmning måste till för att få rätt förhållande. Kopplingen är a samma skäl känslig för ariationer i utresistansen i källorna och. Härledning a oanstående: Superposition + = 4 4 + 3 ; + = ger strömmen i : i = + och 3
3 4 ut Figur 4: Dierentialförstärkaren med en OP utsignalen blir då ut = i = 4 4 + 3 ( + + 3 4 4 + 3 lite algebra ger: ut = ) där balansillkoret framträder. 4 En förbättrad men mer komplicerad koppling är instrumentförstärkaren Instrumentförstärkaren I instrumentförstärkaren föregås dierentialförstärkaren oan a ett förstärkande steg med tå OP, se gur 5. Jämfört med förstärkaren i gur 4 har denna förstärkare tre fördelar: Hög inresistans, förstärkningen ställbar med endast en resistor, g, och dierentiell förstärkning men common-modeförstärkningen. Hög inresistans gör den okänslig för ariationer i källresistansen, en resistor gör förstärkningsändring enkel och dierentiell förstärkning men ingen kommon-modeförstärkning gör att efterföljande dierentialförstärkare får ett bättre insignalförhållande mellan DM- och CMsignalen att arbete med. Förstärkningen ges a A DM = ut in = + f g. Man inner på att ha all förstärkning i ingångssteget och låta den efterföljande dierentialförstärkaren ha förstärkningen ( = = 3 = 4 ). Instrumentförstärkaren nns som färdig komponent. 4
f g f 3 ut 4 Figur 5: Instrumentförstärkaren, A DM = + f g 5