Gingl Zoltán, Szeged, 2017.

Gingl Zoltán, Szeged, 2017.

Van tápfeszültsége is: +U_t, -U_t

Pozitív és negatív jelek is

Tranzisztor:  , ME: A

Jó:  nagy, A nagy

ME: A igen nagy, 10⁵ vagy akár több!

Ideális: A végtelen

U₊ U_ki=A(U₊-U_-) U_-

+U_t

-U_t

A kimenetet visszakötjük a bemenetre

ha a bemenetet változtatjuk, a kimenet követi

minél nagyobb A, annál pontosabban!

a kimeneti érték szabályozása ez (P-szabályzó)

Szabályozás

mérjük az eltérést a kívánttól

beavatkozunk, hogy az eltérés kicsi legyen

vezérlés: nem mérjük az eltérést, csak ismerjük az összekötő képletet – például földelt emitteres erősítő

A bemenetekbe áram nem folyik

A kimenet ideális feszültséggenerátor

Az erősítés végtelen nagy

Ideális erősítőből egyféle elég lenne

Valódi erősítők

Különféle eltérések

Osztályozás, sokféle erősítő

Gyenge, átlagos, jó értékek

Alkalmazás szempontjából optimális erősítő kiválasztása

Open-loop gain

Large signal voltage gain

Ideális esetben végtelen

Frekvenciafüggő

p V

f i f A

f A





1 ) 1

(

f i A f f

A _V ^p

  )

V ( A f

A( ) 

f f f

] [dB A

V GBWP p

GBWP p V

GBWP

A f f

f A f

f A





 1

1 )

(

V GBWP

V

p V

f A i f A

f A

f i f A

f A









1 ) 1

(

1 ) 1

(

V GBWP p

p V

A f f

f A f

f A



 ) (

fGBWP

f f

A( )   f f f

A( )  ^GBWP

Visszacsatolt erősítő: szabályozás

Korlátozott pontosságú szabályozás

Erősítéshiba

kapcsolások?

Frekvenciafüggés?

U_be U_ki

 

) ( 1 1

1 )

( ) (

) ) (

(

) ) (

(

) ( )

) ( (

) (

) ( )

( )

(

f A f

U

f U

f f U

A

f f U

U

f U

f f U

A

f U

f U

f U

A f

U

be ki

be ki

ki

ki be

ki

ki be

ki



















GBWP GBWP

V V

GBWP

V GBWP

V

f i f f

i f A A

f i f f

G

f A i f f A

A f

G



























1

1 1 1

1 1

1 ) 1

(

1

1 1 1

1 )

( 1 1

) 1 (

U_be U_ki

GBWP be

ki

f i f f

U

f U



 1

1 )

( ) (

A

f

GBWP

GBWP GBWP

GBWP be

ki

f f f

f f f

i f

f i f f

U

f U

 

 

 



 



 















1 ,

1 1 1

1 1 1

1

1 )

( ) (

2

2



 ²

2

1 



 



 

fGBWP



R2 R1

U_be

U_ki

2 1

1

2 1

) 1

( )

( )

(

R R

R

R R

f R U

f U

A f

U_{ki be ki}

 



 





 







) ( 1 1

1 1

) (

) (

f A f

U

f U

be ki

 



 

β: visszacsatolási tényező 1/β: erősítés

GBWP GBWP

V V

V GBWP

V GBWP V

f i f

f i f

A A

f A i f f

G

f A i f f A

A f

G

 



 

 



















 



 



 







 



1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 ) 1

(

1

1 1 1

1 1

) ( 1 1

1 ) 1

(

GBWP be

ki

f i f

f U

f U

 



 ₁ 

1 1

) (

) (

R2 R1

U_be

U_ki

A

f

fGBWP

 f





1

GBWP GBWP

GBWP GBWP

GBWP be

ki

f f f

f

f f f

i f

f i f

f U

f U



 



 





 



 





 





 





 



 



 



 

2 , 1

1 1 1

1 1 1

1

1 1

) (

) (

2

2

2

2

1 



 





 

fGBWP

f

 

A műveleti erősítő „számára” ez ugyanaz a kapcsolás! (szuperpozíció tétele)

Bár U_be erősítése –R₂/R₁, a műveleti erősítő most is ugyanolyan visszacsatolási aránnyal dolgozik.

R2

U_be R1

U_ki

A műveleti erősítése mindig a visszacsatolási tényező reciproka (1/β)

A sávszélesség mindig β·f_GBWP

A jelerősítés ettől különböző lehet

Több bemenő jel is lehet különböző erősítéssel

összeadó

kivonó

Erősítés?

Jelek erősítése?

Sávszélesség?

Erősítés hibája?

R

U_be3 R3

U_ki U_be2 R2

U_be1 R1

Erősítés?

Jelek erősítése?

Sávszélesség?

Erősítés hibája?

R5 R4

U_ki

U_be3 R3

U_be2 R2

U_be1 R1

R R

U_ki

R R

U₁

U₂ Erősítés?

Jelek erősítése?

Sávszélesség?

Erősítés hibája?

R2 R1

U_ki

R4 R3

U₁

U_{2 }Erősítés?

Jelek erősítése?

Sávszélesség?

Erősítés hibája?

Rf

Rg

Rf

R R

R R

U₁

U

U_ki

U₀ U_A

U

Input voltage range

A bemeneti feszültségek tartománya korlátos

Általában a tápfeszültségek közötti:

-U_t < U < +U_t

Ut



U

• aszimmetrikus

• pár mV-tól 1-2 Voltig terjedhet

• típustól függ

Akár pár mV, sőt, kicsit meg kívül is eshet a tápon

Ut



U

Single supply

Ut



U

Single supply

Ut



U

Rail-to-rail

U+ és U- eleve korlátos, így a különbségük is

Gyakran diódák vannak köztük:

Azaz nyitófeszültségnyi lehet csak a különbség

Nem gond, ha negatív visszacsatolás van

Nem használható komparátorként

Angolul: input offset voltage

Nem nulla bemenet esetén nulla a kimenet

Ok: kicsit aszimmetrikus bemenetek

U

U





ki A U U U

U   _  _ 

U_offs

ideális reális

offs be

ki

be offs

ki

U U

U

U U

U







 Ube

U_offs

R2 R1

U_be

U_ki

U_offs

offs be

ki

be offs

ki

R U R U R

R R U R

U R U

R U R

1 2 1

1 2 1

2 1

1

 

 



 

offs offs

ki U

R R U R

1 2 1

,

 

2 1

1

R R

R

 



Invertáló, összegző, különbségképző, …

Az offszetfeszültség erősítése minden kapcsolás esetén 1/β !

Angolul: input bias current

Befelé vagy kifelé folyó áramok

Az irány a két bemenetre azonos

Értékük nem teljesen azonos (kb. 10-30%)

különbségüket offszetáramnak hívjuk

I_b-

I_b+

I_b-

I_b+

A szuperpozíció tételével külön számítható a két áram hatása

U

U

ideális reális

I_b-

V-

I_b+

V-

A negatív bemenet virtuális földpont: 0V

Tehát R1-en nem folyhat áram

Így a teljes áram R2-n folyik.

I_b-

R2 R1

 

 b

I

ki R I

U , b 2

A pozitív bemeneten feszültség lép fel

Ezt erősíti fel a neminvertáló erősítő

Befelé folyó áramnál negatív a feszültség

Ellentétes hatású, mint a negatív bemenetbe folyó áram

I_b+

R2 R1



 

  b

I

ki R I

R R U R

b 3

1 2 1

R3 ,







 





R U R U R

I R U

ki

b

1 2 1

3

I_b-: csak visszacsatoló körben levő ellenállás számít

I_b+: a pozitív bemeneten levő eredő ellenállás és az erősítési tényező számít

Ellentétes hatásúak: megfelelő választással csökkenthető a hatásuk



 

 _{v b p b}

I

ki R I R I

U b 

1

,

Elektronikus zaj, jelek véletlenszerű ingadozása

A feszültség és áram is „zajos”

Ok: véletlenszerű mikrofolyamatok, hőmérséklet

Véletlenszerű?

„fehér zaj”

1/f² zaj

1/f zaj

Erősíthetik, csökkenthetik egymást

Statisztikus kezelés

Szórás (effektív érték)

Átlaguk nulla!

A zajok teljesítménye összegződik, nem az amplitúdójuk

A zajforrások felerősítve jelentkeznek a kimeneten

Ezek teljesítménye (négyzetes átlaga) összegzendő!

A bemeneteken feszültségzaj jelenik meg

Hasonlóan kezelhető, mint az offszetfeszültség

A kimenetre jutása: 1/β szorzással

A bemeneteken zajáram jelenik meg

Hasonlóan kezelhető, mint a bemeneti áram

A kimenetre jutása:

A negatív bemeneti zajáram a visszacsatoló körben levő ellenállással szorzódik

A pozitív bemeneti zajáram a bemeneten levő eredő ellenállással és 1/β-val szorzódik

Két jelnek a közös része:

Átlagértékük

CMRR – common mode rejection ratio

Különbség erősítése osztva a közös rész erősítésével

dB-ben szokás megadni

A műveleti erősítő önmagában is ilyen!

U₊ U_-

   

2



 



 



 U U

A U

U A

U_{ki V CM}

CM V

A CMRR  A

Invertáló erősítő

A pozitív és negatív bemenet is 0V

Közös módusú jel: 0V! Nem lép fel hiba!

Csak olyan kapcsolásnál lép fel, ahol a műveleti erősítő bemenetein a feszültség változik

Neminvertáló, különbségképző, követő, …

   

     

CMRR U U

U A

U A

U U

U A A U

U U

A U

U A U

U U

A U

CM be

ki

CM CM

ki be

V ki

be CM

ki be

V ki

CM V

ki



 



 



 





 







 



 _{ } ^{ }

1 1

2 2

U_be U_ki

1 1 1

1 1 1 1 1

1















V

be CM

V CM

V be

ki

A

U U

A CMRR

U A

U U

U_be U_ki



 

 

 U CMRR

U_{ki be} 1 1

R2 R1

U_be

U_ki

   

     

CMRR U U

U A

U A

U U

U A A U

U U

A U

U A U

U U

A U

CM be

V ki

CM CM

ki be

V ki

be CM

ki be

V ki

CM V

ki



 



 



 







 

 







 



 _{ } ^{ }

1

2 2



 





 

 





 



 



U CMRR U

U U

A CMRR

U A

U U

be ki

be CM

V CM

V be

ki

1 1 1

1 1

1 1

1 1

1 1



 

 



 

 

 U

U_{ki be} 1 1 1



   

     

 

  

 

CMRR U U

U U

CMRR U U

A U U

U A

U U

U A

U

U A U

U U

A U

ki

CM V

ki

CM CM

ki V

ki

CM V

ki

2 1

2

1 2

1 2

1 1

1 1 1

1 1

2









 









 

 









 



 





 















 



 _{ } ^{ }

CMRR U CMRR

U U U

U U U

U U U

U U

U

ki 1 1 1 2

2 2

0 0

2

1 2

0

1 2

 

 



 



 



 



















CMRR U U

U

CMRR U

U CMRR U

ki ki

0

0

1 1

1 2

1 1 1

















 

 



 



 





 

 



Tehát a műveleti erősítő CMRR egyúttal a differenciálerősítő CMRR is.

De csak Ideális ellenállások esetén!

Leggyakrabban az ellenállások pontossága a döntő

U1 és U2 erősítése kicsit más: G és G+ΔG

 

 

0 0

0 0

0

0 0

1 2

2

2 2

2

2 2

GU U

G GU

G U G

U

G U U GU

U G G

GU GU

U

U U U G

U G

G U

GU U

G G

U

ki ki ki ki

















 



 





 

 



 











 



 



 



 



 

















 Egy kis erősítéshiba is fellép

 CMRR:

G CMRR G

 

Rf2

Rg

Rf1

R R

R R

U₁

U_ki

U₀ U_A

A második fokozat egy egyszeres különbségképző

Ennek CMRR-je az ellenállások egyformaságán múlik

Általában az ellenállások 0,01% mértékben térnek csak el (integrált erősítőknél)

Ezzel 80dB-90dB CMRR érhető el

Az első fokozat ezen változtat?











 

 

 

 















 

 

 

 





g f f

g A

g f f

g B

R U R

U R R

U U U

U

R U R

U R R

U U U

U

1 0

1 0

2 0

2 0

1 2 2

2

1 2 2

2

A közös módusú jel: U₀

Az első fokozat csak egyszeresen erősíti és nem számít R_f1 és R_f2 különbözősége!

Különbségjelet az első fokozat sokszorosra erősítheti :











 





g f f

R R U 1 R ^{1 2}

Tehát a második fokozat CMRR-t növeli erősítésszeresre

Példa: AD623 garantált értékei (a tipikus +20dB)

CMRR (G=1): 80dB

CMRR (G=10): 100dB

CMRR (G=100): 120dB

R CMRR R

R

g f

f 









 

 ^{1 2}

1

További előnyök a differenciálerősítőhöz képest

A bemenetek nagy impedanciásak – igen kicsi a bemeneti áram

A bemenetek szimmetrikusak, egyforma terhelést jelentenek a jelforrásra

Az erősítés egyetlen ellenállással állítható

Kiválóan alkalmas mérőhidak erősítésére

Ouput voltage range (output voltage swing)

A kimeneti feszültségek tartománya korlátos

A tápfeszültségek közötti:

-U_t < U < +U_t

Ut



U

• aszimmetrikus

• pár mV-tól 1-2 Voltig terjedhet

• típustól függ

• terheléstől (áramtól) függ

Akár pár mV

Egytápfeszültségű áramköröknél fontos

Ut



U

Single supply

Ut



U

Single supply

Ut



U

Rail-to-rail

Tipikusan 10mA-20mA

Léteznek nagyobb kimeneti áramúak:

50mA

100mA

Akár 1A..10A

Laser driver, Peltier driver, coil driver, motor driver

A kis áramúak lehetnek rövidzárvédettek

A nagy áramúak lehetnek túlterhelés, túlmelegedés ellen védettek

Ezeket nem vehetjük biztosra!

Angolul: slew rate

A kimenet nem változhat akármilyen gyorsan

Pozitív és negatív irányban kicsit különböző lehet a maximális sebesség

Minél nagyobb frekvenciájú és amplitúdójú a jel, annál inkább lehet hatása

Jeltorzulást okozhat, a jel gyors szakaszait korlátozhatja

Egységugrás esetén lineáris emelkedés

Szinusz gyors szakaszain egyenes rész jelenik meg

Tehát hiába nagy a sávszélesség, ez korlátozhat.

Szokás ezt néha

Torzításmentes sávszlességnek hívni – distortion free bandwidth

nagy jelű sávszélességnek hívni – large signal bandwidth

Ha igen kicsi az amplitúdó, akkor csak az

sávszélesség számít. Ezért gyakran ezt kisjelű

sávszélességnek hívják – small signal bandwidth

Forrás: OP27 adatlap, www.analog.com

U

t

t S U



 

Szinuszos jelet tekintünk

A jel maximális sebessége a nullátmenetnél van

Értéke függ a frekvenciától és amplitúdótól is

 

 

f dt A

dx

ft dt A

dx

ft A

t x





 



 





















2 max

2 cos 2

2 sin )

(

A torzításmentesség felétele különböző esetekben

Adott A és f esetén S legalább mekkora legyen?

Adott S és f esetén A legfeljebb mekkora lehet?

Adott S és A esetén f legfeljebb mekkora lehet?

A f S

f A S

f A

S

 

 













2 2

2

Elvileg elég egy értéket megadni: csak két tápfeszültségkivezetés van

Szokás mégis ± megadása

utalás arra, hogy a GND ezek közt van

tehát a GND nem azonos a negatív tápfeszültséggel

Példák:

±15V

5V

Sokféle típus kapható

Gyakori: ±15V

Manapság gyakori: 5V

Akár 1,8V (elemes táplálás)

Akár 50-60V

Több paraméter is függhet a tápfeszültség értékétől (pl. nyílthurkú erősítés)

Nyugalmi: nulla kimeneti áramnál

Tipikus érték: 2-3mA

Kis fogyasztású, elemes áramkörök: 30uA..100uA

Nagy teljesítményű áramköröknél akár pár 10 mA

Power supply rejection ratio

A tápfeszültség kicsit változhat

Terhelés változások

Elem lemerülése

Stabilizálási hiányosságok

Ez hatással van a kimeneti feszültségre

s out

V PSRR V



 

Minél jobb tápfeszültséget használjunk

Szokás a többszörös stabilizálás (sorba kötött stabilizátorok)

Csatolásmentesítő kondenzátorok

A PSRR növekvő frekvencián csökken

Tipikus értéke 70-90dB