8. Fejezet A HÁROM MŰVELETI ERŐSÍTŐS MÉRŐERŐSÍTŐ

ELEKTRONIKA 2 (BMEVIMIA027)

ZOLTAI

A műveleti erősítők alkalmazásai

Az Elektronika 1-ben már szerepelt: A műveleti erősítő alapkapcsolásai: - nem invertáló alapkapcsolás, - invertáló alapkapcsolás, - differenciálerősítő alapkapcsolás. További alkalmazások: - összegzők (invertáló és nem invertáló összegző), - integrátor, - differenciáló áramkör. Ez a téma folytatódik a most következő 8. és 9. fejezetben.

8. Fejezet A HÁROM MŰVELETI ERŐSÍTŐS MÉRŐERŐSÍTŐ A mérőerősítő olyan szimmetrikus bemenetű, aszimmetrikus kimenetű erősítő, amelynek legfontosabb jellemzői a következők: 1. nagy (ideálisan végtelen nagy) bemeneti ellenállások (impedanciák); 2. kicsi (ideálisan nulla) kimeneti ellenállás (impedancia); 3. pontos és stabil erősítés (tipikusan az 1-től n103-ig terjedő tartományban); és 4. nagy (ideálisan végtelen nagy) közösjel-elnyomás. A műveleti erősítő differenciál-erősítő alapkapcsolása (lásd Elektronika 1: az összegzőknél) az 1. kritériumot kivéve teljesíti e követelményeket (Rbes = 2R1 és Rbek = 0.5[R1 + R2]). Ez a hátrány küszöbölhető ki bemeneti illesztő erősítők alkalmazásával.

1be

1ki

ube1

SENSE R2

R1 R3

R4 R4

OUT

ukis1=ubes2 R1

ube2

uki

R2

REFERENCE

2ki

2be

1. fokozat

2. fokozat

Tehát a szimmetrikus erősítés: Auss1  1 

Fej8-9-MEalk-IA-Oszc-Ea12-13

Rt

Az első fokozat szimmetrikus bemenetű, szimmetrikus kimenetű erősítő. Tisztán szimmetrikus bemenet esetén (ube1 = -ube2) az R3 ellenállás középpontja virtuálisan földelt a szimmetria következtében, és az első fokozat két oldala úgy viselkedik, mint egyegy nem-invertáló alapkapcsolás.

2 R4 R3

50


ZOLTAI

Tisztán közös vezérlés (ube1 = ube2) esetén nem folyik áram se az R4, se az R3 ellenállásokon, ezért a bemeneti feszültségek átmásolódnak a kimeneti pontokra, vagyis a közös erősítés: Aukk1 = 1 A második fokozat differenciál-erősítő alapkapcsolás, így erősítései: R Aus2 = - 2 és Auk2 = 0. R1 (Megjegyzés: sokszor a második fokozatot önállóan is használják „egy műveleti erősítős mérőerősítőként”. Ekkor a bemeneti ellenállásokkal szemben támasztott követelmény nem teljesül maradéktalanul.) Vagyis az eredő erősítések:  2R  R Aus = Auss1Aus2 =  1  4  2 és Auk = Aukk1Auk2 = 1. 0 = 0. R3  R1  Aus = . Auk A szimmetrikus és a közös bemeneti ellenállások: Rbes = Rbek = . Távoli terhelés esetén a hosszú bekötő vezetékek belső ellenállása hibát okozhat a rajtuk fellépő feszültségesések miatt. A következő kapcsolási elrendezéssel lehet kiküszöbölni e jelveszteségeket, mivel e bekötő vezetékek a visszacsatolt hurkon belülre kerülnek.

A közösjel-elnyomás:

CMRR =

R2 ube1

+15V

R1 R3

SENSE

R4 R4

ube2

OUT Rt

uki

R1

-15V R2

REFERENCE A terhelés áramának visszavezetése


51


ZOLTAI

9. fejezet OSZCILLÁTOROK

Az oszcillátorok alapelve

A . 1 H Ha H = -1, akkor A* = ∞, és lehetséges véges kimeneti jelet kapni bemeneti jel nélkül. Mivel a hurokerősítés általános esetben komplex az oszcilláció általános feltétele (H = -1) a következőképpen bontható fel: Amplitúdó-feltétel: |H|= 1 és fázisfeltétel: H = -180° + n360° (általában n = 0). A* 

A visszacsatolt erősítők elméletéből ismert:

Az oszcillátorok osztályozása: - az amplitúdó-stabilizálás szerint:

lineáris (pontosabban kvázi-lineáris) és nemlineáris oszcillátorok; - a frekvenciafüggő alkatelemek szerint: RC-, LC- vagy Kristály-oszcillátorok. (A következőkben csak az RC oszcillátorok témaköréből veszünk példát.) . A kétfázisú (nem lineáris RC-) oszcillátor

R 2

C

R 2

ZD1

uki1

R 

C uki2

C

R1

A1

ZD2

A2

Vizsgáljuk meg először az uki2-től az uki1-ig terjedő fokozat átvitelét, feltételezve, hogy a Zener-diódák szakadásként viselkednek (mivel az R/2 ellenállások közös pontján az amplitúdó nem éri el az UZ + UD feszültséget). Csomóponti egyenlet a φ potenciálú pontra: u ki 2    R

Mivel A1 követőerősítő:

u ki1  


 R

1 sC

1 sC R

1 sC



u ki1   0 1 sC



1 1  sRC

52


ZOLTAI

Az egyenletrendszer megoldásaként az átviteli függvény (erősítés): Az ennek megfelelő BODE: u 1 Au1  ki1  u ki 2 1  sRC 2 1 Au1(),dB RC (Ez egy másodfokú alul-áteresztő szűrő 0 átviteli függvénye.) A hurok másik szakasza egy integrátor, amelynek átviteli függvénye: 1 Au 2   sR1C Au1

6dB (log)

-40dB/D

(log)

0°° -90°

Az ennek megfelelő BODE:

-180° |Au2(),dB

1 R 1C

(log)

0 -20dB/D

Au2

+90° (log) 0°

Au 2 

Az oszcilláció fázisfeltételéből (Au1+Au2=0) következik, hogy az oszcilláció frekvenciája csak 1 lehet (itt a különbségképző hiá oszc   0  RC nya folytán –H = –1 fejezi ki az oszcilláció feltételét, vagyis H = 1, ebből következik, hogy a fázisszögek összegének 0-nak kell lennie!). Ennél a frekvenciánál Au1=0,5 (a -6 dB-nek megfelelően), tehát Au2=2 esetén teljesül az amplitúdófeltétel (Au1Au2=1):

1



R 2 R1

1 R1C RC vagyis R1=0,5R. A gyakorlatban ennél egy kicsit kisebb R1-et használnak, hogy a tápfeszültségek bekapcsolása után növekvő amplitúdójú oszcilláció alakuljon ki. Az amplitúdó addig növekedhet, amíg az R/2 ellenállások közös pontján el nem éri az U Z + UD értéket (ahol UZ az egyforma Zener-diódák Zener-feszültsége, UD pedig a közönséges diódaként nyitóirányban előfeszített Zener-diódán eső, kb. 0,6 V-os feszültség). A Zener-diódák előtti R/2 ellenállásból és a Zener-diódákból álló áramkörnek a diódák határoló szerepe miatt keletkező, a torzított szinuszos jel alap-harmonikusára vonatkozó átviteli tényezője kisebb, mint 1, ez állítja be az oszcilláció amplitúdóját a kívánt értékre (a torzítás növekedése az átviteli tényező csökkenését idézi elő). Az uki1 kimeneti feszültség azonban csaknem tiszta (torzításmentes) szinuszos feszültség marad az alul-áteresztő szűrésnek köszönhetően. Az uki2 kimeneti feszültség +90-kal siet az uki1 kimeneti feszültséghez képest, ezért nevezzük az oszcillátort kétfázisúnak (hasonlóan az ugyanilyen fázishelyzetű feszültségekkel rendelkező kétfázisú energiaszolgáltató hálózatokhoz). Előkészület a május 14-i 2. ZH-ra: A 2013-ban írt 2. ZH feladatainak bemutatása.


53


ZOLTAI

ELEKTRONIKA 2 (Fizikus szak)

2. ZÁRTHELYI

NÉV:

2012/13 – II.

NEPTUN-KÓD:

1.) Válaszoljon az alábbi, a komplementer emitter-követő, ellenütemű teljesítményerősítőre vonatkozó kérdésekre (annak elvi kapcsolására gondolva a szokásos egyszerűsítő feltételezésekkel). (Kérdésenként 4 pont) A. A periódusidő hány százalékában vezetnek áramot a tranzisztorok AB osztályú beállításban? B. Mekkora relatív kimeneti amplitúdó tartozik A osztályú beállításban a maximális (átlagos) disszipációhoz. C. Melyik nagyobb B osztályú üzemben: az átlagos vagy a pillanatnyi disszipáció maximális értéke? D. Mekkora a maximális hatásfok B osztályban E. Az A osztályú üzemmód munkaponti áramának hányad részére célszerű beállítani a munkaponti áramot AB osztályban? 2.) Válaszoljon a 741 típusú műveleti erősítőre vonatkozó alábbi kérdésekre (a mellékelt kapcsolási rajz segítségével). (Kérdésenként 4 pont) A. Hány áramtükör található a kapcsolásban? B. Melyik ellenállásnak van döntő szerepe az erősítő fokozatok munkaponti áramának meghatározásában? C. A kapcsolás melyik részén található a nagyfrekvenciás viselkedés szempontjából domináns időállandó és mik az alkotóelemei (az ellenállásos és a kapacitásos tényezője)? D. Mely paraméterek határozzák meg a maximális kimeneti áramot? E. Adott, hogy a maximális kimeneti jelváltozási sebesség („slew rate”): SR = 0,5 V/μs. Határozza meg a nagyjelű határfrekvenciát, ha a kimeneti jel amplitúdója ukip = 10 V. C Rg

3) Egy ideális DC erősítő adatai a következők (lásd az ábrát jobbra): Rbe = Rt = 9 kohm ug Rki = Rg = 1 kohm Ct = 900 pF Az üres-járási feszültségerősítés: Auü = -110.

Rbe ube

Rki Rt

uki

Ct

Auüube

Az erősítőt C = 100 pF értékű kondenzátor hidalja át (“Miller helyzetben”). Számítsa ki az erősítő

A ug 

u ki ug

feszültségátvitelének 3 dB-es csökkenéséhez tartozó felső határfrekvenciájának közelítő értékét (hf ?). 4.) Egy szimmetrikus bemenetű, szimmetrikus kimenetű erősítő bemeneti egyenfeszültségei: ube1 = 6.025 V és ube2 = 5.975 V. Az erősítő következő paramétereit ismerjük: Auss = 100; Auks = 0; D = 68 dB; Ek = 94 dB. Számítsa ki a kimeneti feszültségek szimmetrikus és közös összetevőit (ukis , ukik = ?). 5.) Rajzolja fel a következő áramkörök kapcsolását kommentár nélkül (4 – 4 pont): aszimmetrikus kimenetű differenciálerősítő DC csatolt bemenettel és kimenettel, p-n-p típusú Darlington tranzisztor-pár, DC áramgenerátor munkapont-beállító bázisköri generátorral és földelt terheléssel, differenciálerősítő emitter-köri visszacsatolással és megnövelt közösjel-elnyomással, normál kaszkád (vagy kaszkód) kapcsolás.

*

*

*

Minden kérdés 20 pontot ér. A maximálisan elérhető 100 pontból 40 pont az elégséges alsó határa. A kidolgozási idő: 75 perc.


54


ZOLTAI

Elektronika 2 (BMEVIMIA027) 2. ZH-jának megoldása

2012/2013 – II.

1.)

A: több mint 50 %, de kevesebb mint 100 % B: 0 V C: a pillanatnyi D: 78 % E: 20 %-át 2.) A: 4 B: az R5 = 39 kohm-os ellenállásnak C: a főerősítő bemenete (Miller hatással redukált C, a főerősítő bemeneti ellenállása /és vele párhuzamosan a bemeneti differenciálerősítő kimeneti ellenállása, ha nem tekinthető -nek/) D: az R9 (illetve R10) jelű 25 ohmos ellenállások és a T17 (illetve T18) tranzisztorok küszöbfeszültsége (kb. UBE0 = 0,4 V). E: uki = ukip sinω tehát

du kip dt

 u kip   SR ahonnan max

V SR r 50 s    0,5  105  f hfnj  kHz  8kHz u kip 10V s 2 0,5

hfnj 3.)

A u  A uü

Rt 9  110  99 R ki  R t 1 9

C*  C(1  A v )  100(1  99)  104 pF  1    C  100pF C**  C1  A u   * 4 12 3 5 A bemeneti időállandó:  be  C R g xR be  10 10 1x 910  0,9  10 s









 ki  C t  C** R ki xR t   10310 12 1x 9103  0,9  10 6 s 1 1 kr Mivel a bemeneti időállandó domináns (10-szer nagyobb): hf    111,1 5 be 0,9  10 s u  u be 2 4.) u bek  be1  6V és u bes  u be1  u be 2  0,05V 2 1 D  68 dB  2500; mivel 68dB  80dB  12dB  104 4 A uss A uss 100 mivel D   A ukk    0,04 A ukk D 2500 A kimeneti időállandó:

E k  94 dB  50000; mivel 94dB  100dB  6dB  105 mivel E k  Ezekkel:

A uss A 100  A usk  uss   0,002 A usk Ek 50000

1 2

u kis  A uss u bes  A usk u bek  100  0,05  0,002  6  5,012V u kik  A uks u bes  A ukk u bek  0  0,04  6  0,24V


55


5.)

ZOLTAI

- aszimmetrikus kimenetű differenciálerősítő DC csatolt bemenettel és kimenettel Ut+ RC1

IC1

IC1

IC2

ube1 IE1

RE2

IE2

RC1

Rt

IC21

ube2

RC2

RE1 Ut-

- pnp típusú Darlington tranzisztor-pár

- DC áramgenerátor munkapont-beállító bázisköri generátorral és földelt terheléssel IC0

C

B

1 2 Ut E

- differenciálerősítő emitter-köri visszacsatolással és megnövelt közösjel-elnyomással,

UB0

RE

RL

- normál kaszkád (kaszkód) kapcsolás Ut+ RC

R3 CB = ∞ T2 RE

RE

Cc2 = ∞ uki

Rt

Ct

R2 Cc1 = ∞ T1

2I0 ube

R1 RE


CE≈∞

56

8. Fejezet A HÁROM MŰVELETI ERŐSÍTŐS MÉRŐERŐSÍTŐ

Recommend Documents