ANALÓG ELEKTRONIKA LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK

Dr. Oláh László

ANALÓG ELEKTRONIKA LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK

Műveleti Erősítők 2. kiadás

DEBRECENI EGYETEM Természettudományi Kar Kísérleti Fizikai Tanszék

TARTALOM

Bevezetés

2

1. Erősítés / csillapítás

5

2. Lineáris erősítők és műveleti erősítők alapismeretei

8

3. Műveleti erősítők specifikációja

34

4. Feszültség és áramátalakító áramkörök

53

5. Nemlineáris áramkörök

64

6. Differenciáló és integráló fokozatok

81

7. Oszcillátorok

91

8. Aktív szűrők

105

10. Műszererősítő

123

13. Feszültségszabályozók

127

Függelék (A) UA741 gyártó adatlap (B) TL081 gyártó adatlap (C) 7805 gyártó adatlap

1

BEVEZETÉS Kísérleti áramkörök Az áramkörök kísérleti összeállítása az a művelet, amely során ideiglenesen állítanak össze egy áramkört, hogy a papíron készült áramköri terveket teszteljék és ellenőrizzék, hogy az a tervezettnek megfelelően működik-e, illetve, hogy közvetlenül megmérjék az áramkör jellemzőit. A jó összeállítási módszer magában foglalja az áramkör gyors és pontos megépítését olymódon, hogy az összes alkotóelem könnyen azonosítható és elérhető legyen, az áramkör megbízhatóan működjön, és lehetőleg az az alkotóelemek károsodása nélkül, illetve csekély károsodásával szétszerelhető legyen. A mérési gyakorlatok során sor kerül számos alkalmazás és elméleti koncepció bemutatására. A gyakorlatokat ismertető fejezetek feltételezik az olvasó alapszintű elméleti és gyakorlati elektronikai ismeretét (pl.: jelgenerátor, multiméter, oszcilloszkóp használata). A mérések során viszonylag alacsony frekvenciákkal, teljesítmény és feszültségszintekkel dolgozunk. CADET IIT analóg/digitális mérőpanel Az elektronika laboratóriumi mérésekhez CADET IIT többfunkciós mérőpanelek állnak rendelkezésre.

2

A mérőpanel funkcionális egységei az előző vázlatos rajz jelöléseivel a következők: 1. BNC CSATLAKOZÓ ALJZATOK

(2 db szabványos BNC aljzat külső eszközök csatlakoztatására, J1 nem földelt!) 2. JELGENERÁTOR

(3 jelforma: szinusz; háromszög; négyszög [50%-os kitöltési tényező] frekvenciatartomány: 0.1 Hz - 100 kHz, jelamplitudó: 0 V - 10 V, kimeneti impedancia: 600 Ω; rövidzárvédett) 3. HANGSZÓRÓ

(8 Ω, 0.25W) 4. NYOMÓGOMBOK

(pergésmentes kapcsolás: beépített flip-flopok nyitott-kollektorú kimenetekkel, terhelés: max. 250 mA) 5. KAPCSOLÓSOR

(8 kapcsoló logikai alacsony és magas feszültségszint előállításához, 0 V - 5 V ill. 0 V - (max.15V) feszültségszintekkel a +5/+V jelű kapcsoló állásától függően) 6. VÁLTÓKAPCSOLÓK

(2 váltókapcsoló általános kapcsoló funkciókhoz) 7. VÁLTOZTATHATÓ ELLENÁLLÁSOK

(1 kΩ és 10 kΩ) 8. 7-SZEGMENSES KIJELZŐK

(2 kijelző BCD kódolású számok megjelenítésére, 9-nél nagyobb bemeneti értékekre a kijelzők nem mutatnak semmilyen értéket) 9. LOGIKAI ÁLLAPOTJELZŐ LED-SOR

(vörös LED: logikai magas szint { ≥ 2.2 V (TTL) ill. ≥ 0.7⋅Vcc (CMOS) } zöld LED: logikai alacsony szint { ≤ 0.8 V (TTL) ill. ≤ 0.3⋅Vcc (CMOS) }) 10. LOGIKAI ÁLLAPOTMONITOR

(TTL és CMOS logikai állapotok és egyedi impulzusok észlelésére, a “MEM” jelzésű módban a “PULSE“ LED az impulzus vége után is megtartja állapotát) 11. TÁPEGYSÉGEK

(konstans 5 V egyenfeszültség, változtatható pozitív és negatív egyenfeszültség az 1.3 V - 15 V és (-1.3 V) - (-15V) tartományokban, szimmetrikus 12.6 V-os váltakozó feszültségű tápegység) 12. KIEGÉSZÍTŐ CSATLAKOZÓPAD

3

Figyelmeztetés: • Csak megfelelő (max. 0.8 mm) vastagságú vezetékek és alkatrészkivezetések dughatók a csatlakozópadokba. • Csatlakoztatás előtt az alkatrészkivezetésekről az elektromos kontaktust akadályozható szennyeződéseket le kell tisztítani.

Általános szabályok a mérési feladatok végrehajtásához A mérési feladatok végrehajtásánál mindig tartsa be a következő szabályokat: •

Először alaposan tanulmányozza a kísérletet, hogy tudja milyen eredmény várható. Próbálja megbecsülni az eredményeket, amikor ez lehetséges.

•

Kapcsolja ki vagy vegye le a feszültség- és jelforrásokat a panelről az áramkör összeállítása, változtatása vagy szétszerelése előtt!

•

Kezdje az összeállítást tiszta panellel (az előző kísérletekből maradt vezetékek és alkatrészek többnyire csak zavart okoznak).

•

Legalább kezdetben próbálja úgy összeállítani az áramkört, hogy emlékeztessen a kapcsolási rajzra. Az összekötő vezetékek legyenek rendezettek és lehetőleg rövidek.

•

Gondosan ellenőrizze az áramkörök pontos felépítését és az alkatrészek helyes értékét!

•

Ellenőrizze a tápegység és a föld megfelelő csatlakozását!

•

A V0 és Vi jelölésű feszültségszinteket mindig a földhöz képest kell mérni, ha a rajzon másképp nincs jelezve.

•

Ha oszcilloszkóppal mér, az áramkör-panel földpontját mindig össze kell kötni az oszcilloszkóp testjével a csatlakozó kábel árnyékolásán keresztül.

4

1. ERŐSÍTÉS/CSILLAPÍTÁS 0. GYAKORLAT Ez a gyakorlat a csillapítás mérési és - dB (decibel) egységre vonatkozó - számítási módszerét mutatja be, és ezen az egyszerű példán ismerteti a mérőpanel használatát. A dB egységet széleskörűen használják az elektronikában, így például találkozni fogunk vele a későbbi kísérletekben használt műveleti erősítők adatlapján is. A dB feszültségarányra vonatkozó definíciója megtalálható alább az alapösszefüggéseknél.

1.1 ábra Alkatrészlista: • 10 db 10 kΩ-os ellenállás • digitális multiméter • CADET mérőpanel Alapösszefüggések:

⎛V ⎞ dB = 20 log⎜ o ⎟ ⎝ Vin ⎠ ahol Vo - az áramkör kimeneti feszültsége, Vin - az áramkör bemeneti feszültsége. A decibel-ben kifejezett feszültségarány:

Mérési feladatok I.: 1. Állítsa össze az 1.1 ábrán lévő áramkört. A jelforrás a mérőpanel jelgenerátor egységének szinuszjel kimenete. 2. A multiméter váltófeszültségű állásában először mérje meg Vin értékét: Vin,eff = V 3. Csatlakoztatva a multimétert a mérőpanelen lévő potenciométer csúszóérintkezőjére lassan forgassa az érintkezőt a két végállapot között és figyelje a műszer által jelzett értéket! Írja le hogyan és milyen határok között változik a kimeneten mérhető feszültség! 4. Az Alapösszefüggések definiciója alapján számítsa ki a következő táblázatban megadott feszültségarány-értékekre az áramkör csillapítását dB egységben:

5

Vin

Vo V in 0 0.01 0.1 0.5 0.707 1

Vo

A (dB)

1.2 ábra Mérési feladatok II.: 1. Állítsa össze az 1.2 ábrán lévő áramkört. Feszültségforrásként a mérőpanel tápegységének +12 V-os kimenete használható. Az 5 kΩ-os ellenállások előállíthatók két 10 kΩ-os ellenállás párhuzamos kapcsolásával. 2. Kapcsolja be a tápfeszültséget és mérje meg az E, E1, E2 és E3 pontok feszültségértékeit (a földhöz képest): E= V E1 = V E2 = V E3 = V 3. Számítsa ki a következő feszültségarányokat, azután adja meg őket dB egységben is! E1/E = = dB E2/E = = dB E3/E = = dB

6

Ellenőrző kérdések: 1. Hány dB az erősítés, ha feszültségek aránya 3 ? (a) -9.2 (b) +10 (c) +9.5

(d) +4.8

2. Melyik feszültségarány felel meg a +8 dB-es erősítésnek ? (a) +2.51 (b) +2.25 (c) +2.15

(d) +5.21

3. Melyik feszültségarány felel meg a -3.5 dB-es csillapításnak ? (a) 0.133 (b) 0.205 (c) 0.521 (d) 0.668 4. Két erősítő kaszkádba van kapcsolva. Az első erősítése 15 dB, a másodiké 5 dB. Ekkor a teljes feszültségerősítés (Vo és Vin aránya): (a) 9 (b) 0.1 (c) 20 (d) 10 5. Egy kommunikációs rendszerben a következő erősítések és veszteségek lépnek fel a jel útja során: +3 dB, -1.5 dB, +30 dB és -2 dB. Ekkor a teljes feszültségerősítés (Vo és Vin aránya): (a) 29.85 (b) 29.5 (c) 10.3 (d) 15.7

7

2. LINEÁRIS ERŐSÍTŐK ÉS MŰVELETI ERŐSÍTŐK ALAPISMERETEI Leegyszerűsítve elektronikus erősítőn egy olyan eszközt értünk, amely egy elektromos jel nagyságát képes megnövelni. A bemeneti jelmennyiség lehet feszültség, áram vagy teljesítmény. Egy lineáris erősítő nemcsak megnöveli a bemenő jel nagyságát, hanem annak pontosan ugyanolyan hullámformájú, alakhű másolatát képes előállítani. A műveleti erősítő - mint a későbbiekben látni fogjuk - olyan eszköz, amely igen jó lineáris erősítő, emellett azonban sokféle nemlineáris áramkör építésére szintén kiválóan alkalmas. Műveleti erősítő (operational amplifier) A műveleti erősítő alapjában egy igen nagy erősítésű, két bemenettel rendelkező feszültségerősítő. A + jellel jelölt bemenetet nem-invertáló bemenetnek, a - jellel jelölt bemenetet pedig invertáló bemenetnek nevezik. A műveleti erősítő e két bemenet közötti feszültségkülönbséget erősíti fel, és a kimeneti feszültség megegyezik a bemenetek közötti feszültségkülönbség és a műveleti erősítő nyílthurkú erősítésének szorzatával. Vo = Aol(V1-V2) ahol Vo - a kimeneti feszültség Aol - a műveleti erősítő nyílthurkú erősítése V1 - a nem-invertáló bemenet feszültsége V2 - az invertáló bemenet feszültsége

(2-1)

Ha mindkét bemenet ugyanolyan potenciálon van, akkor a kimeneti feszültség zéró.

2.1 ábra : A műveleti erősítő rajzjele (VCC a pozitív, -VEE a negatív tápfeszültség vonal)

8

Egy ideális műveleti erősítő jellemzői: •

Végtelen nagy nyílthurkú feszültségerősítés (Aol = ∞).

Még a bemenetek közötti legkisebb feszültségkülönbség is hatására is maximális lesz a kimeneti feszültség.

•

Végtelen nagy bemeneti ellenállás (Ri = ∞)

A két bemenet közötti potenciálkülönbség ellenére sem folyik áram egyik bemeneten sem.

•

Nulla kimeneti ellenállás (Ro = 0)

A műveleti erősítő helyettesítő áramkörének a kimenete tökéletes feszültséggenerátornak tekinthető, amely soros ellenállás nélkül hajtja meg a kimenetre kapcsolt áramkört.

•

Végtelen sávszélesség

Az erősítőnek minden frekvencián azonos az erősítése.

•

Nulla ofszet

Ha a bemenetek között nulla a potenciálkülönbség, akkor a kimenet is pontosan nulla feszültségű.

A valódi műveleti erősítők egyike sem teljesíti ezeket a feltételeket, de sok közülük elég jól megközelíti őket. A továbbiakban - a 3. gyakorlat kísérleteinek kivételével feltételezhetjük, hogy ideális műveleti erősítőkkel dolgozunk és az így kapott eredmények gyakorlati célokra több, mint megfelelőek lesznek.

2.2 ábra : Egy műveleti erősítő egyszerű helyettesítő áramköre

9

Műveleti erősítő tápfeszültsége A legtöbb műveleti erősítő szimmetrikus osztott tápegységet igényel. Az osztott tápegységeknek három kimenetük van. Az egyik kimeneten a földhöz képest pozitív (+VCC) feszültség, a másikon negatív (-VEE) feszültség jelenik meg. A harmadik kivezetés közös pont és mindig a földre van kötve. A legtöbb modern műveleti erősítőnek +/- 3 V és 15 V közötti tápfeszültségre van szüksége. A legtöbb kapcsolásban +/- 12 V tápfeszültséget fogunk használni. Habár a korábban elmondottak alapján a műveleti erősítők kimeneti feszültsége csupán a bemeneti feszültségektől és az erősítő tényező nagyságától függött, emellett azonban a valódi műveleti erősítő áramkörök kimeneti feszültsége csak korlátozott nagyságú lehet, azaz a kimeneti feszültségtartománya véges. A tranzisztoros erősítőfokozatokkal megegyezően – ugyanis az integrált műveleti erősítőkben is ilyen áramkörök találhatók – a korlátokat a tápvonalak feszültségértékei jelentik. Tehát -VEE < Vo < +VCC A 2.1 és 2.2 ábrákon láthatók a műveleti erősítő tápfeszültség vonalai is, amelyeket azonban a kapcsolási rajz jobb áttekinthetősége miatt gyakran nem szoktak feltüntetni. Még ha ezek a csatlakozások nincsenek is kijelölve, mindig be kell kötni őket a tényleges áramköri kapcsolás megépítésekor. Jó gyakorlatnak bizonyult a tápfeszültség vonalakat lehetőleg a műveleti erősítőhöz minél közelebb hidegíteni a föld felé. Ehhez rendszerint 10 - 100 nF-os kerámia kondenzátorokat használnak, amelyek akadályozzák a zaj átjutását a tápvonalakról a műveleti erősítőre. Habár a hidegítés nem mindig feltétlenül szükséges és néha csak részlegesen alkalmazzák, zajos vagy instabil műveleti erősítő áramköröknél kitűnő javító eszköznek bizonyult. Kényelmi okokból egyes műveleti erősítők csak egypólusú tápegységet igényelnek. Ez egy egyszerű kétkivezetésű tápegység, amelynek az egyik kivezetése pozitív avagy negatív a földhöz képest, a másik kivezetés pedig a földre van kötve. Ezek nem annyira gyakoriak, mint az osztott tápegységek, és használati módszereikkel a 9. fejezetben találkozhatunk.

2.3 ábra : Osztott és egyszerű tápegység megvalósítása

10

Negatív visszacsatolás A műveleti erősítő nyílthurkú erősítése az az érték, amit - minden külső áramkört mellőzve - az erősítő kimenetének a bemenetekre történő visszacsatolása nélkül képes biztosítani. A legtöbb erősítő alkalmazásnál a műveleti erősítő nyílthurkú erősítése túl nagy ahhoz, hogy egyfokozatú erősítésre használhassák. Ugyanakkor néhány külső alkatrész hozzáadásával az erősítőfokozat erősítése csökkenthető és stabilizálható, valamint jelentősen javítható több olyan paraméter, amelyek igen fontosak a lineáris erősítőknél. Ez a módszer a negatív visszacsatolás. A negatív visszacsatolás alkalmazásakor a kimeneti jel egy részét kivonják a bemeneti jelből, így a műveleti erősítő bemenetére ténylegesen rákerülő jel az eredeti bejövő jel és a kimenetről meghatározott hányadban visszacsatolt jel különbsége. Tehát végeredményben a negatív visszacsatolás nem magának a műveleti erősítőnek, hanem az egész erősítőfokozat erősítését változtatja meg a műveleti erősítő bemenetére kerülő jel csökkentésével.

2.4 ábra : Erősítőfokozat negatív visszacsatolással

Vi - bejövő jel Vo - kimeneti jel G = Aol - a műveleti erősítő nyílthurkú erősítése B - a visszacsatoló áramkör csillapítása Vf = (B⋅Vo)- a kimentről visszacsatolt jel csillapított része V’i = (Vi - Vf)- ténylegesen a műveleti erősítő bemenetére kerülő jel A Vo=AV·Vi és Vo=G·Vi’ összefüggésekbõl egyszerű számítással belátható, hogy a teljes erősítőfokozat feszültségerősítése: (2-2) G AV = (1 + BG) Ha B·G >> 1 , a fokozat erősítése közelítőleg 1 AV ≈ B

(2-3)

Ez azt jelenti, hogy a teljes erősítő erősítése csak a visszacsatoló áramkör csillapítási tényezőjétől függ. Mivel ez a csillapítás rendszerint olyan stabil elemekkel valósítható meg, mint az ellenállások és a kondenzátorok, így egyszerűen építhetünk nagyon stabil és pontosan a kívánt erősítésű fokozatokat. A fokozat erősítését, amely a (2-2) vagy közelítőleg a (2-3) egyenlettel számítható, zárt hurkú erősítésnek nevezzük. Még egy fogalom, amit ismernünk kell a hurok-erősítés, amelyet a következő egyenlet definiál: Al = Aol ⋅B = G⋅B

11

(2-4)

A 2.4 ábrán vázolt áramkörnek a “-” jellel jelölt része, amely a visszacsatolt jelet kivonja a bejövő jelből, a műveleti erősítőbe eleve beépített, differenciálerősítőnek nevezett fokozat. Ennek a kimenete a kivonási pont. A teljes áramkörre bejövő jel változására V’i is megváltozik és olyan kimeneti jelet kelt, amely a visszacsatoláson keresztül ellene hat V’i változásának. Az eredmény mindig a kezdeti V’i hibajel csökkenése. Műveleti erősítő esetén V’i az invertáló és a nem-invertáló bemenet közötti feszültségkülönbség. Az igen nagy erősítésű áramköröknél, mint a műveleti erősítők, ez azt jelenti, hogy az invertáló és a nem-invertáló bemenetek mindig majdnem egyforma potenciálon vannak. A hibafeszültség értéke: V (2-5) Ve = o Aol Sok gyakorlati alkalmazásnál Ve olyan kicsi, hogy kiinduláskor feltételezhetjük, hogy a két bemenet ugyanolyan potenciálon van. Ez nagyon megkönnyíti sok műveleti erősítő áramkör elemzését. 2/1. Példa Egy erősítőfokozatban, amelyben a nyílthurkú erősítés 100000, negatív visszacsatolást alkalmaznak. A visszacsatolás csillapítási tényezője 0.1 . A bemenetre 1 V feszültségű jelet adunk. Ekkor a fokozat jellemzői: G = 100000

B = 0.1

G AV = = 9.999 (1 + BG ) Vo = Vi ⋅AV = 9.999 V Vf = Vo ⋅B = 0.9999 V V’i = Ve = Vi - Vf = 0.0001 V Kihasználva, hogy BG >> 1 , a következő közelítő eredmények adódnak:

AV =

1 = 10 B

Vo = Vi ⋅AV = 10 V

A negatív visszacsatolás hatása tehát egy erősítőfokozatnál a következő: • •

Erősítés csökkenése (AV < Aol) Jobb linearitás

(az erősítéssel együtt csökken a nemlineáris erősítő komponensek torzító hatása is)

•

A kimeneti ellenállás megváltozása

(csökkenés vagy növekedés a visszacsatoló áramkörtől függően)

•

A bemeneti ellenállás megváltozása

(csökkenés vagy növekedés a visszacsatoló áramkörtől függően)

•

A sávszélesség növekedése

(szélesebb frekvenciatartományban egyenletes marad a fokozat erősítése)

12

A negatív visszacsatolás két típusa Ebben a részben először két alapvető, műveleti erősítővel negatív visszacsatolást alkalmazó áramkört vizsgálunk meg. Az egyik egy nem-invertáló erősítő, melynek kimeneti jele fázisban van a bemeneti jellel, a másik egy invertáló erősítő, ennél pedig kimenet és a bemenet ellentétes fázisú. Nem-invertáló erősítő áramkör (SP) A nem-invertáló áramkör olyan visszacsatolást alkalmaz, amelynél a visszacsatoló (B) áramkör bemenete a műveleti erősítő kimenetére párhuzamosan, a (B) kimenete a műveleti erősítő bemenetére pedig sorosan csatlakozik. (Ez úgy is ismert, mint SP kapcsolás, ti. soros bemeneti és párhuzamos kimeneti csatlakozás). A kimeneti feszültség egy részét visszacsatoljuk a bemeneti jellel sorosan, így az összeg (Ve) majdnem nulla.

2.5 ábra : SP kapcsolás

Mivel a korábbiak szerint Ve nagyon kicsi, Vi közelítőleg egyenlő Vf -fel, és és miután Vf = B⋅Vo , ezért Vi közelítőleg egyenlő B⋅Vo -lal. Így ismét a (2-3) egyenlettel egyezően a kapcsolás feszültségerősítése jó közelítéssel V V 1 AV = o = o = V i BV o B A gyakorlatban használt nem-invertáló erősítő kapcsolásnál a visszacsatoló áramkör egy egyszerű feszültségosztó, amely két sorosan kötött ellenállásból áll.

13

2.6 ábra : Nem-invertáló erősítő (SP)

Az osztólánc felső pontjára kerül a kimenet Vo feszültsége, és az alsó ellenálláson jelenik meg a leosztott Vf . A csillapítás B = Vf / Vo . A leosztott feszültség a feszültségosztó tagjainak ellenállásaival egyszerűen kifejezhető: R2 R2 (2-6) és így B = V f = Vo R1 + R2 R1 + R2 Vagyis a nem-invertáló erősítőfokozat feszültségerősítése: 1 R + R2 R1 AV = = 1 = +1 B R2 R2

(2-7)

Az SP kapcsolás bemeneti impedanciája nagyobb, mint visszacsatolás nélkül a műveleti erősítő bemeneti Ri impedanciája. (2-8) Zi = (1+Aol ⋅B )⋅Ri Az SP kapcsolás kimeneti impedanciája pedig alacsonyabb a visszacsatolás nélküli műveleti erősítő kimeneti Ro impedanciájánál. Ro (2-9) Zo = 1 + Aol B Emlékeztetőként szolgálhat a sorba kapcsolt elemek impedancianövekedése (jelen példában az SP kapcsolás bemenetén), valamint a párhuzamosan kapcsolt elemek impedanciacsökkenése (az SP kapcsolás kimenetén).

14

Az SP fokozat által behozott nemlineáris torzítás (Dsp) kisebb, mint magának a műveleti erősítőnek a nemlineáris torzítása (D).

D sp =

(2-10)

D 1 + Aol B

Az SP kapcsolás sávszélessége is megnő a visszacsatolás nélküli műveleti erősítőhöz képest. A törésponti frekvencia (azaz az a frekvencia, amelynél az erősítés a sávközép erősítéséhez képest 3 dB-el csökken) a következő tényezővel nő 1+Aol ⋅B (2-11) Nem szabad azonban elfelejteni, hogy a sávközéphez tartozó erősítés lényegesen kisebb, mint az Aol.

2/2. Példa Egy, a következó jellemzőkkel rendelkező műveleti erősítőt alkalmazunk az alábbi nem-invertáló erősítő kialakítására: Aol = 100000 ,

Ro = 100 Ω

Ri = 1 MΩ ,

2.7 ábra

1 10

A (2-6) egyenletből:

B=

A (2-7) egyenletből:

AV = 10

Így a kimeneti jel fázisban van a bemeneti jellel, de 10-szer nagyobb. A (2-8) egyenletből: A (2-9) egyenletből:

Zi = 10000 MΩ (!) Zi = 0.1 Ω

(!)

15

A feszültségkövető (voltage follower) Az előző kapcsolás egy speciális és hasznos változatát kapjuk, ha rövidre zárjuk az R1-et és megnyitjuk az R2-t. Ez az áramkör a feszültségkövető.

2.8 ábra : A feszültségkövető (Vo=Vi)

Most B = 1 , és a fokozat feszültségerősítése is egy. Ez a fokozat igen nagy bemeneti impedanciával és nagyon kis kimeneti impedanciával rendelkezik, ezért gyakran használják arra, hogy nagy impedanciájú jelforrásokat a kis impedanciájú terhelésekhez illesszék. A (2-6),...,(2-11) egyenletek itt is érvényesek, csak B = 1 -et kell behelyettesíteni. Egy gyakorlati megfontolást nem szabad elfelejteni, ha váltóáramú csatolást alkalmazunk a bemeneten, azaz, ha csatolókondenzátort helyezünk a jelforrás és a műveleti erősítő neminvertáló bemenete közé. Ebben az esetben nem szabad megfeledkezni arról, hogy egyenáramú csatlakozást is biztosítsunk a nem-invertáló bemenethez (a kis bemenő áram számára.). Ezt rendszerint egy viszonylag nagy értékű ellenállással biztosítani lehet a neminvertáló bemenet és a föld közé kapcsolva. Ez ugyan a fokozat bemeneti impedanciáját csökkenti, de ez elkerülhetetlen.

2.9 ábra : Feszültségkövető váltóáramú csatolással

16

Invertáló erősítő áramkör (PP) Az invertáló erősítő áramkör kapcsolásában olyan visszacsatolást használnak, amelynél a visszacsatoló áramkör párhuzamosan kapcsolódik a műveleti erősítőnek mind a kimenetére, mind az invertáló bemenetére.

2.10 ábra : Invertáló erősítő (PP) kapcsolás

Ez az áramkör igen kis bemeneti impedanciával és igen kis kimeneti impedanciával rendelkezik. A visszacsatoló hálózat egyetlen R1 ellenállásból áll. A hibafeszültség itt is nagyon kicsi és a jelforrás felé az invertáló bemenet földpotenciálon lévőnek látszik. Mivel az áramkör úgy viselkedik, mintha ez a pont mindig földpotenciálon lenne, ezt gyakran "virtuális földnek" nevezik. A jelforrás számára úgy tűnik, hogy az Iin bemeneti áram a föld felé folyik, de valójában ez az R1-en kell, hogy folyjon, mivel nincs közvetlen út a föld felé, mert a műveleti erősítő bemeneti impedanciája igen magas. Az R1-en folyó Iin áram feszültségesést hoz létre. Az R1 bal oldalán majdnem nulla a feszültség, ezért: (2-12) Vo = -Iin ⋅R1 A PP áramkör úgy viselkedik, mint egy áram-feszültség konverter és erről bővebben szól a 4. fejezet. Az alap PP áramkör árammal van meghajtva, mivel feszültség nem épülhet fel a bemenetein. Egy további R2 ellenállás hozzáadásával a jelforrás és az invertáló bemenet között áramkorlátozó hatás érhető el, így ezzel együtt a PP kapcsolás már invertáló feszültségerősítőként fog működni.

2.11 ábra : Invertáló erősítő

Az Rl és R2 ellenállás feszültségosztót képez a Vi és Vo -ra nézve. A műveleti erősítő mindig olyan Vo-t bocsát ki, amely az Rl és R2 közös csatlakozási pontján ugyanazt a feszültséget igyekszik fenntartani, mint ami a nem-invertáló bemenetén van (0 V-ot).

17

2.12 ábra : Invertáló erősítő feszültségviszonyai, amelynek a nem-invertáló bemenete a földre van kötve.

Most Iin = Vi/R2 , és a fokozat feszültségerősítése a következő: R AV = − 1 R2

(2-13)

A negatív előjel a fázisfordítást jelzi. A kimenet fázisa a bemenethez képest 180 fokkal el van tolva. A bemeneti impedancia minden gyakorlati célra megfelelően a következőképpen fejezhető ki: Zi = R2 (2-14) Itt is, mint az SP kapcsolásnál, a kimeneti impedancia nullához közelít. Ro1 Zo = ⎛ R2 ⎞ ⎜1 + Aol ⎟ R1 + R2 ⎠ ⎝

(2-15)

2/3. Példa A 2/2. példa szerinti műveleti erősítőt használjuk egy invertáló erősítő kialakítására:

2.13 ábra A (2-13) egyenlet szerint AV = - 10 vagyis a kimeneti jel ellentétes fázisú, mint a bemeneti jel, és tízszer nagyobb. A (2-14) egyenlet alapján: Zi = 1 kΩ A (2-15) egyenlet alapján: Zo = 0.011 Ω

18

Összegző erősítő (summing amplifier) Ha a 2.11 ábrán lévő invertáló erősítő egy bemenetét több bemenettel helyettesítjük, egy "összegző erősítőt" kapunk.

2.14 ábra : Összegző erősítő

Mindegyik bemenet úgy járul hozzá a kimeneti feszültség kialakulásához, mintha ez volna az egyetlen bemenet. Egy bemeneti jel a többi bemenettől függetlenül hozza létre bemeneti áramát. Mindegyik bemenet úgy viselkedik, mintha bemeneti ellenállása a földre lenne kapcsolva - ez egy “látszólagos földpont” (virtual ground). Például a V1 által keltett bemeneti áramkomponens megegyezik V1/R1-el és az összes többi bemenet is hasonlóan viselkedik. Az összes ilyen bemeneti áramkomponens az Rf ellenálláson adódik össze, és olyan kimeneti feszültséget hoznak létre, amely megfelel az Rf-en fellépő feszültségesésnek. (2-16) Rf Rf Rf ⎤ ⎡ Rf ⎡V V V V ⎤ + V2 + V3 + V4 Vo = − R f ⎢ 1 + 2 + 3 + 4 ⎥ = − ⎢V1 ⎥ R2 R3 R4 ⎦ ⎣ R1 R2 R3 R4 ⎦ ⎣ R1 Abban a speciális esetben, ha R1=R2=R3=R4=Rf Vo = - [ V1 + V2 + V3 + V4 ] Ez éppen az összes bemenő jel inverz algebrai összege. 2/4. Példa A 2-15 ábra szerinti áramkörnél a következő bemeneti jelek vannak: Vl = + 1 V , V2 = - 2 V , V3 = + 3 V V4 = 2 V csúcsfeszültségű szinuszhullám

19

(2-17)

2.15 ábra A kimenő jel a (2-17) egyenletből számítható: Vo = - 2 V - 2 V sin(ωt) ,ahol 2 V sin(ωt) a 2 Volt csúcsfeszültségű szinuszhullámot jelzi. Ez azt jelenti, hogy a kimeneten a bemenethez képest invertálva egy 2 V csúcsfeszültségű és a -2 V-os egyenfeszültségszintre szuperponált szinuszhullám jelenik meg.

2.16 ábra

20

Különbségi (differenciál) erősítő (difference amplifier) Ha egy invertáló erősítőt és egy nem-invertáló erősítőt összeépítünk, egy "különbségi (differenciál) erősítőt" kapunk.

2.17 ábra : Differenciálerősítő

Mindegyik bemenet saját kimeneti feszültség-komponensét állíja elő. Ha segítségül hívjuk a szuperponálás elvét és a V2-t nullára állítjuk, a Vl egy invertáló erősítőt lát R1/R2 erősítéssel és így a V1-el jelölt bemenethez tartozó kimeneti feszültségkomponens Vl(-R1/R2) lesz. Vagyis az 1-es bemenet erősítési tényezője: R AV (1) = − 1 R2 Ha most a Vl -et állítjuk nullára, a V2 egy Rl/(R1+R2) osztású feszültségosztót lát, amelyet egy nem-invertáló erősítő követ (R1+R2)/R2 erősítéssel. (Ha ez így nem meggyőző, rajzolja újra az áramkört a fenti két feltétel figyelembevételével és összehasonlítva a korábbiakkal már egyszerűen beláthatók állításaink.)

A teljes erősítés a V2-re nézve a következő szorzat: ⎛ R1 ⎞ ⎛ R1 + R2 ⎞ R1 AV ( 2) = ⎜ ⎟⎜ ⎟= ⎝ R1 + R2 ⎠ ⎝ R2 ⎠ R2 V2 ekkor V2(R1/R2) nagyságú kimeneti feszültségkomponenst kelt. A tényleges kimeneti feszültség ekkor e két komponens összege lesz.

⎛ R ⎞ R R1 + V1 ⎜ − 1 ⎟ = 1 (V2 − V1 ) R2 ⎝ R2 ⎠ R2 Abban a speciális esetben, ha R1 = R2 , úgy V o = V2

Vo = V2 - VI Ez pedig éppen a két bemeneti feszültség algebrai különbsége.

21

ÖSSZEFOGLALÁS Egy lineáris erősítő a bemeneti jel megnövelt nagyságú és pontos alakhű másolatát képes előállítani a kimenetén. A műveleti erősítő egy igen nagy erősítésű feszültségerősítő. Képes erősíteni az összes frekvenciát az egyenfeszültségtől a vágási frekvenciájáig - ez az a frekvencia, amelynél a kimeneti jel a maximumához képest 3 dB-t csökken. A visszacsatolás minden áramkörnél a kimeneten megjelenő jel egy részének a bemenetre történő visszavezetését jelenti. Ha egy erősítő áramkör kimeneti jelét olymódon vezetnek vissza a bemenetére, hogy a teljes erősítés csökken, "negatív visszacsatolást" valósítottak meg. Az B = ef /eo arányt - ahol eo a kimeneti jel, ef pedig a visszavezetett jel nagysága - visszacsatolási aránynak nevezzük. Egy lineáris erősítőre adott negatív visszacsatolás csökkenti és stabilizálja annak erősítését, megváltoztatja a kimeneti és bemeneti impedanciákat, javítja a frekvenciajelleggörbét és csökkenti a torzítást. A B rendszerint 0 és 1 közötti érték (csillapítás). Minél közelebb van a B értéke egyhez, annál erősebb a visszacsatolás és annál hangsúlyozottabb annak hatása. A műveleti erősítővel megvalósított nem-invertáló erősítő áramkör nagy bemeneti- és kis kimeneti impedanciával rendelkezik. Fázisváltás nélkül erősít és kitűnő közbenső elem egy nagy impedanciájú forrás elkülönítésére a kis impedanciájú terhelésektől. A műveleti erősítővel felépített invertáló erősítő áramkör a bemenetén lévő ellenállás által beállított adott bemeneti és kis kimeneti impedanciával rendelkezik. Az erősítés ugyan fázisfordítással történik, azonban a kapcsolás így is kitűnően megfelel összegző vagy keverő áramkörökhöz. Az összegző erősítő alkalmas két vagy több bemeneti jel algebrai összegének előállítására, míg ugyanakkor jó elválasztást biztosít a jelforrások között. A kimeneti jel lehet egyszerű összeg vagy a bemeneti ellenállások megfelelő megválasztásával kialakított súlyozott összeg. A differenciálerősítő a két bemeneti jel algebrai különbségét állíja elő a kimenetén és főképp jelfeldolgozó rendszerekben alkalmazzák. Ebben az esetben is a megfelelő elemek változtatásával súlyozhatók a bemenetek.

22

1. GYAKORLAT Nem-invertáló erősítők Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa egy 741 típusú műveleti erősítővel felépített nem-invertáló (SP negatív visszacsatolású) erősítő működését.

2.18 ábra

Alkatrészlista: • • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 2 db 10 kΩ-os ellenállás 1 db 1 kΩ-os ellenállás 1 db 100 kΩ-os potenciométer CADET mérőpanel kétcsatornás oszcilloszkóp

Alapösszefüggések: Vf ≈ Vi

ASP =

Vo Vo R1 = = +1 Vi V f R2

23

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze az áramkört, figyelve arra, hogy a jelgenerátor, az oszcilloszkóp és az áramkör földpontja össze legyen kötve. Állítsa be a jelgenerátort olymódon, hogy csúcstól-csúcsig 1 V-os feszültségű, 1 kHz-es szinuszjelet adjon és ezt kösse az erősítő áramkör bemenetére. (Az erősítő előtt beépített 100 kΩ-os potenciométerre nincs szükségünk, ha a jel kívánt nagyságát a jelgenerátoron már pontosan beállítottuk, ekkor a közvetlenül a nem-invertáló bemenetre is csatlakozhatunk. Ez esetben ügyeljünk, hogy potenciométer csúszóérintkezőjét ne állítsuk a föld felőli végállásba.) Az erősítő áramkör bemenetét és kimenetet az oszcilloszkóp 1. illetve 2. csatornájára csatlakoztassuk. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 0.5 V/osztás 2. csatorna: 2 V/osztás váltófeszültségű csatolás időalap: 500 μs/osztás

3. Állítsa be a mérőpanel tápegységének egyenfeszültség vonalait +12 illetve -12 Vra, majd kapcsolja a tápvonalakat az áramkörre. Az erősítő bemeneti jelét az oszcilloszkóp képernyőjén állítsa a kimeneti jel fölé majd írja be Vo és Vi értékeit az alábbi minta alapján készített táblázatba. R2

Vo

Vi

Vo Vi

R1 +1 R2

1 kΩ 10 kΩ

4. Csatlakoztassa oszcilloszkóp 2. csatornáját Vo helyett Vf-re. Mérje meg és jegyezze fe1 Vf értékét. Figyelje meg, hogy Vf a Vo-hoz hasonlóan fázisban van Vivel. Mekkora a különbség Vf és Vi mért értékei között? 5. A megfelelő egyenletekből számítsa ki az áramkör mért és elméleti feszültségerősítéseit és írja be a táblázatba. Ezeknek l0 %-on belül meg kell egyezniük. 6. Cserélje ki R2-t egy 10 kΩ ellenállásra és ismételje meg a 3. és 4. lépéseket. Mi történt az erősítéssel?

24

Ellenőrző kérdések: 1. A 2.18 ábrán lévő áramkörnél az Asp közelítő értéke (a) 10 (b) 11 (c) 12 2. Vo-nak mekkora része jut vissza a 2.18 ábrán lévő áramkörnél az invertáló bemenetre? (a) 1/11 (b) 1/10 (c) 1/12 3. Ha a 2.18 ábrán lévő kapcsolásban szereplő 74l erősítése 100000 és Vi = 1 V , a műveleti erősítő bemenetei között a feszültség (a) 0.011 V (b) 0.0011 V (c) 0.00011 V 4. Ha R2 = 1 kΩ, az Asp = 3 eléréséhez az R1 értékének a következőnek kell lenni (a) 2 kΩ (b) 3 kΩ (c) 30 kΩ

25

2. GYAKORLAT Feszültségkövetők Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa egy 741 típusú műveleti erősítővel felépített feszültségkövető működését (SP negatív visszacsatolás).

2.19 ábra

Alkatrészlista: • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 1 db 1 kΩ-os ellenállás 1 db 100 kΩ-os potenciométer CADET mérőpanel kétcsatornás oszcilloszkóp

Alapösszefüggések: Vo = Vi ASP =

Vo =1 Vi

26

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze az áramkört, figyelve arra, hogy a jelgenerátor, az oszcilloszkóp és az áramkör földpontja össze legyen kötve. Állítsa be a jelgenerátort olymódon, hogy csúcstól-csúcsig 2 V-os feszültségű, 1 kHz-es szinuszjelet adjon és ezt kösse az áramkör bemenetére. (Az erősítő előtt beépített 100 kΩ-os potenciométerre nincs szükségünk, ha a jel kívánt nagyságát a jelgenerátoron már pontosan beállítottuk, ekkor a közvetlenül a nem-invertáló bemenetre is csatlakozhatunk. Ez esetben ügyeljünk, hogy potenciométer csúszóérintkezőjét ne állítsuk a föld felőli végállásba.) Az erősítő áramkör bemenetét és kimenetet az oszcilloszkóp 1. illetve 2. csatornájára csatlakoztassuk. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 1 V/osztás 2. csatorna: 1 V/osztás váltófeszültségű csatolás időalap: 500 μs/osztás

3. Kapcsolja a tápfeszültséget az áramkörre. Az erősítő bemeneti jelét az oszcilloszkóp képernyőn állítsa a kimeneti jel fölé és írja be Vo és Vi értékeit az alábbi mintára készített táblázatba. Figyelje meg, hogy a Vo fázisban van a Vi -vel és azonos amplitúdójúak. Vi

Vo

1 kΩ a műveleti erősítő kimenetén (3.lépés) 1 kΩ a műveleti erősítő bemenetén (4.lépés) 4. Vegye ki az R1 ellenállást és csatlakoztassa újra a nem-invertáló bemenet és a föld közé. Mi történik a nem-invertáló bemeneten lévő jellel és miért? Ellenőrző kérdések: 1. A 2.19 ábrán lévő áramkör Asp értéke: (a) 0.9 (b) 1.0 (c) 1.1 2. Vo-nak mekkora része jut vissza a 2.19 ábrán lévő áramkörnél az invertáló bemenetre? (a) 0.9 (b) 1.0 (c) 1.1 3. Ha a 2.19 ábrán szereplő műveleti erősítő erősítése 100000 és Vi = 1 V, a bemenetek közötti feszültség (a) 0.01 V (b) 0.0001 V (c) 0.00001 V 4. Ha a műveleti erősítő paraméterei a következők: Aol=100000 ; Ri = 1 MΩ, mennyi a 2-19 ábrán lévő fokozat bemeneti impedanciája? (a) 10 MΩ (b) 100 MΩ (c) 100000 MΩ

27

3. GYAKORLAT Invertáló erősítők Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa az invertáló erősítő működését egy 741 típusú műveleti erősítővel megvalósított kapcsolásban.

2.20 ábra

Alkatrészlista: • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 1 db 1 MΩ-os ellenállás 1 db 100 kΩ-os ellenállás CADET mérőpanel kétcsatornás oszcilloszkóp

Alapösszefüggések: ASP =

Vo R =− 1 Vi R2

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze az áramkört, figyelve arra, hogy a jelgenerátor, az oszcilloszkóp és az áramkör földpontja össze legyen kötve. A bemeneti jel ismét közvetlenül a jelgenerátor kimenetéről származik. Állítsa be a jelgenerátort olymódon, hogy csúcstól-csúcsig 1 V feszültségű, 1 kHz-es szinuszjelet adjon. Az erősítő áramkör bemenetét és kimenetét ismét az oszcilloszkóp 1. illetve 2. csatornájára csatlakoztassa. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 0.5 V/osztás 2. csatorna: 2 V/osztás váltófeszültségű csatolás időalap: 500 μs/osztás

28

3. Kapcsolja a tápfeszültséget az áramkörre. Figyelje meg, hogy Vo ellentétes polaritású, mint Vi és jóval nagyobb amplitúdójú. Jegyezze le a mért értékeket és hasonlítsa össze a számolt és a mért erősítéseket. 4. Az oszcilloszkóp l. csatornáját csatlakoztassa most a műveleti erősítő invertáló bemenetére. Mekkora feszültség mérhető ezen a ponton? Jegyezze fel, amit leolvas. Vi = V’i = Vo = Vo/Vi = R1/R2 =

V (csúcstól csúcsig) V (csúcstól csúcsig) V (csúcstól csúcsig) (mért AV) (számított AV)

Ellenőrző kérdések: 1. A 2.20 ábrán lévő invertáló erősítő bemeneti impedanciája (a) 1 MΩ (b) 100 kΩ (c) 90 kΩ 2. Ha Aol = 100000 és Rol = 100 Ω , mennyi a 2.20 ábrán lévő áramkör kimeneti impedanciája? (a) 1 MΩ (b) 100 Ω (c) 0.01 Ω 3. Ha R1-et 100 kΩ-ra csökkentjük, a fokozat erősítése (a) 2 (b) -1 (c) 3 4. Ha R1-et 100 kΩ-ra csökkentjük, a 2.20 ábrán lévő fokozat bemeneti impedanciája (a) 100 kΩ (b) 50 kΩ (c) 200 kΩ

29

4. GYAKORLAT Összegző erősítők Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa az összegző erősítők működését egy 741 típusú műveleti erősítővel.

2.21 ábra

Alkatrészlista: • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 3 db 100 kΩ-os ellenállás multiméter CADET mérőpanel kétcsatornás oszcilloszkóp

Alapösszefüggések:

⎡V V V ⎤ Vo = − R f ⎢ 1 + 2 +...+ N ⎥ RN ⎦ ⎣ R1 R2 ha R1 = R2 = … = RN = Rf , akkor Vo = - [ V1 + V2 + … + VN ]

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze az áramkört, az előző kísérletek módszeréhez hasonlóan. Ne feledkezzen meg a műveleti erősítő tápfeszültségéről! Ehhez az áramkörhöz két bemeneti jelre lesz szükség, az egyik egy váltófeszültségű (V1), a másik egy egyenfeszültségű (V2) jel. V1 a mérőpanel jelgenerátorának kimenetéről, V2 pedig a mérőpanel 10 kΩ-os potenciométerének csúszóérintkezőjéről vehető le, miközben a potenciométer szélső érintkezői a +12V-os illetve a 0 V-os tápfeszültségvonalakra csatlakoznak. Állítsa be a jelgenerátort olymódon, hogy csúcstól-csúcsig 2 V feszültségű szinuszjelet adjon.

30

2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 1 V/osztás 2. csatorna: 1 V/osztás egyenfeszültségű csatolás időalap: 500 μs/osztás

Állítsa a V2-t szolgáltató egyenfeszültséget 0 V-ra úgy, hogy a 10 kΩ-os potenciométer csúszóérintkezőjét a föld felőli végállásba viszi. 3. Kapcsolja a tápfeszültséget az áramkörre. Ezután emelje meg a V2 feszültséget +2 V-ra. Eközben az oszcilloszkóp képernyőjén a kimeneti szinuszjelnek a 2 V-nak megfelelő távolsággal lefelé kell elmozdulnia. Rajzolja le a be- és kimeneti hullámalakokat (egy ciklust) és tüntesse fel a rajzon a kimenet maximális Vmax, minimális Vmin és az átlagos Vave feszültségű pontjait és jegyezze le a hozzájuk tartozó mért értékeket. Vmax

Vmin

Vave

V2 = +2 V esetén 4. Csatlakoztassa a V2-t szolgáltató potenciométer végét a mérőpanel +12 V egyenfeszültsége helyett most a -12 V-os egyenfeszültséghez és állítsa be a csúszóérintkezőt -2 V-ra. Ezt a kimeneti hullámformát is rajzolja le és jegyezze le a mért értékeket. Vmax

Vmin

Vave

V2 = -2 V esetén Ellenőrző kérdések: 1. A 2.21 ábrán lévő összegző erősítő bármelyik bemenetére a feszültségerősítés (a) +1 (b) -1 (c) +2 2. Mennyi a 2.21 ábrán lévő áramkör bemeneti impedanciája? (a) 50 kΩ (b) 100 kΩ (c) 200 kΩ 3. Ha a 3. pontban R1 = 50 kΩ lett volna, akkor mennyi lett volna a kimeneti jel átlagértéke? (a) -1 V (b) +4 V (c) -4 V 4. Ha minkét bemenetre egyidejűleg ugyanazt a csúcstól csúcsig 1V-os szinuszjelet adunk, akkor a 2.21 ábrán lévő erősítő kimeneti jele csúcstól csúcsig (a) 2 V (b) 1 V (c) 0 V

31

5. GYAKORLAT Differenciálerősítők Ennek a kísérletnek az a célja, hogy bemutassa a differenciál erősítők működését egy 741 típusú műveleti erősítővel.

2.22 ábra

Alkatrészlista: • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 4 db 100 kΩ-os ellenállás multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: A=

R1 R2

Vo = A (V2 - V1) ha R1 = R2 , akkor Vo = V2 - V1

32

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze az áramkört a 2.22 ábra szerint. Ehhez az áramkörhöz két bemeneti jelre lesz szükség, az egyik egy pozitív egyenfeszültségű (V1), a másik egy negatív egyenfeszültségű (V2) jel. V1 a mérőpanel 10 kΩ-os potenciométerének csúszóérintkezőjéről, V2 pedig a mérőpanel 1 kΩ-os potenciométerének csúszóérintkezőjéről vehető le, miközben a potenciométerek szélső érintkezői a 0V-os és -12V-os tápvonalakra, illetve a 0V-os és +5V-os tápvonalakra csatlakoznak. Állítsa először mindkét egyenfeszültséget 0 V-ra. 2. Állítsa a multimétert legalább 20 V-os egyenfeszültségű méréshatárba. 3. Kapcsolja a tápfeszültséget az áramkörre és a multiméter segítségével állítsa be a V1 feszültséget -2 V-ra. Ugyanígy állítsa be a V2 feszültséget +3 V-ra. Mérje meg és jegyezze le Vo értékét. V1 = -2 V V2 = +3 V Vo = V (mért) 4. A megfelelő egyenlet alapján számítsa ki Vo értékét és hasonlítsa össze a mért értékkel. A két értéknek 10 %-on belül meg kell egyezni. Vo = V (számított) eltérés: % 5. Vegye le a V2 bemenetet a +3 V-ról és most csatlakoztassa a -2 V-os vonalhoz. Mérje meg és számítsa ki Vo új értékeit. V1 = -2 V V2 = -2 V Vo = V (mért) Vo = V (számított) Ellenőrző kérdések: 1. Ha V1 = +2 V, V2 = +3 V akkor Vo értéke (a) +5 V (b) +1 V (c) -1 V 2. Melyik érték közelíti legjobban a V2 bemenet bemeneti impedanciáját? (a) 50 kΩ (b) 100 kΩ (c) 200 kΩ 3. A V1 bemenet bemeneti impedanciája (a) 50 kΩ (b) 100 kΩ (c) 200 kΩ 4. Ha R2 = 50 kΩ , R1 = 100 kΩ , V1 = +2 V , V2 = +3 V akkor Vo értéke (a) +10 V (b) +2 V (c) -2 V

33

3. MŰVELETI ERŐSÍTŐK SPECIFIKÁCIÓJA Bevezetés Mint ahogy már láttuk a korábbiakban, a műveleti erősítő áramköröket gyakran az ideális műveleti erősítő koncepció felhasználásával tervezik, de sok olyan műveleti erősítő alkalmazás létezik, amelyeknél nagyobb igényeknek kell megfelelni és amelyeknél jobban kell figyelni egy adott műveleti erősítő típus jellemzőire. Ennek a fejezetnek az a célja, hogy bemutassa • a valódi műveleti erősítők fontosabb paramétereit • hogyan kell kiolvasni a műveleti erősítő paramétereit a gyártó adatlapjáról • hogyan befolyásolják a specifikált adatok a tényleges áramkör viselkedését • hogyan kompenzálható néhány nem ideális jellemző Kimeneti ofszet-feszültség (output offset voltage) Ideális esetben, ha a műveleti erősítő fokozat bemenetén nulla a feszültség, a kimeneten lévő jelnek is nullának kell lenni. Egy tényleges áramkörnél általában mindig fellép egy kicsi egyenfeszültségű kimeneti jel, még akkor is, ha a bemenet zéró. Ezt a nem kívánt jelet nevezzük "kimeneti ofszet-feszültségnek". A kimeneti ofszet-feszültségnek elsősorban két forrása van: • a bemeneti előfeszítő áram • a bemeneti ofszet-feszültség Bemeneti előfeszítő áram (input bias current) A bemeneti előfeszítő áramok azok az áramok, amelyeknek be kell folyni a műveleti erősítő két bemenetébe, hogy megfelelő előfeszítést biztosítsa a műveleti erősítő bemenetén a differenciál erősítőfokozat tranzisztorai számára. Gyakorlati alkalmazásnál tehát egy műveleti erősítőnél nem nullák az áramok a bemeneti csatlakozóknál, ahogy ezt feltételezzük az ideális műveleti erősítőnél. Némi áram folyik a bemenetekbe és ez azt eredményezi, hogy a kimeneti feszültség a nullától kissé eltérő értékű. A bemeneti előfeszítő áramok rendszerint egészen kicsik és ezeket nA-ben mérik. A bemeneti előfeszítő áramot úgy lehet definiálni, mint a két bemeneti áram átlagértéke a műveleti erősítő bemeneti differenciál fokozatánál.

34

3.1 ábra : Invertáló erősítő (A) előfeszítő áramkompenzálás nélkül, (B) előfeszítő áramkompenzálással

A 3.l ábrán a Vo nem pontosan egyezik meg az Ii és R1 szorzatával, mivel az Ii -nek egy része az invertáló bemeneten "folyik" be Ib előfeszítő áramként. Ez természetesen feltételezi, hogy az invertáló bemenet látszólagos (virtuális) földpont. A kimeneti ofszet-feszültségkomponens, amelyet a bemeneti előfeszítő áram kelt az invertáló erősítőben közelítőleg: (3-1) Eos = Ib ⋅ R1 ahol Eos - kimeneti ofszet-feszültségkomponens, amelyet a bemeneti előfeszítő áram kelt Ib - bemeneti előfeszítő áram R1 - visszacsatoló ellenállás Ez az Eos komponens csökkenthető a lehető legkisebb értékű R1 alkalmazásával, amely az egyéb áramköri követelményekkel összefér. Mivel az R1 csökkentése növeli a műveleti erősítő terhelését és csökkenti a fokozat bemeneti impedanciáját, ez csak egy bizonyos határig folytatható. Ha a műveleti erősítő mindkét bemenetén azonos nagyságú előfeszítő áramot tételezünk fel, adott a lehetőség, hogy a 3.1 ábrán lévő áramkör nem-invertáló bemenete és a föld közé egy ellenállást iktassunk be, amely részben kompenzálja az előfeszítő áram következtében fellépő Eos komponenst. Alkalmas ellenállásértéket választva az áram, amely az R3 ellenálláson folyik, az előzővel azonos nagyságú, ellentétes polaritású -Eos komponenst kelt és így kompenzálja az invertáló bemeneten lévő előfeszítő áramot. Az R3 azon értéke, amelynél ez bekövetkezik egyenlő az Rl és R2 párhuzamos eredőjének értékével: RR (3-2) R3 = 1 2 R1 + R2 Sajnos a bemeneti előfeszítő áram két értéke rendszerint nem pontosan egyforma és így az R3 fenti értéke sem biztosít tökéletes kompenzálást.

35

Bemeneti ofszet-áram (input offset current) A két bemeneti előfeszítő áram különbsége - nulla kimenet mellett - a "bemeneti ofszet-áram". A bemeneti ofszet-áram miatti kimeneti ofszet feszültségkomponens (3-3) Eos = Ios ⋅ R1 ahol Eos - kimeneti ofszet-feszültségkomponens, amelyet a bemeneti ofszet-áram kelt Ios - bemeneti ofszet-áram R1 - visszacsatoló ellenállás

+

-

3.2 ábra : Az Ios ofszet-áram abban az esetben, ha Ib > Ib

Az R3 ugyan nem tökéletesen, de csökkenti a kimeneti ofszet-feszültséget, mivel az előfeszítő áramok különbsége rendszerint kisebb, mint maguk a tényleges előfeszítési áramok. Az eredményezett kimeneti ofszet-feszültség bármely polaritású lehet az adott műveleti erősítő belső illesztetlenségeitől függően. Bemeneti ofszet-feszültség (input offset voltage) A bemeneti ofszet-feszültség az a különbségi feszültség, amelyet a műveleti erősítő két bemenetére kell adni, hogy a kimenet nulla legyen. Ennek hatását általában egy a "tökéletes" műveleti erősítő nem-invertáló bemenetével sorba kapcsolt feszültségforrással jelzik. Ezt a műveleti erősítő belső komponenseinek kismértékű illesztetlensége okozza.

3.3 ábra : Vos képviseli a bemeneti ofszet-feszültség hatását

A 3.3 ábrán lévő invertáló erősítő áramkörénél a bemeneti ofszet-feszültség miatt fellépő kimeneti ofszet-feszültségkomponens a következők szerint számítható

36

E os =

R1 + R2 Vos R2

(3-4)

A bemeneti ofszet-feszültséget képviselő telep az áramkört nem-invertáló erősítőként látja. A bemeneti ofszet-feszültség hatását csökkenteni lehet, ha a - rendszerrel szemben támasztott követelményekkel még összeegyeztethető - legalacsonyabb lehetséges zárthurkú feszültségerősítést alkalmazzák. 3/1. Példa Meghatározandó egy invertáló erősítő fokozat kimeneti ofszet-feszültsége (lásd 3.1 ábra), ha R1 = 1 MΩ és R2 = 10 kΩ. A 741-es műveleti erősítő adatlapja a következő értékeket adja meg: Bemeneti ofszet-feszültség: 1 mV Bemeneti előfeszítő áram: 80 nA Bemeneti ofszet-áram: 20 nA A bemeneti előfeszítő áram miatti kimeneti ofszet Eos = Ib ⋅ R1 = 80 mV A bemeneti ofszet feszültség miatti kimeneti ofszet

E os =

R1 + R2 Vos = 101 mV R2

3.4 ábra A 3.4 ábrán látható módon beépítve az R3 = 9.9 kΩ-os ellenállást a kimeneti ofszetet csökkenteni lehet. Az első előfeszítő áram miatti Eos komponens a következő: Eos = Ios ⋅ R1 = 20 mV Mivel a két kimeneti ofszet-feszültség komponens különböző okokra vezethető vissza, és mindkettő bármely polaritású lehet, a legrosszabb eset akkor lép fel, ha hatásuk összeadódik. R3 nélkül: R3-mal:

Eos = 181 mV Eos = 121 mV

Az előfeszítő áram miatti Eos komponens az áramköri ellenállás függvénye. Az Ios bemeneti ofszetfeszültség miatti komponense az áramkör zárthurkú feszültség-erősítésének függvénye. Bármelyik lehet meghatározó a tervező által választott ellenállás és erősítés értékektől függően.

37

Kimeneti ofszet kiegyenlítés Ha a kimeneti ofszet kritikus tényező az áramkörtervezésnél, a tervezőnek a következőkre kell ügyelni • • • •

Olyan műveleti erősítőt válasszon, amelynek bemeneti ofszet-árama és bemeneti ofszet-feszültsége csekély. Használjon minimális ellenállás értékeket. Alkalmazza a lehető legkisebb zárthurkú egyenfeszültségű erősítést. Biztosítsa az R3 helyes értékét.

Abban az esetben, ha az előző lépések még mindig nem csökkentik eléggé a kimeneti ofszetet, sok műveleti erősítőnél lehetőség van nullpontszabályzó potenciométer csatlakoztatására és a kimeneti feszültség pontos kinullázására a nulla bemeneti feszültségszint esetén. A gyártó adatlapja jelzi az alkalmazandó potenciométer értékét és a kívánt kiegészítő áramkört az adott műveleti erősítő típushoz.

Nyílthurkú feszültségerősítés (open-loop voltage gain) A 3.5 ábrán feltüntetett Aol nyílthurkú feszültségerősítés definíció szerint a kimeneti feszültség változásának és a bemenetek megfelelő feszültségkülönbség változásának az aránya. A nyílthurkú feszültségerősítést visszacsatolás nélkül mérik. Az ideális műveleti erősítőtől eltérően a nyílthurkú feszültségerősítés frekvencia- és hőmérsékletfüggő. A hőmérséklet növekedésével Aol kismértékben, de folyamatosan csökken, míg a növekvő frekvencia csak egy bizonyos érték fölött idézi elő az Aol csökkenését, amelynek mértéke attól függ, hogy milyen frekvenciakompenzálást alkalmaztak.

3.5 ábra : Nyílthurkú feszültségerősítés

Frekvenciakompenzáció A műveleti erősítőket rendszerint egy kompenzáló kondenzátorral együtt alkalmazzák, amely biztosítja, hogy a műveleti erősítővel megépített áramkör nem fog “berezegni”. Ez a kondenzátor lehet a műveleti erősítőbe beépített, vagy külső kapacitás. Ha a kondenzátor beépített, a műveleti erősítőt belső kompenzálásúnak nevezik, és ilyenkor a felhasználó nem tudja befolyásolni az Aol a frekvencia függvénye szerinti csökkenésének mértékét. Ha a kondenzátor külső, a műveleti erősítőt külső kompenzálásúnak nevezzük, és a felhasználónak több befolyása van a műveleti erősítő frekvenciamenetére.

38

3.4 ábra : Néhány tipikus kapcsolás a külső frekvenciakompenzálásra

A belső kompenzálású műveleti erősítők alkalmazása kényelmesebb, míg a külső kompenzálású műveleti erősítők frekvenciaátvitele jobb. A műveleti erősítő frekvenciakompenzálása a nyílthurkú erősítés frekvenciamenetét változtatja olymódon, hogy a műveleti erősítő már nem jön rezgésbe azon magasabb frekvencián, ahol belső fázistolás következtében a kimenet fázisa jelentősen késni kezd. Ha a frekvencia még tovább nő, az Aol érték csökken és a fázistolás a műveleti erősítőben még nagyobb lesz. Ha a műveleti erősítő és a visszacsatoló áramkör teljes fázistolása eléri a 360°-ot, mielőtt a hurokerősítés (A⋅B) egynél kisebb értékre csökken, az áramkör instabillá válik és rezegni kezd. A frekvenciakompenzálás biztosítja, hogy a hurokerősítés egynél kisebb értékre csökkenjen, mielőtt a teljes fázistolás eléri a 360°-ot. Ha az áramkört ilyen módon kompenzálták, azt mondjuk, hogy ekkor az áramkör feltétel nélkül stabil. A frekvenciakompenzálás csökkenti a nagyfrekvenciás átvitelt, ezért ahol ez fontos tényező, csak a stabilitáshoz szükséges minimális kompenzálást szabad alkalmazni. Mivel a kisebb erősítésű áramkörök rendszerint erősebben vannak visszacsatolva, mint a nagy erősítésűek, a kis erősítésű erősítő áramköröknek ugyanolyan műveleti erősítő esetén rendszerint nagyobb kompenzálásra van szükségük, mint a nagy erősítésű áramköröknek. Ennek oka a B nagyobb értéke. Nagyjelű jelváltozási sebesség (slew rate) Azt a maximális változási sebességet, amelyet a műveleti erősítő kimenete képes biztosítani, "slew rate"-nek nevezzük. Ha tökéletes négyszögjelet adunk egy műveleti erősítő bemenetére, a kimenet az egyik vízszintes szintről a másikra csak egy fokozatos átmenettel változik a slew rate-nek megfelelően, mivel egyetlen valódi műveleti erősítő sem képes a kimenetét hirtelen egyik szintről a másikra váltani. A frekvenciamenet és a slew rate közvetlenül összefügg. A jó frekvenciaátvitel jó slew rate-et is jelent. A megnövelt frekvenciakompenzálás pedig csökkenti a slew rate-et.

39

3.7 ábra A slew rate hatása a kimeneti jelre

Közös módusú elnyomási tényező (common mode rejection ratio) Ha ugyanazt a jelet egyidejűleg adjuk rá egy műveleti erősítő mindkét bemenetére, ezt közös módusú jelnek nevezzük. Mivel a műveleti erősítőnek csak a bemenetek közötti különbséget szabad erősíteni, ezért ideális esetben a közös módusú jel nem okozhat változást a kimeneten. Valójában a közös módusú bemeneti jeleknél is keletkezik egy nagyon kis kimeneti jel. A közös módusú bemeneti jelekre az erősítés rendszerint sokkal kisebb, mint az különböző módusú bemeneti jelekre. Az eltérő módusú bemeneti jelek erősítésének aránya a közös módusú bemeneti jelek erősítéséhez képest a közös módusú elnyomási tényező (Common Mode Rejection Ratio - CMRR). Ezt rendszerint dB-ben adják meg. CMMR arány =

Akül.módus Aközösmódus

CMMRdB = 20 log (CMMRarány)

3.8 ábra : ei = eo ⋅ (közös módusú erősítés)

40

(3-5)

(3-6)

Bemeneti impedancia Egy műveleti erősítő bemeneti impedanciája az az impedancia, amelyet egy feszültségforrás egy műveleti erősítő egyik bemenetén “lát” akkor, ha a másik bemenet földre van kötve. A bemeneti impedancia némileg változik a hőmérséklettel és a frekvenciával, és általában az adatlapon 25 C°-os hőmérsékletre és 1 kHz frekvenciára van megadva.

3.9 ábra : Műveleti erősítő bemeneti impedanciája

Kimeneti impedancia A kimeneti impedancia az az impedancia, amelyet egy terhelés lát a műveleti erősítő kimeneti csatlakozóin. Valójában ez a Thevenin helyettesítő ellenállás a műveleti erősítő helyettesítő áramkörében. (lásd Ro 2.2 ábra). Kimeneti feszültségtartomány (output voltage swing) Ez az a maximális kimeneti csúcsfeszültség, amelyet a műveleti erősítő telítés vagy levágás nélkül képes szolgáltatni. Ez a terheléstől függ és semmi esetre sem lépheti túl azt a korlátot, amit a tápfeszültség jelent. Általában a frekvencia, a terhelő áram vagy a kimeneti impedancia növekedése csökkenti a lehetséges kimeneti feszültségtartományt. Kimeneti rövidzárási áram (output short-circuit current) Ez az a maximális kimeneti áram, amelyet a műveleti erősítő kiadni képes, ha a kimenete a földre van kötve. Ennek tipikus értéke 25 mA. Nagyjelű feszültségerősítés Ez a kimeneti feszültség aránya ahhoz a differenciális bemeneti feszültségváltozáshoz képest, amely ahhoz szükséges, hogy a kimenetet nulláról a meghatározott feszültségre vigye adott értékű terhelőellenállás mellett.

41

Bemeneti (különbségi) feszültségtartomány A bemeneti feszültségkülönbségnek az a tartománya, amelyet nem szabad túllépni, hogy a reteszelődést vagy károsodást elkerüljük. A reteszelődés akkor fordul elő, amikor a kimenet "fennakad" vagy a műveleti erősítő az egyik vagy másik végállapotban telítésben marad még a bemeneti jel levétele után is. Ekkor a tápfeszültséget ki kell kapcsolni, hogy a műveleti erősítő normális működése visszaálljon. Közös módusú bemeneti feszültségtartomány Az a maximális feszültségtartomány, amelyet közös módusú bemeneti jelekkel nem szabad túllépni. Rendszerint ez a tartomány nem lépheti túl a tápfeszültséget. Maximális tápfeszültség (maximum supply voltage) A tápfeszültség még biztonságos működést biztosító, legnagyobb értéke. Erősítés-frekvencia karakterisztika Egy műveleti erősítő erősítése állandó az egyenfeszültségtől (0 Hz) egészen egy, a felső törésponti frekvenciának nevezett frekvenciáig. A felső törésponti frekvencia felett a műveleti erősítő erősítése nagyságrendekként kb. 20 dB-el csökken. A 3.10 ábra legfelső görbéje ábrázolja egy 741 típusú műveleti erősítő nyílthurkú erősítésének frekvenciafüggését. A többi görbe felülről lefelé ugyanannak a műveleti erősítő áramkörnek erősítését mutatja növekvő visszacsatolás mellett.

3.10 ábra : A 741 típusú műveleti erősítő erősítés-frekvencia karakterisztikája

Mindegyik görbe metszi a nyílthurkú erősítés görbéjét az adott görbe törési frekvenciájánál és e felett együtt haladnak minden magasabb frekvencián. Az összes görbe 20 dB/dekád-ot csökken a törési frekvenciája felett.

42

Látható, hogy a törésponti frekvencia növekszik, ahogy az áramkör erősítés értékét csökkentjük. Az erősítő áramkör sávszélessége (BW) megegyezik a törésponti frekvenciával, így nagyon könnyű belátni, hogy a növekvő negatív visszacsatolás növeli a sávszélességet. Erősítés-sávszélesség szorzat (gain-bandwidth product) Ha a műveleti erősítő alacsony (0.1 Hz-nél kisebb) frekvenciáknál mérhető Aol nyílthurkú erősítését megszorozzuk a nyílthurkú sávszélességgel, egy a műveleti erősítőre jellemző számot kapunk, amelyet erősítés-sávszélesség szorzatnak neveznek. Valóban, ha bármely - a 3.10 ábrán lévő - zárt hurokhoz tartozó görbe Acl alacsony frekvenciás erősítését megszorozzuk a törési frekvenciájával, ugyanazt az értéket kapjuk. Acl ⋅ (az erősítő sávszélessége) = Aol ⋅ (a műveleti erősítő sávszélessége) Egy 741-es műveleti erősítő nyílthurkú erősítése kb. 200000 és a nyílthurkú sávszélessége kb. 5 Hz. Az erősítés-sávszélesség szorzat (GBW) ekkor GBW = 1000000 Ha az erősítés sávszélesség szorzatot ismeri, bármely kisebb erősítésnél könnyen kiszámíthatja a sávszélességet, ha 1000000-t elosztja az erősítéssel. Ha például az alacsony frekvencián 100-szoros erősítéshez tartozó görbét tekinti, a törésponti frekvenciát megkaphatja, ha a GBW-t (=1000000) elosztja 100-al, amiből 10 kHz adódik. A gyakorlatban egy műveleti erősítő áramkör zárthurkú erősítése soha nem lépheti túl a nyílthurkú erősítésnek az 1/10-1/20 -át a kívánt működési frekvencián, hogy a torzítás minimális legyen. Tranziens jellemzők Az a frekvencia, ahol a műveleti erősítő erősítése egyre csökken, egyenlő az "egység erősítési sávszélességgel", amely viszont egyenlő a GBW szorzattal. Sok gyártó nem adja meg az egység erősítési adatokat vagy a GBW-t, ehelyett megadják a "tranziens válasz felfutási időt". A sávszélesség és a tranziens válasz felfutási idő viszonya a következő: BW =

0.35 felfut. idő

43

(3-7)

A szinuszjelek slew rate korlátozása A V=Vop˙sin(ωt) szinuszgörbe meredeksége akkor a legnagyobb, amikor metszi a vízszintes tengelyt. Ez a meredekség mind az amplitúdóval, mind a frekvenciával növekszik. Ha egy műveleti erősítő áramkör kimenete egy szinuszhullám olyan maximális meredekséggel, amely túllépi a műveleti erősítő slew rate-jét, akkor a szinuszhullám eltorzul. Adott csúcsfeszültségnél (Vop) a torzítatlan kimeneti szinuszjel maximális frekvenciáját a következő egyenlet adja (3-8) (slew rate) f max = 6.28 ⋅ Vop ahol fmax - maximális frekvencia Vop – torzítatlan kimeneti csúcsfeszültség slew rate - jelmeredekség (V/μs)

44

6. GYAKORLAT Bemeneti ofszet-feszültség Ennek a kísérletnek az a célja, hogy egy 741 típusú műveleti erősítőnél megmérjük a bemeneti ofszet-feszültséget és összehasonlítsuk a mérési eredményeket a gyártó által megadott értékekkel.

3.11 ábra

Alkatrészlista: • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 2 db 47 Ω-os ellenállás 1 db 4.7 kΩ-os ellenállás multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések:

Vos =

Vo ⎛ R1 + R2 ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ R2 ⎠

Mivel ennek az áramkörnek az erősítésértéke nagy és R1 értéke viszonylag alacsony, valamint a bemeneti előfeszítő áram hatásának csökkentésére jelen van R3, ezért itt a bemeneti előfeszítő áram és ofszet-áram csak igen kis járulékot ad a Vos feszültséghez.

45

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 3.11 ábrán lévő áramkört. Ne felejtse el a +12 és -12 V-os tápfeszültségek csatlakoztatását. A bemenetet kösse földre, hogy Vi = 0 V legyen. 2. Digitális voltmérővel mérje meg Vo értékét. Ügyeljen a Vo polaritásának feltüntetésére. mV Vo = 3. Számítsa ki a bemeneti ofszet-feszültség értékét. Vos = mV 4. Keresse ki és jegyezze le a bemeneti ofszet-feszültség értékét a gyártó adatlapjáról. Vosmax = mV Vostipikus = mV

Ellenőrző kérdések: l. Az ofszet-feszültség szempontjából a 3.11 ábrán lévő áramkör: (a) invertáló erősítő (b) nem-invertáló erősítő (c) feszültségkövető (d) feszültségosztó 2. A bemeneti ofszet-feszültség oka: (a) belső telep (b) túl nagy erősítés (c) kis illesztetlenség a műveleti erősítő belső komponenseinél (d) kiegyenlítetlen bemeneti áramok 3. Az 3.11 ábra szerint az Rl/R2 arány növelésekor: (a) a kimeneti ofszet csökken (b) a kimeneti ofszet növekszik (c) nincs hatása a kimeneti ofszetre (d) mindig megnő a bemeneti impedancia 4. A Vos (bemeneti ofszet-feszültség) (a) lehet bármelyik polaritású (b) soha nem lehet egyenlő Vo-val (c) soha nem idézhet elő nagyobb Ios komponenst, mint amely a bemeneti előfeszítési áram miatt lép fel

46

7. GYAKORLAT Bemeneti előfeszítő áram Ennek a kísérletnek az a célja, hogy egy 741 típusú műveleti erősítőnél megmérjük a bemeneti előfeszítő- és ofszet-áramot, és összehasonlítsuk a mérési eredményeket a gyártó által megadott értékekkel.

-

+

3.12 ábra : (A) az Ib mérésére, (B) az Ib mérésére használt áramkör

Alkatrészlista: • • • •

1 db 741CP műveleti erősítő 1 db 1 MΩ-os ellenállás multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: Az Ib- méréséhez: Az Ib+ méréséhez:

Vo = Vos + R ⋅ IbVo = Vos - R ⋅ Ib+

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 3.12 (A) ábrán lévő áramkört és csatlakoztassa a tápfeszültségeket. 2. Digitális voltmérővel mérje meg a Vo értékét. Ügyeljen a Vo polaritásának feltüntetésére. VoA = mV 3. Számítsa ki az Ib- értékét a 6. gyakorlatban megállapított Vos értékének (ugyanaz a műveleti erősítő) és polaritásának felhasználásával. Ib- = nA

47

4. Állítsa össze a 3.12 (B) ábrán lévő áramkört és csatlakoztassa a tápfeszültségeket. 5. Digitális voltmérővel mérje meg a Vo értékét, és jegyezze fel a polaritás feltüntetésével. VoB = mV 6. Számítsa ki az Ib+ értékét a 6. gyakorlatban megállapított Vos értékének (ugyanaz a műveleti erősítő) és polaritásának felhasználásával. Ib+ =

nA

7. Számítsa ki a bemeneti ofszet-áram értékét. nA Ios = Ib+ - Ib- = 8. Keresse ki és jegyezze fel a bemeneti előfeszítő áram értékét a gyártó adatlapjáról. Ibmax = nA Ibtipikus = nA nA Iosmax = Iostipikus = nA A maximális értékeknek rendszerint meg kell haladniuk a mért értékeket.

Ellenőrző kérdések: l. Ha a 3.12 (A) ábra szerint Ib- = 1 μA, az Ib- miatt fellépő Vo komponens (Vos-t elhanyagolva) a következő: (a) 0 V (b) +1 mV (c) -1 V (d) + 1 V 2. Ha a 3.12 (A) ábra szerint Ib+ = 1 μA, az Ib- miatt fellépő Vo komponens (Vos-t elhanyagolva) a következő: (a) 0 V (b) +1 mV (c) -1 V (d) + 1 V 3. A bemeneti előfeszítő áram nagy értéke: (a) kívánatos (b) nem kívánatos (c) általában mindegy (d) a nagy visszacsatoló ellenállás miatt van 4. A bemeneti előfeszítő áram a következő módon adható meg: (a) az Ib- és Ib+ különbsége (b) az Ib- és Ib+ közül a nagyobb értékű (c) az Ib- és Ib+ átlaga (d) a fentiek egyikével sem

48

8. GYAKORLAT Slew rate mérés Ennek a kísérletnek az a célja, hogy egy 741 típusú műveleti erősítőnél mérjük a maximális jelváltozási sebességet (slew rate) és összehasonlítsuk a mérési eredményeket a gyártó által megadott értékekkel.

3.13 ábra

Alkatrészlista: • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 2 db 10 kΩ-os ellenállás 1 db 4.7 nF-os kondenzátor kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: slew rate =

ΔV t felfutási

(lásd slew rate c. fejezet)

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 3.13 ábrán lévő áramkört. A bemeneti jel közvetlenül a CADET mérőpanel függvénygenerátorának négyszögjel kimenetéről vehető, csúcstól csúcsig 7 V nagyságú négyszögjelet alkalmazzon. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 1 V/osztás 2. csatorna: 1 V/osztás egyenfeszültségű csatolás időalap: 5 μs/osztás

Az oszcilloszkóp sugarait állítsa egymást fedve a képernyő közepére.

49

A jelforráson állítson be csúcstól csúcsig 7 V-os, kb. 25 kHz-es négyszögjelet. 3. Kapcsolja be a tápfeszültséget. Az oszcilloszkópon egy négyszögjelet kell látnia, amelyre egy trapéz hullámforma ül rá. A trapézjel véges meredekségű lefutó éle a műveleti erősítő slew rate korlátozása miatt lép fel. Olvassa le és jegyezze fel a trapéz hullámforma felfutási idejét. tfel = μs 4. Olvassa le és jegyezze fel a trapéz hullámforma csúcstól csúcsig terjedő feszültség-értékét. VP-P = V 5. A slew rate számítható a következő képlettel: slew rate = VP-P / tfel = V/μs 6. Hasonlítsa össze a slew rate mérési eredményét a gyártó által megadott értékekkel. slew rategyári = V/μs

Ellenőrző kérdések: l. A nagy slew rate érték a következőt jelzi: (a) rossz frekvenciaátvitel (b) jó frekvenciaátvitel (c) a nagy amplitúdójú, nagy frekvenciájú kimeneti jelek korlátozása (d) nincs összefüggésben a frekvencia-jelleggörbével 2. A slew rate korlátozás hatása gyengül (a) a fokozat növekvő erősítésével (b) a fokozat csökkenő erősítésével (c) a bemenő jel amplitúdójának növekedésével (d) nagyobb tápfeszültség alkalmazásával 3. Egy műveleti erősítő kimeneti fokozata -2 V-ról +3 V-ra 5 μs alatt képes felfutni. A műveleti erősítő slew rate értéke: (a) 1 V/μs (b) 0.6 V/μs (c) 0.4 V/μs (d) 5 V/μs

50

9. GYAKORLAT Közös módusú elnyomási tényező (Common Mode Rejection Ratio - CMRR) Ennek a kísérletnek az a célja, hogy egy 741 típusú műveleti erősítőnél megmérjük a közös módusú elnyomási tényező értékét.

3.14 ábra

Alkatrészlista: • • • •

1 db 741CP műveleti erősítő 4 db 100 kΩ-os ellenállás multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: A differenciálerősítés: Ad =

R1 R3 = R2 R 4

A közös módusú erősítés: Acm = CMRR =

Ad Acm

CMRRdB = 20 log

51

Ad Acm

Vocm Vi cm

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 3.14 ábrán lévő áramkört. A jelforrás a CADET mérőpanel függvénygenerátorának szinuszjel kimenete. 2. Kapcsolja be a tápfeszültséget és jegyezze fel a közös módusú Vocm és Vicm feszültségek értékét. V Vocmeff = cm Vi eff = V 3. Az alapösszefüggések egyenleteinek alkalmazásával számítsa ki a CMRR-t és hasonlítsa össze a gyártó által megadott értékkel. CMRRszámított = CMRRgyári =

Ellenőrző kérdések: 1. A közös módusú elnyomási tényező: (a) a differenciál módusú erősítéssel fordítottan arányos (b) a közös módusú erősítéssel egyenesen arányos (c) a differenciál módusú erősítés és a közös módusú erősítés arányának a függvénye 2. A CMRR nagy értéke: (a) kívánatos (b) nem kívánatos (c) nem fontos 3. Egy műveleti erősítő differenciálmódusú erősítése 200000. Ha a közös módusú erősítés 6.32, akkor a CMRR: (a) 30 dB (b) 60 dB (c) 90 dB (d) 120 dB

52

4. FESZÜLTSÉG ÉS ÁRAMÁTALAKÍTÓ ÁRAMKÖRÖK Bevezetés Amellett, hogy alapjául szolgálnak kitűnő lineáris erősítő áramköri alkalmazásoknak, a műveleti erősítők igen jól felhasználhatók feszültség-áram és áram-feszültség konverterként. Ezek a konverterek valójában olyan átalakítók, amelyek a jeleket egyik formájukban, vagy feszültségként, vagy áramként képesek felvenni és átalakítják a másik jelmennyiségre. A kimenet és bemenet közötti viszony lineáris. Ha analóg feszültségeket kell vezetékeken nagy távolságra átvinni, általános, hogy a feszültségjeleket áramokká alakítják az átvitelhez, majd a vételi oldalon visszaalakítják feszültséggé. Ez a módszer kiküszöböli azokat a problémákat, amelyek a hosszú vezetéken fellépő feszültségesés miatt lépnek fel. Az áram útja, amelyet áramhuroknak nevezünk, egy soros áramkör. Mivel az áram a soros áramkör minden pontján azonos, a jelszint független az áramkör hosszától.

Átviteli függvény (transfer function) Egy lineáris konverter kimeneti és bemeneti jelének hányadosát átviteli függvénynek nevezzük. Gyakran előforduló egysége áram-feszültség konverter esetén a V/mA, feszültség-áram konverter esetén pedig a mA/V. Áram-feszültség (I-V) konverter Mint ahogy már a 2. fejezetben láthattuk, az invertáló erősítő áramkör a műveleti erősítő invertáló bemenete előtt lévő R2 ellenállás nélkül lényegében egy áramfeszültség átalakító.

4.1 ábra : Áram-feszültség konverter

A 4.1 ábra "A" pontját a műveleti erősítő kimenete nulla feszültségen tartja (virtuális föld) és mivel az Iin döntő része az Rf -en keresztül folyik, ezért a Vo közelítőleg: Vo = - Iin ⋅ Rf

53

(4-1)

A (-Rf) az átviteli függvény és megegyezik Vo/Iin-el, azaz a kimeneti feszültség osztva a bemeneti árammal. Az átalakító bemenete az áramforrás számára rövidzárnak tűnik, a kimenete pedig feszültségforrás a terhelés számára. Az ilyen áramkör elektronikus mA-mérőként használható.

4.2 ábra : Áram-feszültség átalakítás A 4.2 ábrán 10 μA-es Iin esetén Vo = 1 V. Az átviteli függvény itt 0.1 V/μA. Ezzel az áramkörrel kiegészítve egy szokásos voltmérő könnyen használható kis áramok mérésére. Egy további előny az, hogy a bemeneti áram által érzett ellenállás jóval kisebb, mint a hagyományos, erre az áramtartományra alkalmazható lengőtekercses ampermérő ellenállása.

Feszültség-áram konverter (U-I) Az invertáló erősítő áramkör ugyanakkor jó feszültség-áram átalakító is, ha megtartjuk az R2 ellenállást és a terhelést az R1 helyébe helyettesítjük be.

4.3 ábra : Invertáló feszültség-áram átalakító (Iload = Vi / R2 )

A terhelésen átfolyó áramnak meg kell egyezni Vi/R2 -vel. Az áramkör egyetlen hátránya az, hogy a terhelés (load) egyik pontja sincs földelve, ami bizonyos alkalmazásoknál nehézséget jelenthet. Az áramkör átviteli függvénye 1/R2, egysége rendszerint mA/V.

54

A nem-invertáló erősítő áramkör szintén használható feszültség-áram átalakítónak.

4.4 ábra : Nem-invertáló feszültség-áram átalakító (Iload = Vi / R2 )

Itt is a terhelési áram megegyezik Vi/R2-vel, mivel Vf közelítőleg egyenlő Vi -vel. Az átviteli függvény itt is 1/R2 . Ezzel az áramkörrel egy igen nagy bemeneti impedanciájú voltmérőt készíthetünk, ha terhelésként megfelelő árammérőt alkalmazunk. A 4.5 ábrán látható egy olyan feszültség-áram átalakító, amely biztosítja, hogy a terhelés egyik végpontja le legyen földelve.

4.5 ábra : (V-I) átalakító földre kötött terheléssel (Iload = Vi/R)

A terhelő áram ebben az áramkörben megegyezik a Vi/R -el, így az átviteli függvény 1/R. Ez az áramkör kiváló konstans áramforrás is, ha a Vi egy jól szabályozott feszültségforrás.

55

10. GYAKORLAT Áram-feszültség (I-V) átalakítás Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a negatív visszacsatolású invertáló áram-feszültség átalakító működését.

4.6 ábra

Alkatrészlista: • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 1 db 1 kΩ-os ellenállás 1 db 4.7 kΩ-os ellenállás multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: Vo = - Iin ⋅ Rf Mérési feladatok: 1. Állítsa össze az áramkört. Az E feszültség a mérőpanel 10 kΩ-os potenciométerének csúszóérintkezőjéről vehető le, miközben a potenciométer szélső érintkezői a +12V-os illetve a 0 V-os tápfeszültségvonalakra csatlakoznak. Ez a 4.7 kΩ-os soros ellenállással alkotja az Iin áramforrást. Ügyeljen arra, hogy kezdetben az E nullára legyen állítva. 2. Adjon tápfeszültséget az áramkörre és Iin = 0 -val kezdve állítsa be az Iin -t az alábbi táblázatban foglalt értékekre és sorban mérje meg Vo megfelelő értékét. Alkalmazza Ohm-törvényét az E megfelelő beállításának meghatározására. Jegyezze fel a mért értékeket a táblázatban.

56

E (V) 0

Iin (mA) 0

Vo (V)

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Ellenőrző kérdések: 1. Az átviteli függvény V/mA-ben: (a) 0.001 (b) -0.001 (c) 1.0

(d) -1.0

2. A 4.6 ábrán látható I-V átalakító bemeneti impedanciája (a) 4.7 kΩ (b) 1 kΩ (c) 0 Ω (d) végtelen nagy 3. A bemeneti előfeszítő áram a kimeneti feszültségre a következőképpen hat: (a) a feszültség nagy lesz (b) a feszültség kicsi lesz (c) hibamentes lesz (d) nem lesz előrelátható 4. Ha a 4.6 ábrán a voltmérő ellenállását 20 kΩ-ról 50 kΩ-ra növeljük a leolvasott érték: (a) növekedni fog (b) csökkenni fog (c) ugyanolyan marad (d) nem lesz előrelátható

57

11. GYAKORLAT Feszültség-áram (V-I) átalakítás Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa egy feszültség-áram átalakító működését egy 741-es műveleti erősítővel.

4.7 ábra

Alkatrészlista: • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 1 db 10 kΩ-os ellenállás 2 db multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: Iload = Iin I in =

Vi 10kΩ

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 4.7 ábrán látható áramkört. Az E bemeneti feszültség a mérőpanel 10 kΩ-os potenciométerének csúszóérintkezőjéről vehető le, miközben a potenciométer szélső érintkezői a +12V-os illetve a 0 V-os tápfeszültségvonalakra csatlakoznak. 2. Adjon tápfeszültséget az áramkörre és a 0 V és +6 V bemeneti feszültséghatárok között jegyezze fel a terhelő áram értékét.

58

Vi (V) 0

Iload (mA)

1 2 3 4 5 6 3. Milliméterpapíron ábrázolja a terhelő áramot a bemeneti feszültség függvényében. Egyenes vonalat kell kapnia, a lineáris viszonynak megfelelően.

Ellenőrző kérdések: 1. Az átviteli függvény a 4.7 ábrán látható áramkörnél mA/V-ban: (a) 0.1 (b) -0.1 (c) 1.0 (d) 2.0 2. A 4.7 ábrán látható áramkör bemeneti impedanciája (a) 0 Ω (b) végtelen nagy (c) 1 kΩ (d) 10 kΩ 3. Egy 2 kΩ-os ellenállást az árammérő műszerrel sorba kötve a műszeren látható érték a következőképpen változik (a) kétszerese lesz (b) feleződik (c) ugyanolyan marad 4. Ha az árammérő műszert rövidre zárja a bemeneti áram (a) megnő (b) csökken (c) ugyanolyan marad

59

12. GYAKORLAT Nem-invertáló feszültség-áram (V-I) átalakítás Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa nem-invertáló típusú feszültségáram átalakító működését egy 741-es műveleti erősítővel.

4.8 ábra

Alkatrészlista: • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 1 db 10 kΩ-os ellenállás 2 db multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: I load =

Vi R

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 4.8 ábrán látható áramkört. A bemeneti feszültség a mérőpanel 10 kΩ-os potenciométerének csúszóérintkezőjéről vehető le, miközben a potenciométer szélső érintkezői a +12V-os illetve a 0 V-os tápfeszültségvonalakra csatlakoznak. Az áramkörben a terhelés maga az árammérő műszer. 2. Adjon tápfeszültséget az áramkörre, mérje meg a terhelőáram értékét a 0 V és 6 V közötti Vi értékekre 1 V-os lépésenként.

60

Vi (V) 0

Iload (mA)

1 2 3 4 5 6 3. Milliméterpapíron ábrázolja a terhelő áramot a bemeneti feszültség függvényében. Egyenes vonalat kell kapnia ismét, a lineáris függésnek megfelelően.

Ellenőrző kérdések: 1. Az átviteli függvény a 4.8 ábrán látható áramkörnél mA/V-ban: (a) 0.1 (b) -0.1 (c) 1.0 (d) 2.0 2. A 4.8 ábrán látható áramkör bemeneti impedanciája (a) 0 Ω (b) végtelen nagy (c) 1 kΩ (d) 10 kΩ 3. Egy 1 kΩ-os ellenállást az árammérő műszerrel sorba kötve a műszeren látható érték a következőképpen változik (a) csökken (b) ugyanolyan marad(c) növekszik 4. Ha a 10 kΩ-os ellenállást 5 kΩ-ra csökkentjük, a leolvasott érték: (a) kétszeresére nő (b) feleződik (c) ugyanolyan marad

61

13. GYAKORLAT Differenciál feszültség-áram (V-I) átalakító Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa az olyan feszültség-áram átalakító működését, amely lehetővé teszi a terhelés egyik oldalának leföldelését.

4.9 ábra

Alkatrészlista: • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 4 db 10 kΩ-os ellenállás 2 db multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: I load =

Vi R

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 4.9 ábrán látható áramkört. A bemeneti jel a mérőpanel 10 kΩ-os potenciométerének csúszóérintkezőjéről vehető le, miközben a potenciométer szélső érintkezői a +12V-os illetve a 0 V-os tápfeszültségvonalakra csatlakoznak. 2. Adjon tápfeszültséget az áramkörre, mérje meg a terhelőáram értékét a 0 V és 6 V közötti Vi értékekre 1 V-os lépésenként.

62

Vi (V) 0

Iload (mA)

1 2 3 4 5 6 3. Milliméterpapíron ábrázolja a terhelő áramot a bemeneti feszültség függvényében. Egyenes vonalat kell kapnia ismét, a lineáris függésnek megfelelően.

Ellenőrző kérdések: l. Az átviteli függvény a 4.9 ábrán látható áramkörnél mA/V-ban: (a) 0.1 (b) -0.1 (c) 1.0 (d) 2.0 2. Az áramkör egy jelentős előnye, hogy (a) a legpontosabb (b) a legegyszerűbb áramkör (c) a legnagyobb bemeneti impedanciával rendelkezik (d) alacsony kimeneti impedanciával rendelkezik (e) a terhelés a földre van kapcsolva 3. Az összes ellenállásérték megduplázásával a 4.9 ábrán látható áramkörnél a műszer által jelzett érték a következőképpen változik: (a) kétszeresére nő (b) feleződik (c) ugyanolyan marad (d) kissé növekszik 4. Ha egy 1 kΩ-os ellenállást sorba kötünk a műszerrel, a leolvasott érték: (a) növekszik (b) csökken (c) ugyanolyan marad (d) kissé csökken

63

5. NEMLINEÁRIS MŰVELETI ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK Bevezetés Egy áramkört nemlineárisnak akkor nevezünk, ha a kimenete nem egyenesen arányos a bemenettel (nem lineáris függvénnyel írható le a kapcsolatuk). Ez a fejezet hat – műveleti erősítőt alkalmazó, általánosan használt - nemlineáris áramkört mutat be. Ezek • a komparátor • a precíziós egyutas (félhullámú) egyenirányító, • a precíziós kétutas egyenirányító, • a logaritmikus erősítő, • az antilogaritmikus erősítő, • és a csúcsdetektor. Komparátor Analóg jeleknél gyakran szükséges, hogy eldöntsük, hogy két feszültségszint közül, melyik a nagyobb. A komparátor áramkör, ahogy a neve is jelzi, elvégzi az összehasonlítást, és az összehasonlított jelek egymáshoz viszonyított nagyságától függően két különböző szintű kimeneti jel egyikét szolgáltatja. Egy komparátor rendszerint egy változó bemeneti jelet hasonlít össze egy rögzített referenciafeszültséggel. Amikor a bemeneti feszültség kissé referenciafeszültség felé emelkedik, a komparátor kimenete a maximális pozitív határfeszültségre áll be. Amikor a bemeneti feszültség referenciafeszültség alá csökken, a műveleti erősítő kimenete a negatív határfeszültségre vált. Egy műveleti erősítő visszacsatolás nélkül igen nagy feszültségerősítéssel rendelkezik, és egyszerű komparátorként működik. Még a bemenetek közötti legkisebb különbség is telítésbe viszi a kimenetet a két határfeszültség egyikében.

5.1 ábra : Egy műveleti erősítővel kialakított egyszerű komparátor

Ha az 5.1 ábrán Vi > Vref , akkor Vo ≈+VCC. Ha Vi < Vref , ekkor a Vo≈-VEE .

64

A pontos kapcsolási szint, amely ideális esetben Vref , némileg módosul a műveleti erősítő bemeneti offset-feszültsége miatt. Ha nagyobb pontosságra van szükség, ezt az offset-et kompenzálni kell, vagy nullává kell tenni.

Ha modern digitális logikai áramkörökhöz akarunk csatlakozni, akkor többnyire nem kívánatos, hogy a komparátor nagy pozitív vagy negatív feszültségeket adjon ki. Az 5.2 ábra két olyan áramkört mutat be, amelyek korlátozzák a kimeneti feszültségeket.

5.2 ábra : Komparátor kimeneti korlátozás

Az 5.2 (A) ábrán egyetlen szilíciumdióda van a visszacsatoló ágban. Amikor a kimenet pozitív, a dióda lezár, és szakadásként viselkedik. Mivel ez egy invertáló áramkör, a negatív bemenet esetén a kimenet pozitív telítésbe megy. Ha pozitív bemenet miatt a kimenet negatívvá válik, a dióda nyitóirányban van előfeszítve és igen erős negatív visszacsatolást hoz létre, amely a negatív kimeneti értéket -0.7 V-ra korlátozza. Így, amikor a bemeneti jel pozitív, a kimenet 0 V-nál kissé alacsonyabb lesz. Ha a bemeneti jel negatív, a kimenet átlendül a pozitív telítési feszültségbe. Az 5-2 (B) ábra áramkörében az 5.1 V-os Zener-dióda erős vezető állapotba kerül, ha a műveleti erősítő kimenete meghaladja a +5.1 V-ot vagy a -0.7 V-ot. A műveleti erősítő kimenete és a dióda feszültsége közötti feszültségkülönbség egy ellenálláson esik. Egy komparátor segítségével egy szinuszjel is egyszerűen négyszögjellé alakítható:

5.4 ábra : Szinuszjel-négyszögjel átalakító

Ha a szinuszjel pozitív, a műveleti erősítő pozitív telítésbe megy; ha a szinuszhullám negatív, a műveleti erősítő kimenete negatív telítésbe megy. Az így kapott kimeneti jel igen jó másolata lesz a négyszöghullámnak, ha megfelelő műveleti erősítőt választunk. A négyszögjel minőségét (a felfutó él meredekségét) a műveleti erősítő maximális jelváltozási sebessége (slew rate) határozza meg.

65

Egyutas (félhullámú) egyenirányító (half-wave rectifier) Ha csupán egy egyszerű félvezető diódát alkalmazunk egyutas (félhullámú) egyenirányítóként, lehetőségeinket korlátozza a dióda nem ideális jelleggörbéje. A diódán fellépő feszültségesés miatt nem lehet igen gyenge jeleket egyenirányítani.

5.4 (a) ábra : Nem ideális egyenirányítás

Azok jelek, amelyek kisebbek, mint a dióda nyitóirányú feszültsége, egyáltalán nem jutnak át (pl. 0.5V csúcstól csúcsig az 5.4a ábra jobb oldalán), és még a néhány volt nagyságú jelek is jelentősen torzulnak a diódán fellépő feszültségesés miatt. A hagyományos diódákat a műveleti erősítőknél visszacsatoló elemként alkalmazva kikerülhető ez a jelamplitúdó korlátozás. Az így kapott áramkört "precíziós félhullámú egyenirányítónak" nevezzük.

5-4 (b) ábra : Félhullámú egyenirányító (D2 vezet, ha Vi pozitív, D1 vezet, ha Vi negatív)

Ennek az áramkörnek a kimenete nem egy műveleti erősítő kimenete, hanem e helyett az R1 és D1 kapcsolódási pontja. Ha a bemeneti jel pozitív, az egész visszacsatoló áram a D2-n folyik és az áramkör kimenete nulla. Ha a bemenet negatív, az egész visszacsatolási áram az R1 és D1-en folyik, így az áramkör kimenetén pozitív jel jelenik meg. Amint a bemenet negatívvá válik, a műveleti erősítő kimenete azonnal átlendül arra a pozitív szintre, ami ahhoz szükséges, hogy a D1 dióda vezetővé váljon, így a diódán fellépő feszültségesés a kimeneti jelből kiiktatásra kerül. Ha már a D1 dióda vezet, az áramkör egységnyi erősítésű invertáló erősítőként viselkedik. A kimeneten ekkor tehát a bemenet egyutas (félhullámú) egyenirányított változata, a diódán fellépő feszültségesés nemkívánatos hatásai nélkül. Az ellentétes polaritású kimenethez csupán a két dióda polaritását kell megfordítani.

66

Kétutas (kétoldalas) egyenirányító (full-wave rectifier) Az 5.5 ábrán egy kétutas egyenirányító kapcsolási rajza látható. Ez valójában egy félhullámú egyenirányító, amelyet egy összegző erősítő követ. Az R3 és R4 baloldalán lévő két bemenetet összegezzük a -R5/R3 és -R5/R4 súlyokkal. Az összegző erősítő egyik bemenetén Vi feszültség van, az ennek a bemenetnek megfelelő kimeneti feszültség komponens pedig Vi inverze. Az összegző erősítő másik bemenete a félhullámú egyenirányító kimenete. Erre a jelre -2-szeres erősítés érvényes, az ennek a jelnek megfelelő kimeneti feszültség komponens az egyenirányító invertált kimeneti jelének a mínusz kétszerese.

5.5 ábra : Kétoldalas egyenirányító (R1 = R2 = R3 = R5 = 2R4)

Az 5.6 ábra bemutatja a két kimeneti komponenst és az összeget.

5.6 ábra

A. Az egyenirányított jelhez tartozó kimeneti komponens B. A Vi -hez tartozó kimeneti komponens C. Összetett kimeneti jel (az A és B összege)

67

Logaritmikus erősítő A logaritmikus erősítő (log-erősítő) kimenete arányos a bemeneti jel logaritmusával. A log-erősítőket használják az amplitúdók decibelskálára alakítására, nagy dinamikatartományú jelek összenyomására és analóg szorzók kialakítására. A log-erősítők rendszerint tranzisztort használnak nemlineáris visszacsatoló elemként. A tranzisztor bázis-emitter feszültsége a kollektoráram logaritmikus függvénye, és ezt a viszonyt használják fel az invertáló erősítő visszacsatoló ellenállásának helyettesítésekor, hogy olyan visszacsatoló áram jöjjön létre, amely a kimeneti feszültség logaritmikus függvénye. A tranzisztor bázis-emitter feszültsége a kollektorárammal a következő kapcsolatban van: (5-1) VBE = K ⋅ log(IC) ahol K egy állandó. Az 5.7 ábrán egy egyszerű "tranzdióda" típusú logaritmikus erősítő látható.

5.7 ábra : Egyszerű logaritmikus erősítő

Az 5.7 ábrán lévő áramkörnél a bemeneti áram (Vi/R) egyenlő a kollektorárammal, amely a Vo logaritmikus függvénye, mivel a Vo megegyezik (-VBE)-vel. Az 5.8 ábra ugyanannak az áramkörnek gyakorlatiasabb példája.

5.8 ábra : Logaritmikus erősítő gyakorlati kivitele

A kondenzátor lecsökkenti a nagyfrekvenciás erősítést, és ezzel csökken a váltóáramú zaj. A dióda a bázis-emitter átmenet védelmét látja el arra az esetre, ha a

68

Vi véletlenül ellenkező polaritású lesz. Rendszerint teljesítménytranzisztort alkalmaznak, hogy a visszacsatoló út soros ellenállása minél alacsonyabb érték legyen. Antilogaritmikus erősítő Az 5.7 ábrán lévő ellenállás és tranzisztor felcserélésével antilogaritmikus erősítőt kapunk. A kimenet a bemenet inverz-logaritmusa.

5.9 ábra : Egyszerű antilogaritmikus erősítő

Ha két bemeneti jel logaritmusát összegezzük, a szorzatuk logaritmusát kapjuk. Ha ezután ezt a jelet egy anti-log erősítőre visszük, az eredeti két jel szorzatát kapjuk eredményül. Így log- és anti-log erősítők kombinációjával analóg szorzó alakítható ki. log(A) + log(B) = log(A⋅B)

(5-2)

Ugyanígy, ha a két logaritmus különbségét vesszük, a hányados logaritmusát kapjuk. Ha a jelet átvisszük az anti-log erősítőn, az eredeti jelek hányadosát kapjuk. A log- és anti-log erősítőket kombinálva analóg osztót kapunk. log(A) - log(B) = log(A/B) Az 5.10 ábra egy analóg szorzó blokkdiagramját mutatja.

5.10 ábra : Analóg szorzó

69

(5-3)

Csúcsdetektor (peak detector) Egy csúcsdetektor a bemeneti jel csúcsértékére áll be és azt megtartja a kimenetén. Az 5.11 ábrán lévő áramkör "emlékszik" a bemeneti jel pozitív csúcsértékére egy bizonyos ideig. A csúcsdetektor használható majdnem minden hullámforma és egyedi impulzusok csúcsértékének mérésére. A közönséges műszerek rendszerint csak az átlagot vagy néhány esetben a jel effektív értékét mérik.

5.11 ábra : Csúcsdetektor (Z - nagy impedanciájú terhelés)

Amikor pozitív feszültséget adunk a bemenetre, a kimenet pozitívvá válik és feltölti a kondenzátort olyan feszültségre, amely közelítőleg megegyezik a Vi-vel, és így a műveleti erősítő mindkét bemenete ugyanarra a szintre kerül. Ha Vi most tovább nő, a kondenzátor feszültsége szintén tovább nő (mindig úgy, hogy csökkentse a bemenetek feszültségkülönbségét). Ha Vi csökken, a műveleti erősítő kimenete negatív telítésbe megy, de az ekkor már záróirányban lesz előfeszítve a dióda és megakadályozza a kondenzátor kisülését. Így a kondenzátor feszültsége megfelel a Vi korábbi legnagyobb értékének. Az emlékezési időt a dióda és a kondenzátor átvezetése, az erősítő előfeszítő árama és terhelése korlátozza. Ezek együttes hatása miatt a kondenzátorból idővel elszivárog a töltés. Ezért a kondenzátor után gyakran egy feszültségkövetőt alkalmaznak, amely igen nagy bemeneti impedanciája révén a kondenzátor terhelését a minimálisra csökkenti. Az áramkört egy kapcsoló segítségével a kondenzátor pillanatnyi rövidre zárásával lehet alaphelyzetbe állítani.

70

14. GYAKORLAT Komparátor Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a feszültségkomparátor működését egy 741 típusú műveleti erősítővel.

5.12 ábra

Alkatrészlista: • • • • • • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 1 db 10 kΩ-os ellenállás 2 db 2.2 kΩ-os ellenállás 1 db 1 kΩ-os ellenállás 1 db 470 Ω-os ellenállás 1 db 1N914 típusú dióda 1 db 2N2222 típusú tranzisztor 1 db LED multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: Ha Vi > Vref : Vo = + Vsat Ha Vi < Vref : Vo = - Vsat +12V-ra:

Vref = (12 V)

71

2 .2 k Ω (10 + 2.2) kΩ

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 5.12 ábrán látható áramkört. A bemeneti feszültség a mérőpanel 10 kΩ-os potenciométerének csúszóérintkezőjéről vehető le, miközben a potenciométer szélső érintkezői a +12V-os illetve a 0 V-os tápfeszültségvonalakra csatlakoznak. A komparátor másik bemenetén a referenciafeszültséget szintén egy feszültségosztó állítja be, amely a +12 V és a föld közé van kapcsolva és egy 10 kΩ-os és egy 2.2 kΩ-os ellenállásból áll. 2. Számolja ki és mérje meg az invertáló bemenetre adott referenciafeszültség értékét. V Vrefszámított = Vrefmért = V 3. Változtassa a Vi értékét, hogy megtalálja azt a Vthreshold küszöbfeszültségszintet, amelynél a komparátor kimenete vált. V Vthreshold = 4. Számolja ki a mért Vref és a Vthreshold közötti különbséget. Vref - Vthreshold = mV

Ellenőrző kérdések: 1. Az 1N914 diódával (a) megelőzhető az ellentétes polaritású VBE (b) a kimeneti jel egyenirányítható (c) a pozitív kimeneti kilengések levághatók 2. Ha a Vref = -3 V, a következő Vi nem gyújtja ki a LED-et: (a) -1 V (b) -2 V (c) +1 V (d) -4 V

72

15. GYAKORLAT Szinuszhullám-négyszögjel átalakító Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa, hogyan lehet egy komparátort szinuszhullám négyszögjellé átalakítására használni.

5.13 ábra

Alkatrészlista: • • •

1 db 741-es műveleti erősítő kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: Ha Vi pozitív : Ha Vi negatív :

Vref = 0 V Vo = + Vsat Vo = - Vsat

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 5.13 ábrán látható áramkört. A szinuszos bemeneti feszültség közvetlenül a jelgenerátor kimenetéről származik (néhány V elegendő). 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 1 V/osztás 2. csatorna: 5 V/osztás időalap: 0.2 μs/osztás

3. Kapcsolja be a tápfeszültséget. Figyelje meg és vázlatosan rajzolja le a hullámformákat. Jegyezze fel az egyes hullámformák csúcstól csúcsig terjedő feszültségértékeit. ViP-P = V VoP-P = V

73

4. Mérje meg a négyszögjel felfutási idejét. trise = s (Figyelje meg, hogy a kimeneti négyszögjel felfutási idejét a műveleti erősítő slew rate-je korlátozza.)

Ellenőrző kérdések: l. A mérések alapján mi az értéke a +Vsat -nak a kimeneten? +Vsat = V 2. A mérések alapján mi az értéke a -Vsat -nak a kimeneten? -Vsat = V

74

16. GYAKORLAT Félhullámú egyenirányító Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a félhullámú egyenirányító működését egy 741 típusú műveleti erősítővel.

5.14 ábra

Alkatrészlista: • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 2 db 10 kΩ-os ellenállás 2 db 1N914 típusú dióda kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: lásd a félhullámú egyenirányítókra vonatkozó korábbi leírást Mérési feladatok: 1. Állítsa össze az 5.14 ábrán látható áramkört. A bemeneti feszültségforrás közvetlenül a mérőpanel jelgenerátorának szinuszhullám kimenete (csúcstól csúcsig néhány V-os feszültség elegendő). 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 1 V/osztás 2. csatorna: 1 V/osztás időalap: 0.2 μs/osztás

75

3. Kapcsolja be a tápfeszültséget. Az oszcilloszkóp képernyőjén helyezze a kimeneti hullámformát a bemeneti hullámformára. Látható, hogy a kimenet pontosan a bemeneti hullámforma alsó részének felel meg, de invertálva. Vázlatosan rajzolja le a hullámformákat. 4. Mérje meg csúcstól csúcsig a Vi bemeneti feszültséget és a 0 V és a csúcs közötti kimeneti feszültséget. 5. ViP-P = V 6. Vopeak = V

Ellenőrző kérdések: 1. Az 5.14 ábra szerinti áramkör erősítése pozitív jeleknél: (a) 1 (b) 2 (c) 0 (d) -1 2. Az 5.14 ábra szerinti áramkör erősítése negatív jeleknél: (a) 1 (b) 2 (c) 0 (d) -1

76

17. GYAKORLAT Kétutas egyenirányító Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a kétutas egyenirányító működését egy 741 típusú műveleti erősítővel.

5.15 ábra

Alkatrészlista: • • • • •

1 db 741CP műveleti erősítő 6 db 10 kΩ-os ellenállás 2 db 1N914 típusú dióda kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: lásd a kétutas egyenirányítókra vonatkozó korábbi leírást

77

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze az 5.15 ábrán látható áramkört. Az 5 kΩ-os ellenállás két párhuzamosan kötött 10 kΩ-os ellenállásból alakítható ki. A bemeneti feszültségforrás a mérőpanel jelgenerátorának szinuszhullám kimenete (csúcstól csúcsig néhány V-os feszültség elegendő). 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 1 V/osztás 2. csatorna: 1 V/osztás időalap: 0.2 μs/osztás egyenáramú csatolás

3. Kapcsolja be a tápfeszültséget és figyelje meg a kimeneti hullámformákat: Az oszcilloszkóp képernyőjén helyezze a kimeneti hullámformát a bemeneti hullámformára. Vázlatosan rajzolja le a hullámformákat. Látható, hogy a kimenet pontosan a bemeneti hullámforma egyenirányított változata. A szomszédos csúcsok esetleg nem teljesen azonos amplitúdójúak a felhasznált alkatrészek tűrése miatt. 4. Mérje meg csúcstól csúcsig a Vi bemeneti feszültséget és a 0 V és a csúcs közötti kimeneti feszültséget. ViP-P = V peak Vo = V

Ellenőrző kérdések: 1. Ha az 5.15 ábra szerinti áramkör kimeneti csúcsfeszültsége 10 V, akkor az átlagos kimeneti feszültség: (a) 6.36 V (b) 7.07 V (c) 9.0 V (d) 10.0 V 2. A teljeshullámú egyenirányító átlagos kimeneti feszültségének aránya a félhullámú egyenirányító átlagos kimeneti feszültségéhez viszonyítva: (a) 1.11 (b) 1.41 (c) 2.0 (d) 1.0 3. Az 5.15 ábra szerinti áramkör erősítésének abszolút értéke: (a) 1.11 (b) 1.41 (c) 2.0 (d) 1.0 4. Az 5.15 ábra szerinti áramkör bemeneti impedanciája: (a) 5 kΩ (b) 10 kΩ (c) 20 kΩ (d) 30 kΩ

78

18. GYAKORLAT Csúcsdetektor Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a csúcsdetektor működését. A 741 típusú műveleti erősítő a csúcsdetektor fokozatban, a TL 081 műveleti erősítő pedig pufferként működik.

5.16 ábra

Alkatrészlista: • • • • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 1 db TL081-es műveleti erősítő 2 db 10 kΩ-os ellenállás 1 db 1N914 típusú dióda 1 db 1 μF-os kondenzátor kétcsatornás oszcilloszkóp multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: lásd a csúcsdetektorra és a feszültségkövetőre vonatkozó korábbi leírást. Vo = Vipeak Vpeak = Veff ⋅ 1.414 Vpeak = VP-P/2

79

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze az 5.16 ábrán látható áramkört. A bemeneti feszültségforrás közvetlenül a CADET mérőpanel jelgenerátorának szinuszhullám kimenete. A használt csúcsfeszültség ne lépje túl a kondenzátor névleges feszültségét. A bemeneti jelet az oszcilloszkóppal vagy előnyösen egy pontos effektív feszültségérték mérővel mérheti. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 1 V/osztás időalap: 1 ms/osztás 3. Kapcsolja be a tápfeszültséget és olvassa le a bemeneti és kimeneti jelek értékeit. Ha a bemenetet az oszcilloszkóppal méri, olvassa le a csúcstól csúcsig terjedő feszültségértékeket és ossza el kettővel, hogy a bemeneti jel amplitudóját megkapja. Ha a bemenetet egy effektív feszültségérték mérővel méri, a leolvasott értékeket szorozza meg 1.414-el a bemeneti amplitudóérték kiszámításához. Az egyenfeszültségű műszeren leolvasott kimeneti értéknek meg kell egyezni a bemeneti csúcsértékkel. 4. Mérje meg és jegyezze fel Vo és Vi értékeit. Vomért = V Vimérteff = V mért Vi P-P = V 5. Az alapösszefüggéseknél megadott egyenletek alkalmazásával számítsa ki a bemenő jel csúcsértékét. Vipeak = V

Ellenőrző kérdések: l. Ha az 5.16 ábra szerinti áramkör bemeneti csúcsfeszültsége 1 V, akkor a csúcsdetektor erősítő kimenetén lévő feszültség: (a) 1.0 V (b) 1.6 V (c) 0.4 V (d) 2.0 V 2. Adjunk az 5.16 ábra szerinti csúcsdetektorra nem szimmetrikus hullámformát +2 V-os pozitív csúccsal és -4 V-os negatív csúccsal, a dióda pedig legyen fordítva bekötve. A kimeneti feszültség ekkor: (a) 6 V (b) 2 V (c) -4 V (d) -6 V (e) -2V

80

6. DIFFERENCIÁLÓ ÉS INTEGRÁLÓ FOKOZATOK Differenciáló fokozat (differentiator) Egy differenciáló fokozat olyan áramkör, amely a bemenő jel változási sebességével (meredekségével) arányos kimeneti jelet szolgáltat. Ha a bemenő jel amplitúdója nem változik időben, a kimeneti feszültség zéró. A bemeneti jel amplitúdója nem lényeges, csak a változási sebessége számít. A differenciáló fokozatok tipikus ipari felhasználásai: a változási sebességek mérése és olyan szabályozó jelek képzése, amelyeket a jelszint gyors változásaihoz rendelnek. A differenciáló fokozatokat a jelformáló áramkörökben is alkalmazzák.

6.1 ábra : Műveleti erősítős differenciáló fokozat alapkivitele

A fenti áramkör nagy amplitúdójú kimeneti jelet ad, ha a Vi gyorsan változik; kisebb amplitúdójút, ha a Vi kevésbé gyorsan változik, és a kimeneti jel zéró, ha Vi szintje állandó. Csak a Vi változó (váltófeszültségű) komponensei jutnak át a kondenzátoron. A kimeneti feszültség bármely időpillanatban a következők szerint függ a bemenő jeltől: dVi (6-1) Vo = − R f ⋅ C dt ahol dVi/dt képviseli a változás sebességét, vagyis a jel meredekségét egy adott időpillanatban. A matematikában ezt a függvény idő szerinti deriváltjának (differenciálhányadosának) nevezik. Végsősorban a fenti áramkör által végzett művelet a függvény idő szerinti deriváltjának képzése, ezért a differenciáló fokozat elnevezés. Ha a bemenő jel pozitív irányba változik, vagyis növekszik, az ennek eredményeképpen létrejövő kimeneti jel negatív lesz. Ha a bemenő jel negatív irányban változik, az ennek eredményeképpen létrejövő kimeneti jel pozitív lesz. Az egyszerű lineáris függvényeknél - például a háromszögjel felfutó és lefutó éleinél – a meredekség könnyen számítható, ha a feszültségváltozást elosztjuk a megfelelő időtartammal. Például, ha egy lefutó él 2.5 ms alatt lineárisan csökken 10 V-ról 5 Vra, a meredekség ebben az időszakaszban -2000 V/s :

81

6.2 ábra : Jelmeredekség kiszámítása

A bonyolultabb függvények deriváltjának meghatározása már differenciálszámítási módszereket igényel, mivel a meredekség a görbe minden pontján eltérő lehet. Az alap differenciáló áramkör egyik problémája az, hogy a kondenzátor impedanciája (a kapacitív reaktancia) csökken a növekvő frekvenciákon és így az áramkör erősítése nő a frekvenciával. Emiatt az áramkör igen érzékeny a nagyfrekvenciás zajra. Hogy ezt a nagyfrekvenciás erősítést korlátozzák, egy Rs ellenállást kapcsolnak sorba a kondenzátorral.

6.3 ábra : Javított differenciáló fokozat

Ez a módszer ugyan korlátozza a nagy frekvenciás zajt, de ugyanakkor korlátozza az áramkör bemeneti frekvenciatartományát is a következők érték alá: (6-2) 1 f max = 2πRs C Az fmax feletti frekvenciáknál az áramkör egy váltófeszültségű csatolású invertáló erősítőnek tekinthető, mivel a kondenzátor reaktanciája ezeken a frekvenciákon már elhanyagolhatóvá válik. A periodikus hullámformák differenciálására Rf és C értékét a hullámforma periódusidejéhez igazítják: (6-3) 1 T = = Rf ⋅ C f

82

6/1. Példa Egy 1 V csúcsértékű és 1 kHz frekvenciájú háromszögjelet adunk a 6.4 ábra szerinti differenciáló fokozat bemenetére. Szeretnénk tudni a kimeneti jel amplitúdójának csúcsértékét. A nem-invertáló bemenet és a föld közé helyezett ellenállás csökkenti a bemeneti előfeszítő áram hatását. Mivel C lezárja az egyenáram útját, ezt az ellenállást Rf-fel egyenlő értékűre választottuk.

6.4 ábra : Az 1 kHz-es differenciáló fokozat bemeneti és kimeneti jelalakja

A felfutó él meredeksége:

2V V dV = = 4000 s dt 0.5 ms

A lefutó él meredeksége:

-2V V dV = = −4000 s dt 0.5 ms

Kimeneti feszültség a t1 időintevallumban: Vo = - 4 V Kimeneti feszültség a t2 időintervallumban: Vo = + 4 V

Integráló fokozatok (integrator) Ha a 6.1 ábrán felcseréljük az ellenállást és a kondenzátort, egy új áramkört alakítunk ki, amelyet integráló fokozatnak neveznek. Az integráló fokozat kimenete a bemeneti jelgörbe alatti, az idő előrehaladása során összegződő terület függvénye (ahogy a 6.5 ábrán látható). Az integráló fokozatokat az iparban a jelamplitúdó és a mérés kezdete óta eltelt idő függvényeinek mérésére használják. Ilyen mérésekre példa az elektromos energia (kWh) mérés. A görbe alatti terület a (függőleges tengelyen mért) jel amplitúdó és a (vízszintes tengelyen mért) kis időintervallumok szorzatának összege. A vízszintes tengely feletti terület pozitív, a tengely alatti terület negatív járulékot ad az összegződés során, ahogy a 6.5 ábrán látható. Ha a jelgörbe alatt összegződő terület az idővel növekszik, akkor az integrál értéke nő, a terület csökkenésekor pedig az integrálösszeg csökken.

83

6.5 ábra : Négyszögjel integráljának meghatározása

Például egy négyszögjel pozitív felének integrálja a görbe adott része alatti terület - a magasság és a szélesség szorzata. Egy 1 kHz-es, 5 V amplitúdójú négyszögjelnél a pozitív félhullám integrálja: T Vi dt = V P = 0.0025 Vs ∫ 2 POS . ahol: VP a csúcsérték, T egy periódus ideje. A negatív félhullám integrálja -0.0025 Vs, és az integrál az egész periódus alatt a két félhullám integráljának összege, azaz nulla. A nulla összeg azért keletkezik, mert a két integrál egyenlő nagyságú, ellentétes polaritású területekhez tartozik. Ezt az egyszerű módszert alkalmazni lehet bármely egyenes szakaszokból felépülő hullámforma esetében, mint pl. a négyszögjel vagy háromszögjel. A bonyolultabb görbék - mint pl. a szinuszjelek - integrálját integrálszámítással kell kiszámítani.

6.6 ábra : Integráló fokozat alapkivitele

Az integráló fokozat Vo kimeneti feszültsége a következő függvény szerint határozható meg: 1 Vo = − Vi dt RC ∫

(6-4)

A differenciáló fokozathoz hasonlóan az integráló fokozatnál is probléma merül fel a frekvencia változásakor. A kondenzátor reaktanciája nő csökkenő frekvenciánál, ezért az egyenáramú erősítés itt igen nagy lesz. Az egyenáramú erősítés korlátozására egy Rs ellenállást kapcsolnak párhuzamosan a kondenzátorral. Egyenáramnál (0 Hz) így az áramkör invertáló erősítőnek tekinthető -Rs/Ri erősítéssel.

84

6.7 ábra : Javított integráló fokozat

Itt is ára van az áramkör kiegészítésének. Az Rs beiktatásával az integráló fokozat csak az fmin feletti frekvenciákon használható. (6-5) 1 f min = 2πRs C Az fmin alatti frekvenciákon az áramkör invertáló erősítőként viselkedik -Rs/Ri erősítéssel. A periodikus jelek integrálásához az Ri⋅C szorzatot a periódus idővel megegyezőre kell választani. 6/2. Példa Szeretnénk egy 1 kHz-es periodikus jelet integrálni, miközben az egyenáramú erősítést 10-es értékre és az fmin-t 160 Hz-re szeretnénk beállítani. Válassza az Ri-t 10 kΩ-ra (önkényes választás) Ekkor Rs = A⋅Ri = 100 kΩ Mivel T = 1/f = 0.001 s C = T/Ri = 1 μF Egy az Rs és Ri párhuzamos eredőjével közelítőleg megegyező ellenállást alkalmazunk a nem-invertáló bemeneten az előfeszítő áram hatásának csökkentésére.

6.8 ábra : 1 kHz-es integráló fokozat

Keresse meg a 6/2. példa szerinti integráló fokozat csúcs kimeneti feszültségét, ha a bemenő jel 1 kHzes, 1 V amplitudójú négyszöghullám.

85

A Vi integrálja a pozitív félhullámnál:

∫ V dt = V

P

∫ V dt = V

P

i

POS .

A Vi integrálja a negatív félhullámnál:

i

NEG .

T = 0.0005 Vs 2 T = −0.0005 Vs 2

Vo a pozitív félhullám végén (6-4 egyenlet): Vo = - 0.5 V Vo a negatív félhullám végén:

Vo = + 0.5 V

6.9 ábra : 1 V csúcsértékű négyszögjel az integráló fokozat után

A differenciálás és integrálás hatásainak összefoglalása

6.10 ábra : A differenciálás és integrálás hatásai. (A)-eredeti, (B)-differenciált, (C)-integrált hullámforma

A szinuszjel differenciálása egy másik szinuszjelet eredményez, amelynek fázisa 90°-kal el van tolva.

86

19. GYAKORLAT Differenciáló fokozat Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a műveleti erősítővel működő differenciáló áramkör működését periodikus hullámalaknál.

6.11 ábra

Alkatrészlista: • • • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 1 db TL081-es műveleti erősítő 1 db 270 Ω-os ellenállás 2 db 10 kΩ-os ellenállás 1 db 0.1 μF-os kondenzátor kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: dVi dt lásd a 6/1. példát az alkatrészek értékeire vonatkozóan Vo = − R f ⋅ C

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 6.11 ábrán látható áramkört. A Vi bemeneti feszültség a mérőpanel jelgenerátorának 1kHz-es, csúcstól csúcsig 2 V-os háromszögjele. A TL081 puffer szükséges a differenciáló fokozat alacsony bemeneti impedanciája miatt. Ez biztosítja a szükséges impedanciaillesztést a jelgenerátor kimenete és a differenciáló fokozat bemenete között.

87

2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 1 V/osztás 2. csatorna: 2 V/osztás időalap: 0.2 ms/osztás egyenáramú csatolás

3. Kapcsolja be a tápfeszültséget és az oszcilloszkóp képernyőjén helyezze a kimeneti hullámformát a bemeneti hullámformára. 4. Rajzoljon le egy bemeneti jelalak periódust a kimeneti jelalak periódusra. Figyeljen a helyes fázisviszonyokra és polaritásokra. Tüntesse fel a csúcsértékeket. 5. Mérje meg a bemeneti feszültség csúcstól csúcsig terjedő értékét V ViP-P = T= s dV V i P − P V Számítsa ki a meredekséget = = dt T 2 s 6. Számítsa ki a Vo-t. VoP = V Hogyan viszonyul ez a 4. lépésben mért értékekhez? 7. Növelje, majd csökkentse a bemeneti frekvenciát egy-egy nagyságrenddel, figyelje meg és írja le ennek a kimeneti jelalakra gyakorolt hatását.

Ellenőrző kérdések: l. Ha ennél az áramkörnél a bemeneti frekvenciát 10 kHz-re növeljük és a bemeneti amplitúdót 1 mV-ra csökkentjük, a kimeneti jelalak a következő: (a) háromszög (b) négyszög (c) szinuszjel 2. Ha a bemeneti jel egy egy 1 kHz-es szinuszhullám, a kimeneti jelalak a következő: (a) háromszög (b) négyszög (c) szinuszjel 3. A 6.11 ábra szerinti áramkör egyenfeszültségű erősítése: (a) 0 (b) -37 (c) -1 (d) 1

88

20. GYAKORLAT Integráló fokozat Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a műveleti erősítővel működő integráló áramkör működését periodikus hullámalaknál.

6.12 ábra

Alkatrészlista: • • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 1 db 100 kΩ-os ellenállás 2 db 10 kΩ-os ellenállás 1 db 0.1 μF-os kondenzátor kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: Vo =

1 V dt RC ∫ i

lásd még a 6/2 példát az alkatrészek értékeire vonatkozóan.

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 6.12 ábrán látható áramkört. A Vi bemeneti feszültség egy 1 kHzes, csúcstól csúcsig 7 V-os négyszöghullám közvetlenül a CADET mérőpanel jelgenerátorának kimenetéről.

89

2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 2 V/osztás 2. csatorna: 1 V/osztás időalap: 0.2 ms/osztás egyenáramú csatolás

3. Kapcsolja be a tápfeszültséget és az oszcilloszkóp képernyőjén helyezze a kimeneti hullámformát a bemeneti hullámformára. 4. Állítsa be a nulla referencia szintet mindkét csatornára. Rajzoljon le egy bemeneti jelalak periódust a kimeneti jelalak periódusra, ügyeljen a helyes fázis viszonyokra és polaritásokra. Jelölje meg a csúcsértékeket. 5. Mérje meg a bemenő jel periódusidejét. T= s Mérje meg a bemeneti feszültség értékét csúcstól csúcsig. ViP-P = V Számolja ki a bemenő jel integrálját a fél periódusra. 1 P− P 1 V T= Vs 2 i 2 6. Számítsa ki Vo értékét a bemenő négyszögjel egyik félciklusának végén az 5. lépésből kapott integrálértékkel . Voszámított = V Hogyan viszonyul ez a mért értékhez? Vomért = V 7. Növelje majd csökkentse a bemeneti frekvenciát egy-egy nagyságrenddel, figyelje meg és írja le ennek a kimeneti jelalakra gyakorolt hatását. Ellenőrző kérdések: l. Ha a bemeneti jelet 10 Hz-re csökkenti, a kimeneti jelalak a következő: (a) háromszög (b) szinusz (c) négyszögjel 2. Az integráló fokozat frekvenciaátvitele melyik szűrő átviteléhez hasonlít? (a) aluláteresztő (b) felüláteresztő (c) sávszűrő 3. A 6.12 ábra szerinti áramkör egyenfeszültségű erősítése: (a) -10 (b) +10 (c) -1 (d) +1

90

7. OSZCILLÁTOROK Bevezetés Egy oszcillátor lényegében egy jelgenerátor. Periodikus kimeneti jelet szolgáltat, de ehhez nincs szüksége bemeneti jelre. Az egyetlen bemeneti csatlakozás az oszcillátornál az egyenfeszültségű tápfeszültség. A kimeneti jel frekvenciáját, amplitúdóját és hullámformáját az áramkör típusa, tápfeszültsége és a tervező által választott alkatrészek határozzák meg. Visszacsatolt oszcillátorok Az oszcillátorok egy elterjedt fajtája egy szabályozott pozitív visszacsatolással ellátott erősítőből épül fel. A pozitív visszacsatolás során a kimeneti jel egy részét hozzáadjuk a Vi bemeneti jelhez, úgy hogy az erősítő közvetlen bemeneti jele a kívülről bejövő jel és a kimenetről visszavezetett jel összege. Így a pozitív visszacsatolás erősíti a bemeneti jelet. Ha tovább növeljük a visszacsatolást, a Vi bemeneti jel szintje csökkenhető, hogy ugyanazt a kimeneti amplitúdót kapjuk. Elérhető egy olyan pont, ahol már nincs is szükség bemenő jelre, hogy kimeneti jelet kapjunk.

7.1 ábra : Erősítő fokozat pozitív visszacsatolással

A 7.1 ábrán látható fokozat erősítését a következő egyenlet adja: G AV = (1 − BG )

(7-1)

Ez az egyenlet pontosan ugyanolyan mint a 2.2 egyenlet eltekintve a nevezőben lévő előjel változástól. Ha nulla visszacsatolási tényezőből (B = 0) indulunk ki, és a visszacsatolást lassan kezdjük növelni, a 7.1 egyenlet nevezője kisebbé válik, és ennek következtében az áramkör erősítése egyre nagyobb lesz. Amikor a B⋅G = 1, a nevező nulla lesz, ekkor fennáll a rezgés elindulásának feltétele, azaz az áramkör erősítése végtelen. Nincs szükség külső jelforrásra, hogy kimeneti jelet kapjunk.

91

Szinuszjel oszcillátorok Ha az áramkör olymódon van kialakítva, hogy a visszacsatolási tényező és az erősítés szorzata (B⋅G) csak egyetlen frekvencián ad egyet, az oszcillátor szinuszjelet fog generálni. Ha B⋅G < 1 , az áramkör nem oszcillál. Ha B⋅G >> 1 , a kimeneten torzított jel jelenik meg. A szinuszjel oszcillátorok tervezői arra törekednek, hogy a B⋅G értéke egynél csak kissé legyen nagyobb a kívánt frekvencián, és minden más frekvencián sokkal kisebb legyen, mint egy. Ehhez olyan visszacsatoló áramkörre van szükség, amely egy meghatározott frekvenciát bocsát át, olyat, amelyen a legtöbb műveleti erősítő még kielégítően működik. Ez az áramkör ellenállásokból és kondenzátorokból áll, azaz egy RC hálózat. Háromfajta általánosan használt szinuszjel oszcillátort fogunk tárgyalni, amelyek RC hálózattal működnek: fázistoló oszcillátor, a kettős T-oszcillátort és a Wien-hidas oszcillátort. A fázistoló oszcillátor (phase-shift oscillator) Ha egy invertáló erősítő kimeneti jelének fázisát egyetlen frekvencián 180 fokkal eltoljuk, ezt visszavezetjük az erősítő bemenetére és fenntartjuk a BG = 1-et, a szinuszjel oszcillátorok egyik típusát kapjuk. Három vagy több egymás után kapcsolt RC résszel megvalósítható a kívánt fázistoló áramkört. Ez a fázistoló áramkör egy megfelelő műveleti erősítővel összeépítve fázistoló oszcillátort alkot. Ilyen áramkör látható a 7.2 ábrán.

7.2 ábra : Fázistoló oszcillátor

Elméletileg a jel, amely a fázistoló hálózaton átjut, 29-ed részére csökken. Ennek kompenzálására az erősítőnek legalább 29-szeres erősítéssel kell rendelkezni, hogy a BG = 1 fennálljon. Az áramkör kimenete egy szinuszjel lesz, amelynek frekvenciáját a következő egyenlet adja meg: (7-2) 1 f = 2πRC 6 A kimeneti amplitúdó a pozitív és negatív telítéshez közeli szintre van korlátozva.

92

Kettős T-oszcillátor (twin-T oscillator) A kettős T típusú RC hálózat egy lyukszűrő, amely f0 kivételével minden frekvenciát átenged. A kettős T hálózatot beiktatva a műveleti erősítő visszacsatolási útvonalába, olyan erősítő áramkört kapunk, amelynek egyetlen frekvencián nagyon nagy az erősítése, és minden más frekvencián pedig kis erősítésű. Ha kis pozitív visszacsatolást alkalmazunk, az erősítő a kettős T zárási f0 frekvenciáján fog rezegni.

7.3 ábra : Egy sávszűrő frekvenciagörbéje (f0 - szűrési frekvencia)

7.4 ábra : Kettős T-oszcillátor

A rezgési frekvencia: f0 =

(7-3)

1 2πRC

A pozitív visszacsatolást szórt csatolással biztosítják. Az R/2 ellenállást a legjobb hullámformához igazítják.

93

Wien-hidas oszcillátor (Wien-bridge oscillator) A 7.5 ábra integráló-differenciáló (siető-késleltető) típusú RC hálózatot mutat be. A bemutatott áramkör kimeneti jele olyan, hogy fázisa bizonyos frekvencia alatt siet a bemenő jelhez képest, a szóban forgó frekvencia fölött pedig a fázis késik a bemenő jelhez képest.

7.5 ábra : Wien-hídban használt integráló-differenciáló hálózat

Az áramkör kimenete a bemenettel csak egy frekvencián van fázisban, és ekkor éri el a kimeneti jel a maximális szintjét, ami a bemeneti jel 1/3 része. Ez a frekvenciaérték: (7-4) 1 f = 2πRC A hálózatot beiktatva egy 3-szoros erősítésű erősítő visszacsatolási útvonalába egy szinuszjel oszcillátor alakítható ki. A 7.6 ábra egy ilyen oszcillátor áramkört mutat. Az integráló-differenciáló hálózat egy híd egyik oldalát alkotja, a 2R' és R' a másik oldalt. Ezt az áramkört nevezzük Wien-hidas oszcillátornak.

7.6 ábra Wien-hidas oszcillátor

Az oszcilláció frekvenciáját a (7-4) egyenlet adja. R' és 2R' biztosítja a 3-szoros erősítést. Az R' ellenállás gyakran egy pozitív feszültség-ellenállás karakterisztikájú eszköz, mint amilyen pl. egy izzólámpa. Ez a kimeneti amplitúdót szabályozza. Ha a Vo amplitúdója nőni kezd, az R' nő és az erősítő erősítése csökken. Ha a Vo amplitúdója csökken, az R' csökken és az erősítő erősítése nő. Ezzel a kimeneti amplitúdót viszonylag állandó szinten lehet tartani.

94

Astabil multivibrátor (astable multivibrator) A nem-szinuszos oszcillátorok egyik elterjedt típusa az astabil multivibrátor. Ha ezt egy szimmetrikus tápfeszültségű műveleti erősítőre építjük, az áramkör olyan négyszögjelet szolgáltat, amely szimmetrikus a 0 V feszültségű tengelyre.

7.7 ábra : Egyszerű astabil multivibrátor

A működési frekvencia a következőképpen határozható meg:

f =

1 ⎛ 2R ⎞ 2 RC ln⎜ 1 + 1⎟ ⎝ R2 ⎠

(7-5)

A működés végigkövethető, ha feltesszük, hogy kezdetben a kimenet pozitív telítésben van. A +/- 12 V-os tápegységeknél ez azt jelenti, hogy a kimeneten kb. 11 V és a nem-invertáló bemeneten pedig az R2-R1 ellenálláslánc által a 11 V-ból leosztott V’=Vo⋅R1/(R1+R2) néhány V-os feszültség van. A kondenzátor pozitív feszültségre töltődik fel, amíg az invertáló bemenet feszültsége túl nem lépi kissé a V’ nagyságát. Ekkor a kimenet a kb. -11 V-os negatív telítésbe megy át, a nem-invertáló bemeneten pedig - V’ lesz. A kondenzátor kisül és az ellentétes irányba töltődik, amíg feszültsége el nem éri a -V’-t, amikor a kimenet ismét átbillen pozitív feszültségre és a ciklus így ismétlődik. A négyszögjel kitöltési tényezője változtatható, ha egy soros dióda-ellenállás tagot Rrel párhuzamosan kapcsolunk, hogy a töltési időt valamelyik irányba csökkentsük. Hibakeresés oszcillátor áramkörökben Egy oszcillátor áramkörben a probléma forrásának megkeresése nehezebb lehet, mint egy egyszerű erősítő áramkörben. A következőkben két eljárást mutatunk be lépésenként, amelyekkel a leggyakoribb oszcillátor problémákat gyorsan be lehet határolni. Az első eljárás olyan oszcillátornál érvényes, amelynél nincs kimeneti jel, a második olyannál, amelynél a kimeneti jel torz. Ha az oszcillátor nem ad kimeneti jelet, hajtsa végre egymás után a következő lépéseket, amíg be nem határolta a problémát.

95

1. Nézze át az áramkört, ellenőrizze, hogy vannak-e a megszakadt érintkezések vagy elszíneződött, esetleg sérült alkatrészek. 2. Ellenőrizze a helyes tápfeszültségeket. 3. Forrassza újra a forrasztott kötéseket. 4. Ha a visszacsatolási áramkörnél finomszabályozási lehetőség is van, jelölje meg a szabályzó elem kiindulási helyzetét és próbáljon meg olyan helyzetet találni, amelynél a rezgés elindul. Ha ez nem sikerül, a beállítást vigye vissza az eredeti helyzetbe. 5. Ellenőrizze, hogy az oszcillátor kimenete nincs-e túlterhelve, vagy rövidre zárva. 6. Cserélje ki az erősítő integrált áramkörét egy azonos típusúra. 7. Ha minden mással sikertelen a működés visszaállítása, vegyen ki és ellenőrizzen minden egyes alkatrészt a visszacsatoló hálózatban. Ha az oszcillátor torzított kimeneti jelet ad, hajtsa végre egymás után a következő lépéseket, amíg be nem határolta a problémát. 1. Nézze át az áramkört, ellenőrizze, hogy vannak-e a megszakadt érintkezések vagy elszíneződött, esetleg sérült alkatrészek. 2. Ellenőrizze a helyes tápfeszültségeket. 3. Forrassza újra a forrasztott kötéseket. 4. Ha a visszacsatolási áramkörnél szabályozási lehetőség is van, jelölje meg a szabályzó elem kiindulási helyzetét és próbáljon meg olyan helyzetet találni, amelynél a rezgés képe javul. Ha ez nem sikerül, a beállítást vigye vissza az eredeti helyzetbe. 5. Ellenőrizze, hogy az oszcillátor kimenete nincs-e túlterhelve. 6. Cserélje ki az erősítő integrált áramkört egy azonos típusúval. 7. Ha az áramkörben van negatív visszacsatolás, vegyen ki és ellenőrizzen minden egyes alkatrészt a visszacsatoló hálózatban. 8. Vegyen ki és ellenőrizzen minden egyes alkatrészt a pozitív visszacsatoló hálózatban.

96

21. GYAKORLAT Fázistoló oszcillátor Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a fázistoló oszcillátor működését egy 741 típusú műveleti erősítővel.

7.8 ábra

Alkatrészlista: • • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 1 db 33 kΩ-os ellenállás 3 db 1 kΩ-os ellenállás 3 db 47 nF-os kondenzátor kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: f =

1 2πRC 6

AV = 29 Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 7.8 ábrán látható áramkört. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 5 V/osztás 2. csatorna: 0.2 V/osztás időalap: 0.2 ms/osztás

97

3. Kapcsolja be a tápfeszültséget és állítsa az l. csatorna jelét a 2. csatorna jelére az oszcilloszkóp képernyőjén. 4. Olvassa le a Vo-t és az "A" pont feszültségét, és állapítsa meg a fáziskülönbséget a két jel között. Vo = V V”A”= V Δϕ = ° 5. Számítsa ki az erősítő erősítését AV = Vo/V”A” = 6. Mérje meg a rezgési frekvenciát és hasonlítsa össze a számított értékkel: T= ms f = 1/T = kHz fszámított=

kHz

Ellenőrző kérdések: 1. Ha a három kondenzátor értékét megváltoztatja 10 nF-ra, a rezgési frekvencia a következő lesz: (a) 1.38 kHz (b) 6.5 kHz (c) 4.7 kHz (d) 0.138 kHz 2. A 7.8 ábrán a teljes fázistolás a kimenet és az A pont között: (a) 0° (b) 180° (c) 270° (d) 360° 3. Az erősítő rész elméleti erősítése fázistoló oszcillátornál: (a) 25 (b) 33 (c) 10 (d) 29 4. A 7.8 ábrán lévő áramkör kimeneti amplitúdóját korlátozza: (a) az erősítő erősítése (b) a fázistolás (c) a telítés

98

22. GYAKORLAT Kettős T-oszcillátor Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a kettős T-oszcillátor működését egy 741 típusú műveleti erősítővel.

7.9 ábra

Alkatrészlista: • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 2 db 10 kΩ-os ellenállás 4 db 47 nF-os kondenzátor oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: f =

1 2πRC

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 7.9 ábrán látható áramkört. A 10 kΩ-os potenciométer a mérőpanel része. 2C két párhuzamosan kapcsolt 47 nF-os kondenzátor. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 5 V/osztás időalap: 1 ms/osztás váltófeszültségű csatolás

99

3. Kapcsolja be a tápfeszültséget és vigye az oszcilloszkóp képernyőjén a sugarat középre. Figyelje meg a hullámformát és állítsa a 10 kΩ-os potenciométert a lehető legjobb szinuszjelre. Ha kezdetben nem jelenik meg hullámforma, lassan változtassa a 10 kΩ-os potenciométert, amíg a rezgés el nem indul*. 4. Mérje meg és jegyezze fel a kimeneti amplitúdót és frekvenciát: VoP-P = V T= ms f = kHz 5. Számítsa ki a várt kimeneti frekvenciát és hasonlítsa össze a 4. lépésnél mért értékkel (7-3 egyenlet) fszámított= kHz * A 10 kΩ-os potenciométer beállítása az alkatrészek tűrésével együtt befolyásolja a frekvenciát és a hullámformát.

Ellenőrző kérdések: l. A kettős T-hálózat impedanciája a rezgési frekvencián: (a) nagy (b) kicsi (c) nem fontos 2. A pozitív visszacsatolási útvonal megvalósítása: (a) szórt csatolás (b) kettős T-hálózat (c) föld 3. A negatív visszacsatolás a rezgési frekvencián elméletileg: (a) erős (b) gyenge (c) hiányzik

100

23. GYAKORLAT Wien-hidas oszcillátor Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a Wien-hidas oszcillátor működésének elméletét egy 741 típusú műveleti erősítővel.

7.10 ábra

Alkatrészlista: • • • • • • •

1 db 741 műveleti erősítő 1 db izzólámpa, 12 V 25 μA 1 db 470 Ω-os ellenállás 2 db 10 kΩ-os ellenállás 2 db 47 nF-os kondenzátor kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: f =

1 2πRC

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 7.10 ábrán látható áramkört. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1.csatorna: 5 V/osztás 2.csatorna: 2 V/osztás időalap: 1 ms/osztás váltófeszültségű csatolás

101

3. Kapcsolja be a tápfeszültséget és állítsa az l. csatorna jelét a 2. csatorna jelére az oszcilloszkóp képernyőjén. Figyelje meg az egyes jelek amplitúdóját és a relatív fázisviszonyokat. VoP-P = V V’ = V Δϕ = ° 4. Számítsa ki az invertáló bemeneti feszültség (V') és kimeneti feszültség amplitúdó arányát. Ez ideális esetben 1/3. V'/Vo = 5. Mérje meg a kimeneti jel periódusidejét (T) és a frekvenciáját T= ms f= kHz 6.

A (7-4) egyenlet alkalmazásával számítsa ki a várt működési frekvenciát és hasonlítsa össze ezt az 5. lépésben mért értékkel. fszámított = kHz

Ellenőrző kérdések: 1. Az izzólámpával stabilizálható: (a) az amplitúdó (b) a frekvencia (c) a teljesítményfelvétel 2. Az izzólámpa feszültség-ellenállás együtthatója: (a) pozitív (b) negatív (c) állandó 3. A fáziskülönbség a kimeneti jel és a nem-invertáló bemeneten megjelenő jel között: (a) 180° (b) 0° (c) 45° (d) 90° 4. Az R4/(R3+R4) közelítőleg egyenlő: (a) 1/3 (b) 1/2 (c) 1/4

(d) 1/5

5. Az izzó ellenállása a 7.10 ábrán lévő áramkörnél működés közben: (a) 235 Ω (b) 470Ω (c) 1410 Ω (d) 157 Ω

102

24. GYAKORLAT Astabil multivibrátor Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa az astabil multivibrátor működését egy 741 típusú műveleti erősítővel.

7-11 ábra

Alkatrészlista: • • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 1 db 220 kΩ-os ellenállás 2 db 10 kΩ-os ellenállás 1 db 47 nF-os kondenzátor kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések:

f =

1 ⎛ 2R ⎞ 2 RC ln⎜ 1 + 1⎟ ⎝ R2 ⎠

A "B" pontban a jel nagysága Vo/2 .

103

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 7.11 ábrán látható áramkört. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 5 V/osztás 2.csatorna: 5 V/osztás időalap: 5 ms/osztás egyenfeszültségű csatolás

3. Kapcsolja be a tápfeszültséget és figyelje meg a Vo kimeneti hullámformát, valamint a hullámformát az "A" ponton. Rajzoljon le egy periódust mindegyik jelből és jelölje meg a csúcsértékeket. Csatlakoztassa a 2. csatornát a "B" pontra és itt is végezze el a fentieket. 4. Mérje meg a periódusidőt (T) és határozza meg a kimeneti frekvenciát: T= ms f = kHz 5. A (7-5) egyenlet segítségével számítsa ki a várt frekvenciát. Hasonlítsa össze a számított és a 4. pont szerint mért frekvenciát. fszámított = kHz

Ellenőrző kérdések: 1. Ha csúcstól csúcsig a Vo feszültsége 22 V, az invertáló bemeneten lévő jel csúcsértéke: (a) 22 V (b) 11 V (c) 5.5 V (d) 0 V 2. A 220 kΩ-os ellenállás értékének megduplázásával a frekvencia a következőképpen változik: (a) kétszeresére nő (b) négyszeresére nő (c) feleződik (d) nem változik 3. Ha az Rl értékét 2 kΩ-ra csökkentjük, az invertáló bemeneten lévő jel a következő szerint alakul: (a) 1/6 Vo (b) 1/2 Vo (c) 1/5 Vo (d) 6/5 Vo

104

8. AKTÍV SZŰRŐK Bevezetés A szűrő egy olyan áramkör, amely egy bizonyos frekvenciasávban átengedi a jeleket, és minden más frekvenciát a sávon kívül csillapít. Három alapvető szűrő típus létezik: • aluláteresztő szűrő • felüláteresztő szűrő • sávszűrő Egy aluláteresztő szűrő átenged minden frekvenciát az egyenfeszültségtől egészen az fC vágási frekvenciáig. A vágási frekvencia (vagy másképpen határfrekvencia) felett minden frekvencián a kimeneti jel jelentősen csillapítva van. Egy felüláteresztő szűrő átenged minden frekvenciát a vágási frekvencia felett, és csillapít minden frekvenciát a vágási frekvencia alatt. Egy sávszűrő átenged egy frekvenciasávot egy alsó és egy felső vágási frekvencia között, és csillapít minden frekvenciát a sávon kívül. A szűrő áramkörök lehetnek aktív vagy passzív szűrők. A passzív szűrők passzív R, C és/vagy L áramköri elemekből állnak. Az aktív szűrők ezeken az áramköri elemeken kívül aktív elemeket, többnyire valamilyen fajta erősítőt is tartalmaznak.

8.1 ábra : Szűrő átviteli görbék: (A) aluláteresztő, (B) felüláteresztő, (C) sávszűrő

Egy erősítőre épített szűrőt "aktív szűrőnek" nevezzük. Egy aktív szűrő rendszerint egy műveleti erősítő frekvencia szelektív visszacsatoló hálózattal. A frekvenciafüggő visszacsatoló hálózat alakítja ki a műveleti erősítő frekvencia jelleggörbéjét. Az aktív szűrők néhány igen fontos tulajdonsággal rendelkeznek az alacsony frekvenciáknál, ahol a passzív szűrőkhöz szükséges alkatrészek értékei rendszerint igen nagyok lennének.

105

Néhány előnyös tulajdonság: 1. Nincs csillapítási veszteség - a műveleti erősítőnél az erősítéssel kompenzálhatók az alkatrészeken fellépő veszteségek. 2. Alacsony költség - az aktív szűrőkkel kiküszöbölhetők a nagy induktivitások és kondenzátorok, amelyek a kis frekvenciás passzív szűrőknél szükségesek. 3. Hangolás - az aktív szűrők könnyebben hangolhatók, mint a passzív szűrők. 4. Szigetelés - a műveleti erősítők nagy bemeneti impedanciája nagymértékű szigetelést biztosít a jelforrás és a terhelés között. Az aktív szűrők hátrányai: 1. Tápegység - a műveleti erősítőnek tápfeszültségre van szüksége. 2. Frekvenciagörbe - az aktív szűrő hasznos frekvenciatartományát korlátozza a rendelkezésre álló műveleti erősítő. Aluláteresztő szűrő (low-pass filter) Sokféle aktív aluláteresztő szűrő létezik, és a leggyakrabban használtak egyike látható a 8.2 ábrán. Ez az áramkör egy másodrendű aktív aluláteresztő szűrő és egyfajta feszültség vezérelt feszültségforrás (VCVS). Azért másodrendű, mert két RC pár van, az R1-C1 és az R2-C2, amelyek a frekvencia jelleggörbét szabályozzák.

8.2 ábra : Aktív aluláteresztő szűrő

Ha R1 = R2 és C1 = 2C2 értékeket választunk, a vágási frekvencia a következő: 1 fC = 2π R1 R2 C1C2

(8-1)

Ez az egységnyi erősítésű VCVS szűrő. Igen lapos áteresztő görbét biztosít (Butterworth) a vágási frekvencia alatt. Olyan a jelleggörbéje, hogy 40 dB/dekáddal csillapít a vágási frekvencia felett (vagyis az erősítése 40 dB-lel csökken, ha a frekvencia egy nagyságrenddel növekszik). Az R1 = R2 értékhez R3 = 2R1-et kell beállítani az ofszet csökkentésére. A jelforrás kimeneti ellenállásának kicsinek kell lennie az R1-hez mérve, vagy az R1-be kell belefoglalni.

106

8.3 ábra : Egy másodrendű VCVS aluláteresztő szűrő frekvenciajelleggörbéje

8/1. Példa Határozzuk meg egy VCVS egységnyi erősítésű szűrő jelleggörbéjét, ha R1 = R2 = 10 kΩ, és C1 = 10 nF, C2 = 20 nF

8.4 ábra : 1125 Hz-es VCVS egységnyi erősítésű aluláteresztő szűrő

A (8-1) egyenletből:

fC = 1125 Hz

Az fC/10 frekvencián a szűrő erősítése egységnyi lesz. Az fC-nél az erősítés -3 dB. -3 dB = 20 log AV AV = 0.707 10 fC-nél az erősítés már -40 dB.

-40 dB = 20 log AV AV = 0.01

100 fC-nél az erősítés -80 dB, vagyis 0.00001 lesz.

107

Felüláteresztő szűrő (high-pass filter) Az aluláteresztő szűrő ellentéte a felüláteresztő szűrő. Egy másodrendű VCVS szűrő felüláteresztő változatát mutatja a 8.5 ábra.

8.5 ábra : Fe1üláteresztő szűrő

C1 = C2 és R2 = 2R1 esetén a vágási frekvencia: 1 fC = 2π R1 R2 C1C2

(8-2)

Az egyenfeszültségű ofszet csökkentésére válassza R3 = R2 -t. Ennek az áramkörnek egységnyi erősítése van fC fölött és 40 dB/dekáddal csillapít fC alatt. A jelforrás kimeneti ellenállása legyen kicsi az R1-hez képest.

8.6 ábra : Másodrendű VCVS felüláteresztő szűrő jelleggörbe 8/2. Példa Szeretnénk meghatározni az egység erősítésű VCVS felüláteresztő szűrő jelleggörbéjét, ha R1 = 10 kΩ, R2 = 20 kΩ és C1 = C2 = 10 nF.

8.7 ábra : 1125 Hz-es egységnyi erősítésű VCVS felüláteresztő szűrő

A (8-2) egyenletből:

fC = 1125 Hz

108

A 8.6 ábra felhasználásával: Hz AV (dB) AV

0.1 fC 112.5 -40 0.01

0.01 fC 11.25 -80 0.00001

fC 1125 -3 0.707

10 fC 11250 0 1

Sávszűrők (band-pass filter) Egy sávszűrő olyan áramkör, amelyet csak bizonyos frekvenciasávban lévő jelek átengedésére terveztek, a sávon kívüli jeleket pedig nem engedi át. Ha a 8.1 (C) ábrát tekintjük, a szűrő BW sávszélessége az fH felső és az fL alsó vágási frekvencia különbségeként határozható meg. Az f0 középfrekvencia valójában a mértani középérték, mivel a 8.l (C) ábra frekvenciaskálája logaritmikus. (8-3) f = f f 0

H

L

A középfrekvencia aránya a sávszélességhez a Q jósági tényező. Ez jellemző az áramkör szelektivitására. (8-4) f Q= 0 BW Egy sávszűrő könnyen kialakítható egy felüláteresztő szűrő és egy aluláteresztő szűrő egymás utáni kapcsolásával, ha áteresztő sávjaik átfedik egymást. Ez gyakori módszer, ha nagy sávszélességű szűrőket kell kialakítani. Nagyon keskeny sávszűrő alakítható ki, ha keskeny sávú sávzáró szűrőt használunk visszacsatoló elemként. A keskeny sávú sávzáró szűrő lezárja a visszacsatoló jel útját egy keskeny frekvenciasávban, így itt az erősítőfokozatnak igen nagy erősítést biztosít. Ezen a sávon kívül a sávzáró szűrő erős visszacsatolása miatt a sávszűrő áramkör erősítése kicsi lesz és csillapítani fog. A 8.8 ábrán egy sávszűrő látható, amelynél kettős T-tagból álló sávzáró szűrő van a visszacsatoló útvonalban.

109

8.8 ábra : Sávszűrő (keskeny sávú)

A határfrekvencián a kettős T-tag szakadásként hat és az erősítést a 470 kΩ-os ellenállás és a 47 kΩ-os ellenállás aránya állítja be. A bemutatott áramkör erősítése 10-szeres az áteresztési sávban. A középfrekvencia a következőképpen számítható: (8-5) 1 f0 = 2πRC 8/3. Példa Meg szeretnénk találni a középfrekvenciáját egy kettős T típusú sávszűrőnek, ahol R = 10 kΩ és C = 47 nF.

8.9 ábra : 339 Hz-es sávszűrő A (8-5) egyenletből: Az erősítés 339 Hz-en:

AV = 10

f0 = 339 Hz

Amint a középfrekvenciától eltávolodunk valamilyen irányban, az erősítés gyorsan csökken.

Egy másik fajta aktív sávszűrő áramkört láthatunk a 8.10 ábrán. Ezt a szűrőt szélesebb sávszélességre szánták, az elnevezése többszörös visszacsatolású sávszűrő.

8.10 ábra : Többszörös visszacsatolású sávszűrő

A középfrekvencián az erősítés értéke legyen AC. Ha C1 és C2 értékét azonosnak vesszük, az R1, R2 és R3 megkapható a következő egyenletekből:

110

R1 =

R2 =

Q , ahol C = C1 = C2 2πf 0 CAC Q

2πf 0 C( 2Q 2 − AC ) Q R3 = πf 0 C R AC = 3 , f = f0-ra 2 R1

2Q2 -nek nagyobbnak kell lenni mint AC, hogy R2 pozitív értékű legyen. A középfrekvenciát a következő egyenlet adja: (8-6) R1 + R2 1 f0 = 2πC R1 R2 R3 8/4. Példa Olyan sávszűrőt kívánunk kialakítani, mint amely a 8.9 ábrán látható. A sávszűrőnek a következő paraméterei legyenek: AC = 2 , f0 = 1 kHz , Q = 5 , C = 10 nF. Az előző egyenletekből: R1 = 39.8 kΩ R2 = 1.65 kΩ R1 = 159.2 kΩ Használjon R1-hez 39 kΩ-os, R2-höz két párhuzamosan kapcsolt 3.3 kΩ-os, R3-hoz két párhuzamosan kapcsolt 330 kΩ-os ellenállást.

Az aktív szűrőkkel átfogóan foglalkozó nagyszámú könyv jóval részletesebben tárgyalja az anyagot, mint ahogy ebben a korlátozott terjedelmű bevezetőben ez lehetséges. A részletesebb leíráshoz használja a szakirodalmat.

111

25. GYAKORLAT Aluláteresztő szűrő Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa az egységnyi erősítésű VCVS aluláteresztő szűrő működését egy 741 típusú műveleti erősítővel.

8.11 ábra

Alkatrészlista: • • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 2 db 10 kΩ-os ellenállás 1 db 22 kΩ-os ellenállás 3 db 10 nF-os kondenzátor kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: fC =

1 2π R1 R2 C1C2

ahol R1 = R2 és C1 = 2C2

112

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 8.11 ábrán látható áramkört. A 20 nF-os kondenzátor két párhuzamosan kapcsolt 10 nF-os kondenzátorból állítható elő. A jelforrás közvetlenül a CADET mérőpanel jelgenerátorának szinuszjel kimenete, vagy hasonló néhány V-os szinuszjel-forrás. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 1 V/osztás 2. csatorna: 1 V/osztás időalap: 1 ms/osztás váltófeszültségű csatolás

3. Ellenőrizze, hogy állandó marad-e a jelgenerátor szinuszjelének az amplitúdója, miközben a frekvenciát kb. 200 Hz-től 10 kHz-ig változtatja. 4. Kapcsolja be a tápfeszültséget és az oszcilloszkóp képernyőjén állítsa a bemeneti jelet a kimeneti jelre. Változtassa a bemeneti frekvenciát 200 Hz-től 10 kHz-ig, és figyelje meg ennek hatását a kimeneti amplitúdóra. 5. Keresse meg a vágási frekvenciát (az a frekvencia, ahol a Vo/Vi = 0,707 ) T0 = ms f0 = kHz 6. Számítsa ki a vágási frekvenciát a (8-1) egyenlet segítségével, és hasonlítsa össze a ezt az 5. pont szerint mért értékkel. fCszámított = kHz 7. Mérje meg és jegyezze fel a szűrő erősítést az alábbi frekvenciákon. Az adatokat grafikonon ábrázolja. f 200 Hz 500 Hz 1000 Hz 1100 Hz 1200 Hz 2000 Hz 10 kHz

Vo /Vi

8. A 7. lépés adatainak alkalmazásával számítsa ki a szűrő vágását az fC felett. A= dB/dekád

113

Ellenőrző kérdések: 1. Ha a 8.11 ábrán látható aluláteresztő szűrő fC-je 2 kHz, és az áteresztő sávban az erősítés 0 dB, a csillapítás 20 kHz-en: (a) -10 dB (b) -20 dB (c) -30 dB (d) -40 dB 2. Ha egy aluláteresztő szűrő vágása 20 dB/dekád az fC fölött és az áteresztő sávban az erősítés 0 dB, a 100 fC-n a csillapítás: (a) -10 dB (b) -20 dB (c) -30 dB (d) -40 dB 3. Ha 1 V-os kimeneti jelnek 0 dB-nek felel meg, akkor 1 mV-nak (a) -20 dB (b) -40 dB (c) -60 dB (d) -80 dB 4. A vágás egy aluláteresztő szűrő kimenetén 20 dB/dekád. Egy állandó amplitúdójú bemenő jel 2 mV-os kimeneti jelet kelt 1000 fC-nél. Ha a bemeneti frekvenciát 0.1 fCre csökkentjük, a kimeneten megjelenő feszültség: (a) 1 V (b) 2 V (c) 3 V (d) 4 V

114

26. GYAKORLAT Felüláteresztő szűrő Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a VCVS felüláteresztő szűrő működését egy 741 típusú műveleti erősítővel.

8.12 ábra

Alkatrészlista: • • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 2 db 10 kΩ-os ellenállás 1 db 22 kΩ-os ellenállás 3 db 10 nF-os kondenzátor kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: fC =

1 2π R1 R2 C1C2

ahol C1 = C2 és R2 = 2R1

115

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 8.12 ábrán látható áramkört. A 20 kΩ-os ellenállás két sorba kapcsolt 10 kΩ-os ellenállásból állítható elő. A jelforrás közvetlenül a CADET mérőpanel jelgenerátorának szinuszjel kimenete, vagy hasonló néhány V-os szinuszjel-forrás. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 1 V/osztás 2. csatorna: 1 V/osztás időalap: 1 ms/osztás váltófeszültségű csatolás

3. Ellenőrizze, hogy állandó marad-e a jelgenerátor szinuszjelének az amplitúdója, miközben a frekvenciát kb. 200 Hz-től 10 kHz-ig változtatja. 4. Kapcsolja be a tápfeszültséget és az oszcilloszkóp képernyőjén állítsa a bemeneti jelet a kimeneti jelre. Változtassa a bemeneti frekvenciát 200 Hz-től 10 kHz-ig, és figyelje meg ennek hatását a kimeneti amplitúdóra. 5. Mérje meg a vágási frekvenciát (az a frekvencia, ahol a Vo/Vi = 0,707 ) T0 = ms f0 = kHz 6. Számítsa ki a vágási frekvenciát a (8-2) egyenlet segítségével, és hasonlítsa össze a ezt az 5. pont szerint mért értékkel. fCszámított = kHz 7. Mérje meg és jegyezze fel a szűrő erősítését az alábbi frekvenciákon. Az adatokat grafikonon ábrázolja. f 200 Hz 500 Hz 1000 Hz 1100 Hz 1200 Hz 2000 Hz 10 kHz

Vo /Vi

8. A 7. lépés adatainak alkalmazásával számítsa ki a szűrő vágását az fC felett. A= dB/dekád

116

Ellenőrző kérdések: 1. Ha a 8.12 ábrán látható felüláteresztő szűrő fC-je 2 kHz, és az áteresztő sávban az erősítés 0 dB, a csillapítás 200 Hz-en: (a) -10 dB (b) -20 dB (c) -30 dB (d) -40 dB 2. Ha egy felüláteresztő szűrő vágása 20 dB/dekád az fC alatt és az áteresztő sávban az erősítés 0 dB, a 0.01 fC-nél a csillapítás: (a) -10 dB (b) -20 dB (c) -30 dB (d) -40 dB 3. Ha 1 mV-os kimeneti jelnek 0 dB-nek felel meg, akkor 1 V-nak (a) 20 dB (b) 40 dB (c) 60 dB (d) 80 dB 4. A vágás egy felüláteresztő szűrő kimenetén 20 dB/dekád. Egy állandó amplitúdójú bemenő jel 2 mV-os kimeneti jelet kelt 0.001 fC-nél. Ha a bemeneti frekvenciát 10 fCre növeljük, a kimeneten megjelenő feszültség: (a) 1 V (b) 2 V (c) 3 V (d) 4 V

117

27. GYAKORLAT Kettős T sávszűrő Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a kettős T tagú aktív sávszűrő működését elméletét egy 741 típusú műveleti erősítővel.

8.13 ábra

Alkatrészlista: • • • • • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 4 db 10 kΩ-os ellenállás 1 db 470 kΩ-os ellenállás 1 db 47 kΩ-os ellenállás 1 db 22 kΩ-os ellenállás 4 db 47 nF-os kondenzátor 1 db 200 nF-os kondenzátor kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: f0 =

1 2πRC Q=

BW = fH - fL

f0 BW

f0 -nál AV = 470 kΩ/47 kΩ = 10

118

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 8.13 ábrán látható áramkört. Az 5 kΩ-os ellenállás két párhuzamosan kapcsolt 10 kΩ-os ellenállásból állítható elő. A jelforrás közvetlenül a CADET mérőpanel jelgenerátorának szinuszjel kimenete, vagy hasonló néhány V-os szinuszjel-forrás. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 1 V/osztás 2. csatorna: 10 V/osztás időalap: 1 ms/osztás váltófeszültségű csatolás

3. Ellenőrizze, hogy állandó marad-e a jelgenerátor szinuszjelének az amplitúdója, miközben a frekvenciát kb. 200 Hz-től 600 Hz-ig változtatja. 4. Kapcsolja be a tápfeszültséget és az oszcilloszkóp képernyőjén állítsa a bemeneti jelet a kimeneti jelre. Változtassa a bemeneti frekvenciát 200 Hz-től 600 Hz-ig, és figyelje meg ennek hatását a kimeneti amplitúdóra. 5. Mérje meg a középfrekvenciát (az a frekvencia, ahol a Vo/Vi maximális) T0 = s f0 = Hz 6. Számítsa ki a középfrekvenciát a (8-5) egyenlet segítségével, és hasonlítsa össze a ezt az 5. pont szerint mért értékkel. f0számított = Hz 7. Mérje meg és jegyezze fel a szűrő erősítését az alábbi frekvenciákon. Az adatokat grafikonon ábrázolja. Vo /Vi f 0.7 f0 0.8 f0 0.9 f0 1.0 f0 1.1 f0 1.2 f0 1.3 f0 8. Mérje meg az alsó és felső vágási frekvenciát (azok a frekvenciák, ahol az erősítés a maximális érték 0.707 részére csökken) fL = Hz fH = Hz 9. Számítsa ki a sávszélességet és a jósági tényezőt. BW = Hz Q=

119

Ellenőrző kérdések: l. Egy sávzáró szűrő: (a) egy keskeny frekvencia sávot enged át (b) egy keskeny frekvencia sávot nem enged át (c) átfedő aluláteresztő és felüláteresztő szűrőként működik (d) a fentiek mindegyike 2. Egy sávszűrő: (a) átfedő aluláteresztő és felüláteresztő szűrőként működik (b) egy frekvencia sávot nem enged át (c) ugyanaz a funkciója, mint a sávzáró szűrőnek (d) úgy működik, mint egy nem átfedő aluláteresztő és felüláteresztő szűrő 3. Középfrekvenciáján a 8-13 ábrán lévő áramkör a következőképpen működik (a) nem-invertáló erősítőként (b) invertáló erősítőként (c) feszültségkövetőként (d) oszcillátorként 4. Középfrekvenciáján a kettős T-tag a következőképpen működik: (a) rövidzárként (b) szakadásként (c) sávszűrőként (d) fázistoló hálózatként

120

28. GYAKORLAT Többszörös visszacsatolású szűrő Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a többszörös visszacsatolású szűrő működését egy 741 típusú műveleti erősítővel.

8.14 ábra

Alkatrészlista: • • • • • • •

1 db 741-es műveleti erősítő 1 db 39 kΩ-os ellenállás 2 db 3.3 kΩ-os ellenállás 2 db 330 kΩ-os ellenállás 2 db 10 nF-os kondenzátor kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések:

f0 =

R1 + R2 R1 R2 R3

1 2πC

BW = fH - fL Q=

f0 BW

f0 -nál AV = 470 kΩ/47 kΩ = 10

121

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 8.14 ábrán látható áramkört. A 165 kΩ-os ellenállás két párhuzamosan kapcsolt 330 kΩ-os ellenállásból, az 1.65 kΩ-os ellenállás két párhuzamosan kapcsolt 3.3 kΩ-os ellenállásból állítható elő. A jelforrás közvetlenül a CADET mérőpanel jelgenerátorának szinuszjel kimenete, vagy hasonló néhány V-os szinuszjel-forrás. 2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 1 V/osztás 2. csatorna: 2 V/osztás időalap: 1 ms/osztás, váltófeszültségű csatolás

3. Ellenőrizze, hogy állandó marad-e a jelgenerátor szinuszjelének az amplitúdója, miközben a frekvenciát kb. 200 Hz-től 1700 Hz-ig változtatja. 4. Kapcsolja be a tápfeszültséget és az oszcilloszkóp képernyőjén állítsa a bemeneti jelet a kimeneti jelre. Változtassa a bemeneti frekvenciát 200 Hz-től 600 Hz-ig, és figyelje meg ennek hatását a kimeneti amplitúdóra. 5. Mérje meg az alsó és felső vágási frekvenciát (azok a frekvenciák, ahol az erősítés a maximális érték 0.707 részére csökken) fL = Hz fH = Hz BW = Hz Ellenőrző kérdések: l. A középfrekvencián a 8.14 ábrán látható áramkör erősítése: (a) 4.2 (b) 1.0 (c) 3.1 (d) 2.1 2. A 8-14 ábrán az R1 értékének növelése: (a) növeli az erősítést a középfrekvencián (b) nem befolyásolja a Q-t (c) növeli a Q-t és csökkenti az erősítést a középfrekvencián (d) csak a bemeneti impedanciát növeli 3. Egy kettős T-tagú szűrő önmagában: (a) éles sáváteresztő jelleggörbével rendelkezik (b) éles sávzáró jelleggörbével rendelkezik (c) aluláteresztő jelleggörbével rendelkezik (d) felüláteresztő jelleggörbével rendelkezik 4. A 8.14 ábrán az R1 értékének megkettőzése: (a) megduplázza a középfrekvenciát (b) csökkenti az erősítést a középfrekvencián (c) növeli az erősítést a középfrekvencián (d) felezi a középfrekvenciát

122

10. MŰSZERERŐSÍTŐK Bevezetés A műszererősítők (instrumentation amplifier) a modern adatgyűjtő rendszerek egyik kulcselemének számítanak. Ez egy igen precíz erősítőfokozat, amely nagyfokú linearitással, alacsony offsettel, minimális drifttel és az erősítésének alacsony hőmérsékletfüggésével tűnik ki. Gyakran használják alacsony szintű jelek erősítésénél, következésképpen csak igen kis zajt szabad a rendszernek továbbadnia. Nagyon nagy bemeneti impedanciájú, rendkívűl jó minőségű differenciálerősítő fokozathoz illően a műszererősítő rendszerint egy invertáló és egy nem-invertáló bemenettel rendelkezik, de az erősítése általában egy külső ellenállással állítható be. A modern műszererősítők már egytokos kivitelben kaphatók, azonban a fokozat belső működése bemutatható három hagyományos műveleti erősítő és hét ellenállás segítségével.

10.1 ábra : Műszererősítő

Az A3 jelű műveleti erősítő a három R ellenállással és az R’ potenciométerrel egy differenciálerősítő fokozatot alkot egyszeres erősítéssel. Az R’ változtatásával a közösmódusú jelek kiegyenlítése lehetséges. Az A1 és A2 jelű műveleti erősítők a fokozat bemeneti illesztését és erősítését végzik. Az a⋅R változtatható ellenállás állítja be az erősítés értékét. Az E2 bemenet invertáló, az E1 bemenet pedig nem-invertáló bemenetként viselkedik. A műszererősítő fokozat differenciálerősítése: (10-1) V0 2 AV = = 1+ E1 − E 2 a ahol a az erősítést meghatározó változtatható ellenállás értékében R szorzótényezője.

123

10/1. Példa Legyen a 10.1 ábrán látható áramkörben R = 50 kΩ, és a⋅R = 100 Ω. Határozza meg a feszültségerősítést. 1 a⋅R a= = 500 R 2 AV = 1 + = 1001 a Mivel az A1 és A2 jelű műveleti erősítők nem-invertáló erősítő fokozatok, ezért nagyon nagy a bemeneti impedanciájuk és közelítőleg egyforma értékű. Ha kivesszük az a⋅R ellenállást a műszererősítő fokozat differenciálerősítése egységnyi lesz. A műszererősítőt szinte kizárólag csak differenciálerősítőként alkalmazzák, tehát csak a két bemenet közötti feszültségkülönbséget erősíti. Igen nagy közösmódusú elnyomási tényezője (CMRR) miatt alkalmas közös fázisú bemeneti jelek elnyomására, mint például a hálózati tápegységek 50 Hz-es búgófeszültsége (“brumm”-ja). A műszererősítők alkalmazásai Azt a jelforrást, amelynek az egyik kivezetése a földre csatlakozik egyoldalú (singleended) forrásnak nevezik. Azt a jelforrást, amelynek mindkét kivezetése el van emelve a földtől és a fölhöz képest egyforma a kimeneti feszültségük és az impedanciájuk szimmetrikus (balanced) forrásnak nevezik. A Wheatstone-híd jó példa a szimmetrikus jelforrásra.

10.2 ábra : Wheatstone-híddal meghajtott műszererősítő

A Wheatstone-híd bármilyen asszimetriája eredményeképpen feszültségkülönbség lép fel a műszererősítő bemenetén. A hidat meghajtó jelforrás közösmódusú jelet szolgáltat a műszererősítő számára. A műszererősítő azonban csak a különbségi feszültséget erősíti fel, a közös módusú jeleket elnyomja.

124

32. GYAKORLAT Műszererősítő Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a műszererősítő működését egy 741 és két TL081 típusú műveleti erősítővel.

10.3 ábra

Alkatrészlista: • • • • •

1 db 741CP műveleti erősítő 2 db TL081 műveleti erősítő 6 db 10 kΩ-os ellenállás kétcsatornás oszcilloszkóp CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: AV = 1 +

V0 2 = a E1 − E2

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 10.3 ábrán látható áramkört. A CADET mérőpanelen található 1 kΩ-os és a 10 kΩ-os potenciométerek alkotják a Wheatstone-híd egy-egy oldalát. A differenciálerősítést meghatározó a⋅R ellenállást első lépésben nem építjük be, később a szükség szerinti értékű ellenállást csatlakoztatunk. A jelforrás közvetlenül a CADET mérőpanel jelgenerátorának szinuszjel kimenete.

125

2. Az oszcilloszkóp javasolt beállításai: 1. csatorna: 0.5 V/osztás 2. csatorna: 0.5 V/osztás időalap: 0.5 ms/osztás váltófeszültségű csatolás Állítsa kezdetben a potenciométereket középső állásba.

3. Kapcsolja be a tápfeszültséget és úgy állítsa be a 10 kΩ-os potenciométer szinuszjelének szintjét, hogy az 0.5 V-al legyen nagyobb az 1 kΩ-os potenciométer jelénél. Ekkor tehát a differenciálbemenetekre kerülő jel 0.5 V-os lesz. E2 - E1 = 0.5 V 4. Mérje meg és jegyezze fel a kimeneti feszültséget. Csatlakoztasson egy a⋅R = 10 kΩ-os ellenállást és mérje meg és jegyezze fel a kimeneti feszültséget. Csatlakoztasson egy a⋅R = 5 kΩ-os ellenállást (két párhuzamosan kapcsolt 10 kΩ -os) és mérje meg és jegyezze fel a kimeneti feszültséget. a⋅R

1+

2 a

V0 E1 − E 2

∞ 10 kΩ 5 kΩ Ellenőrző kérdések: 1. Nyitott a⋅R esetén a műszererősítő leginkább a következőhöz hasonlít: (a) hagyományos műveleti erősítő (b) összegző erősítő (c) differenciálerősítő (d) egységnyi erősítésű invertáló erősítő 2. Ha nyitott a⋅R esetén E1 = +2 V és E2 = +3 V , a kimeneti feszültség (a) +5 V (b) -1 V (c) +1 V (d) +6 V (e) -5 V 3. Nyitott a⋅R esetén a 10.1 ábrán az A1 és A2 erősítők úgy működnek, mint (a) feszültségkövetők (b) differenciálerősítők (c) inverterek (d) összegző erősítők 4. A differenciálerősítő fokozathoz képest a műszererősítőnek (a) alacsonyabb a bemeneti impedanciája (b) asszimetrikus a bemeneti impedanciája (c) nagyobb az ofszete (d) magasabb a bemeneti impedanciája

126

13. FESZÜLTSÉGSZABÁLYOZÓK Bevezetés A feszültségszabályozó (voltage regulator) egy olyan áramkör, amely állandó egyenfeszültségszintet szolgáltat a terhelés számára. Rendszerint egy szabályozatlan vagy csak rosszul szabályozott egyenfeszültségű áramforrás és egy állandó feszültségforrást igénylő terhelés között alkalmazzák. A feszültségszabályozónak majdnem állandó kimeneti feszültséget kell fenntartani a terhelőáram és a bemeneti feszültség változása ellenére. A soros áteresztő feszültségszabályozó (series-pass regulator) A feszültségszabályozó áramkörök egyik alapvető típusa a soros áteresztő szabályozó. A soros áteresztő szabályozót a terheléssel sorba kapcsoljuk és így a forrás egyenfeszültségének egy része a feszültségszabályozón esik, amely érzékeli a terhelésen eső egyenfeszültséget és úgy állítja be a saját feszültségesését, hogy a terhelés feszültsége állandó maradjon. A terhelés feszültsége és a feszültségszabályozón eső feszültség mindig a forrás feszültségét adja. Ha a forrás feszültsége megváltozik, a feszültségszabályozó ezt a feszültségesésének ugyanakkora változásával kompenzálja.

13.1 ábra : A soros áteresztő szabályozó blokkvázlata

A feszültségszabályozó minden hullámosságot, amely az egyenfeszültségű forrásnál fellép, jelentősen lecsökkent, mivel a hullámosság is a forrás feszültségváltozása, amelyet azonos nagyságú feszültségesés változással kompenzál. A soros áteresztő feszültségszabályozó három fő része: 1. Szabályozó elem - a terheléssel soros rész, amelyen a forrás feszültségének egy része esik. 2. Referenciafeszültség - az az adott feszültségérték, amelyhez viszonyítható a kimeneti feszültség. 3. Szabályozást vezérlő áramkörök - a kimeneti feszültség egy részét összehasonlítva a referenciafeszültséggel hibajelet biztosítanak a szabályozó elem számára. A 13.2 ábra a jel útvonalát mutatja be ezeken az elemeken.

127

13.2 ábra : A soros áteresztő feszültségszabályozó elemei

Ezt a fajta feszültségszabályozót gyakran lineáris szabályozónak nevezik, mivel simán és folytonosan változtatja impedanciáját, hogy a terhelés feszültségét állandó értéken tartsa. Egy lineáris soros áteresztő feszültségszabályozó kialakítható diszkrét tranzisztorok, műveleti erősítők vagy speciális integrált áramkörök felhasználásával. A kisáramú alkalmazásoknál (I < 3 A) széleskörűen alkalmaznak műveleti erősítőket és a speciális célú integrált áramköröket feszültségszabályozásra. Ezek az eszközök stabil áramköri szabályozást biztosítanak egyszerű kivitelezés és alacsony ár mellett. A nagyáramú alkalmazásoknál (I > 3 A) a soros áteresztő eszköz rendszerint egy teljesítménytranzisztor. A műveleti erősítők és a kisteljesítményű tranzisztorok a nagyáramú soros áteresztő tranzisztorok vezérlésénél szabályozó és áramérzékelő eszközökként alkalmazhatók. Műveleti erősítős soros feszültségszabályozók Noha az integrált áramkörös feszültségszabályozó a legjobb választás, amennyiben rendelkezésre áll a megfelelő feszültség és áramjellemzőkkel rendelkező típus, sok olyan speciális alkalmazás van, amelynél továbbra is szükség van a műveleti erősítő áramkörökre. Lényegében, a műveleti erősítőt arra alkalmazzák, hogy a szabályozó kimeneti feszültségének egy megadott része és a referenciafeszültség közötti különbséget erősítse. A műveleti erősítő kimeneti jele a soros szabályozó elem vezérlőjele. Ideális esetben a műveleti erősítőnél nulla különbségnek kell lenni a referenciafeszültség és a szabályozott kimeneti feszültség adott része között.

13.3 ábra : Egyszerű műveleti erősítős feszültségszabályozó

128

A 13.3 ábra egy nagyon egyszerű, kis áramú feszültségszabályozót mutat, ahol a műveleti erősítő kimenete közvetlenül biztosítja a terhelőáramot. A referenciafeszültség egy fordítva előfeszített Zener-diódán eső feszültség. Ezt a referenciafeszültséget a teljes kimeneti feszültséggel hasonlítja össze egy műveleti erősítő, ami szabályozó áramkörként és szabályozó elemként szolgál. Az áramkör valójában egy a 2. fejezetben leírt feszültségkövető, és a kimeneti feszültség ugyanaz lesz, mint az a referenciafeszültség, amelyet a nem-invertáló bemenetre kapcsolunk. A kimeneti áram nagyságát a műveleti erősítő áram- és teljesítménydisszipációs jellemzői korlátozzák. Az Eo értékének néhány V-al a VCC alatt kell lenni, hogy a műveleti erősítő telítését megakadályozzuk. Ezért mindig esni kell bizonyos feszültségnek a feszültségszabályozón, hogy a megfelelő feszültségszabályozási tartományt az eszköz telítése nélkül biztosítsuk. A műveleti erősítő alkalmazása szabályozóban jelentős javulást hoz ahhoz képest, ha a szabályozott feszültséget csak közvetlenül egy ellenállás és egy Zener-dióda csatlakozó pontjáról vennénk le. A műveleti erősítőnek a bemutatott módon történő kapcsolásával a Zener-dióda árama állandó még akkor is, ha a terhelő áram változik, ez azt jelenti, hogy a Zener-diódán eső feszültség nem fog változni a dióda ellenállásán átfolyó áram változása miatt. A műveleti erősítő biztosítja a sokkal kisebb kimeneti ellenállást is a terhelés felé és a sokkal nagyobb terhelőáramot, mint amit a Zener-dióda-ellenállás kombináció. Ha nagyobb kimeneti feszültségre van szükség, mint amit a Zener-dióda biztosít, a műveleti erősítő nem-invertáló erősítőnek is használható (lásd 2.7 ábra). Itt is a bemenő jel tulajdonképpen a referenciafeszültség. A 13.4 ábrán egy ilyen áramkör látható.

13.4 ábra

Ez az áramkör ugyanúgy viselkedik, mint a 13.3 ábrán látható áramkör, kivéve azt, hogy a referenciafeszültséget a kimeneti feszültségnek csak egy bizonyos részével hasonlítjuk össze. A műveleti erősítő a két “mintavevő” ellenállás kapcsolódási pontján állandó értéken tartja a feszültséget. Ez azt jelenti, hogy a kimeneti feszültség nagyobb lesz, mint a referenciafeszültség: R + R2 (13-1) E o = Vref 1 R2 Ez csak egy speciális alkalmazása a 2. fejezetben tárgyalt nem-invertáló erősítőnek. Ha a feszültségosztó egyik részét szabályozhatóvá tesszük, a kimeneti feszültséget egy korlátozott tartományban állítani lehet.

129

13.5 ábra : Állítható feszültségű feszültségszabályozó

Ha a potenciométer csúszóérintkezőjét a felső végállásba állítjuk, a minimális kimeneti feszültséget, az alsó végállásban pedig a maximális kimeneti feszültséget kapjuk. Adott potenciométer állásnál a kimeneti feszültség meghatározásához a potenciométer csúszóérintkező feletti ellenállás értékét az R1-hez, a csúszóérintkező alatti ellenállás értékét az R2-hez kell adni és ezt behelyettesíteni a (13-1) egyenletbe. Mivel a legtöbb műveleti erősítő csak korlátozott kimeneti áramot képes leadni, az eddig tárgyalt áramkörök csak kis áramigényű alkalmazásoknál használhatók. Ha a művelei erősítőt egy emitterkövetőként kapcsolt teljesítménytranzisztor meghajtására alkalmazzuk és a visszacsatoló jelet az emitterkövető kimenetéről vesszük le, a tranzisztor úgy fog viselkedni, mintha a műveleti erősítő kimeneti fokozatának része lenne. Ez a fajta műveleti erősítős szabályozó kapcsolás sokkal nagyobb áramot képes a terhelésnek biztosítani, mivel most már a kimeneti áramot nem a műveleti erősítő, hanem a tranzisztor áram és teljesítményjellemzői határozzák meg. A szabályozott elem gyakorlatilag a tranzisztor, a műveleti erősítő pedig csak vezérlő áramkörként működik. Ez az áramkör továbbra is egy nem-invertáló erősítő, de sokkal nagyobb képességekkel.

13.6 ábra : Feszültségszabályozó soros áteresztő tranzisztorral

A műveleti erősítő minden különbséget erősít a referenciafeszültség és az invertáló bemeneten megjelenő feszültségrész között. A műveleti erősítő kimenete a tranzisztor bázisát hajtja meg úgy, hogy a műveleti erősítő bemenetein a különbség csökkenjen. Ha az Eo nőni kezd, az műveleti erősítő kimenete csökken és így a tranzisztor

130

bázisának előfeszítését csökkenti. Emiatt a tranzisztoron eső feszültség megnő, és ez az Eo-t visszaviszi a helyes szintre. Ha az Eo csökkenni kezd, a fentiek ellenkezője történik. Ahhoz, hogy egy ilyen áramkörből a maximális kimeneti teljesítményt kapjuk, rendszerint a tranzisztort hűtőbordára kell szerelni. Ezzel a tranzisztor teljesítményét (hődisszipációját) növelni lehet. Áramkorlátozás A feszültségszabályozó áramkör kimenetének rövidre zárásakor gyakran szükséges valamilyen fajta áramkorlátozás, hogy a feszültségszabályozó meghibásodását elkerüljük. A 13.7 ábra egy egyszerű kimeneti áramkorlátozást mutat be rövidzár vagy túlterhelés esetére.

13.7 ábra : Feszültségszabályozó áramkör áramkorlátozással

Ha a feszültségesés az R3 ellenálláson meghaladja a kb. 0.7 V-t a Q2 tranzisztor kinyit és bázist meghajtó áramot leveszi a Q1 soros áteresztő tranzisztorról. Ezzel felső határt szab a szabályozó kimeneti áramára, és ez az a érték, amelynél az R3-on kb. 0.7 V feszültségesés keletkezik. Ezen érték alatti áramoknál az áramkorlátozó áramkör nincs hatással a kimeneti feszültségre. Mivel az R3 a visszacsatoló hurokban van, azt a kis feszültségesést, amelyet okozott, kompenzálja a szabályozó áramkör. Amint a terhelőáram megpróbál a határérték fölé nőni, a kimeneti feszültség lecsökken a Q1 megnövekedett feszültségesése miatt, és a kimeneti áram közel marad a határtértékhez, a terhelő ellenállás esetleges további csökkenése esetén is.

131

Integrált áramkörös (IC) feszültségszabályozók Valószínűleg a legelterjedtebben alkalmazott szabályozó egy új készülék tervezésénél a háromkivezetésű integrált áramkörös feszültségszabályozó. Egy tipikus integrált áramkörös feszültségszabályozó áramkört mutat a 13.8 ábra.

13.8 ábra : Háromkivezetésű integrált áramkörös feszültségszabályozó - Ei az egyenirányítóról vagy egy nem szabályozott egyenfeszültség vonalról - Eo szabályozott egyenfeszültség a terhelés felé

A helyes működéshez pusztán közös földre van szükség a bemeneti és a kimeneti áramkör között és egy minimális feszültségesésre a bemeneti és a kimeneti feszültség között. Ez a minimális feszültségesés (dropout voltage) rendszerint valamivel kisebb, mint 2 V. A C1 kondenzátorra rendszerint csak akkor van szükség, ha a szabályozó jelentős távolságban van a tápegység szűrőkondenzátorától. A C2-re nem mindig van szükség, de gyakran javítja a tranziens jellemzőket és csökkenti váltófeszültségű impedanciát. A tipikus integrált áramkörös feszültségszabályozók a következőket biztosítják: 1. Feszültségszabályozás - többnyire rögzített értéken, de néhány típus kimeneti feszültségértéke változtatható. 2. Beépített védelem hő túlterhelés ellen - túlmelegedés esetén lezár. 3. Rövidzárási áramkorlátozás. Jelenleg a gyakori szabályozó típusok a következő feszültségértékekre kaphatók: 5, 6, 8, 10, 12, 15, 18 és 24 V. A legelterjedtebb áramhatár 0.1 és 3 A között van, de néhány kapható 5 A feletti áramhatárral is. A hasonló áramjellemzőkkel rendelkező negatív feszültségszabályozók a pozitív szabályozók komplemenseként kaphatók. Noha néhány integrált áramkörös feszültségszabályozó állítható feszültségű, a legtöbbet rögzített kimeneti feszültségre tervezték. Viszonylag egyszerű eljárással két ellenállás hozzáadásával azonban megnövelhető a rögzített feszültségszabályozók kimeneti feszültsége.

13.9 ábra : Feszültségszabályozók kimeneti feszültségének növelése

132

A szabályozó most a feszültségosztó Rl ellenállásán eső feszültséget szabályozza. Ez azt jelenti, hogy az Rl-en átfolyó áram állandó értékű. Az R2-n folyó áram megegyezik az Rl-en átfolyó áram, valamint egy igen kis működtető áram (IQ) összegével, amely a szabályozó közös kivezetésén folyik. Az IQ tipikus értéke 8 mA vagy ennél kevesebb. Az áramkör kimeneti feszültsége a két ellenálláson eső feszültség összege, amelyet a következő egyenlet ad: (13-2) ⎛ V ⎞ E o = Vszab + R2 ⎜ I Q + szab ⎟ R1 ⎠ ⎝

Áramszabályozók Egy integrált áramkörös feszültségszabályozóból könnyen ki lehet alakítani áramszabályozót. Ekkor a feszültségszabályozót egy a terheléssel sorba kötött ellenálláson eső feszültség szabályozására használjuk. Ha egy soros ellenálláson állandó feszültség van, az azt jelenti, hogy állandó áram folyik rajta, ezért a terhelésen is állandó áram folyik. A 13.10 ábra egy egyszerű áramszabályozó áramkört ábrázol.

13.10 ábra : Áramszabályozó

A 13.10 ábrán a 12 V-os szabályozó 120 mA áramot hajt át a 100 Ω-os ellenálláson. A terhelésen folyó áram 120 mA és a kicsi IQ komponens összege. Az áramszabályozás fennmarad, amíg a terhelés ellenállása olyan naggyá nem válik, hogy a szabályozón eső feszültség a szükséges minimális feszültség (dropout voltage) alá nem csökken. Feszültségszabályozók specifikációja Az integrált áramkörös feszültség szabályozóknál számos teljesítményjellemzőt határoztak meg. •

Vonali vagy bemeneti szabályozás (line regulation), amely a kimeneti feszültség változása a bemeneti feszültség változásának hatására. Ezt gyakran mV-ban vagy a kimeneti feszültség százalékában határozzák meg.

•

Terhelés szabályozás (load regulation): a kimeneti feszültség változása a terhelő áram változásának hatására. Ezt gyakran mV-ban vagy a kimeneti feszültség százalékában adják meg.

133

•

Kimeneti feszültség hőmérsékleti együtthatója: a kimeneti feszültség változása a hőmérséklet egységnyi változásának hatására. Ezt gyakran mV/C° fokban adják meg.

•

Hullámosság elnyomás (ripple rejection): a feszültségszabályozó olyan képességének a mértéke, amellyel csillapítja a bemeneten jelen lévő hullámfeszültséget. Ezt gyakran decibel-ben fejezik ki.

•

“Dropout” feszültség: az a minimális feszültségkülönbség, amelynek fenn kell állni a bemeneti és kimeneti kivezetések között ahhoz, hogy a szabályozó megfelelően tudjon működni.

•

Maximális Vi : a bemeneti egyenfeszültség legnagyobb lehetséges értéke.

•

Maximális teljesítménydisszipációs tényező: az a maximális teljesítmény, amelyet a szabályozó még biztosan képes disszipálni (a tényleges disszipált teljesítmény a bemeneti és kimeneti feszültség közötti feszültségesés szorozva a feszültségszabályozón átfolyó árammal).

•

Kimeneti áram: az az áramérték, amely felett áramkorlátozás lép működésbe.

•

IQ : az az áram, amelynek a szabályozó közös pontjából kell folyni, hogy a szabályozó működhessen.

13.11 ábra : Tipikus, hálózatról működtetett tápegység hárompólusú integrált áramkörös szabályozóval

134

37. GYAKORLAT Kisáramú műveleti erősítős feszültségszabályozó Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a kisáramú feszültségszabályozó működését a szabályozó és vezérlő elemként használt 741 típusú műveleti erősítővel.

13.12 ábra

Alkatrészlista: • • • • • •

1 db 741CP műveleti erősítő 1 db 1N751A típusú Zener-dióda 1 db 2.2 kΩ-os ellenállás 1 db 1 kΩ-os ellenállás multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: E0 = VD , ahol VD a Zener-dióda feszültsége AV(DC) = 1 feszültségkövető esetén ID =

VCC − V D , ahol ID a Zener-diódán átfolyó áram R

135

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 13.12 ábrán látható áramkört. Egyenlőre az alaphelyzetben ne csatlakoztassa még az 1 kΩ-os ellenállást az egyik kijelölt pontra sem. 2. Kapcsolja be a tápfeszültséget és olvassa le a következő egyenfeszültségeket: VD = V Eo = V 3. Óvatosan csatlakoztassa az 1 kΩ-os (1W) ellenállást a kimeneti kivezetés és a földpont közé. Az 1 kΩ-os ellenállás lesz a terhelés a szabályozón. Mérje meg az Eo feszültséget és számítsa ki az 1 kΩ-os ellenálláson átfolyó áramot. Jegyezze fel ezeket az értékeket. Eo = V I = A Mennyit változott a kimeneti feszültség a terhelés nélküli esethes képest az l kΩos terheléssel? Az Eo változása a terhelés következtében: V 4. Vegye le az 1 kΩ-os ellenállást a kimenetről és csatlakoztassa a Zener-diódára (a diódával párhuzamosan). Mérje meg a VD-t. Mi történt a VD-vel? Miért? Jegyezze fel a VD új értékét. VD = V A dióda-ellenállás kombináció képes közvetlenül táplálni az 1 kΩ-os ellenállást? 5. Kapcsolja ki a tápfeszültséget és állítsa vissza az eredeti áramkört az 1 kΩ-os ellenállás eltávolításával. Óvatosan vegye le a 2.2 kΩ-os ellenállás felső végét a +12 V-ról, és helyette +7 V-os feszültséget csatlakoztasson ide. Ismét olvassa le és jegyezze fel Eo-t. V Eo = 6. A 12 V-ról 7 V-ra csökkentve a tápfeszültséget a bemeneti feszültség kb. 5 V-ot változott. A kimenet megváltozása: (2.lépés) Eo - Eo(5.lépés) = V A fejlettebb szabályozók biztosítanak olyan lehetőségeket, amelyekkel a Zener-dióda áramát majdnem állandó értéken lehet tartani a tápfeszültség változásaitól függetlenül. Ellenőrző kérdések: 1. A 13.12 ábrán látható áramkörben az áram a Zener-diódán közelítőleg: (a) 3.14 mA (b) 5.45 mA (c) 2.32 mA (d) 4.21 mA 2. A 13.12 ábrán látható áramkörben a Zener-diódán disszipált teljesítmény: (a) 2 mW (b) 4 mW (c) 8 mW (d) 16 mW

136

38. GYAKORLAT Rögzített feszültségű műveleti erősítős feszültségszabályozó soros áteresztő tranzisztorral. Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa az olyan műveleti erősítős feszültség-szabályozó működését, amelynél vezérlő elemként soros áteresztő tranzisztort alkalmaznak.

13.13 ábra

Alkatrészlista: • • • • • • •

1 db 741CP műveleti erősítő 1 db 1N751A típusú Zener-dióda 1 db 2N2222 típusú tranzisztor 1 db 2.2 kΩ-os ellenállás 1 db 1 kΩ-os ellenállás multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: E0 = VD , ahol VD a Zener-dióda feszültsége PQ = (VCC - VD)⋅IC , ahol PQ a tranzisztor által disszipált teljesímény

137

Mérési feladatok: 1. Építse meg a 13.13 ábrán látható áramkört. Egyelőre még ne csatlakoztassa a terhelést. 2. Kapcsolja be a tápfeszültséget. A digitális multiméter segítségével mérje meg és jegyezze fel Eo értékét: V Eoterhelés nélkül = 3. Óvatosan csatlakoztassa a terhelést az Eo és a föld közé. Mérje meg és jegyezze fel újra az Eo feszültséget. Eoterheléssel = V Mérje meg a tranzisztor kollektor-emitter feszültségét is. VCE = V 4. Mérje meg a feszültségesést a Zener-diódán, és hasonlítsa össze ezt az értéket a 3. lépésben mért Eo-al. 5. Óvatosan szakítsa meg az áramkört az X-el jelzett helyen tegyen be egy egyenáramú árammérőt, amelynek méréshatárát 25 mA-re vagy ennél többre állítsa. Olvassa le és jegyezze fe1 az áramot. Ez a terhelő áram. Iload = mA 6. Az alapösszefüggések tranzisztor által disszipált teljesítményre vonatkozó egyenletének segítségével számítsa ki rákapcsolt terhelésnél a tranzisztor disszipációját. PQ = mW Képes lenne-e műveleti erősítő ezt a teljesítményt disszipálni?

Ellenőrző kérdések: 1. Ha a 13.13 ábrán látható áramkörben a tranzisztor egyenfeszültségű β-ja 100, és a terhelő áram 75 mA, a műveleti erősítő kimeneti árama: (a) 75 mA (b) 7.5 mA (c) 0.75 mA (d) 0.075 mA 2. Ha a tranzisztor emitter kivezetése a tokon belül megszakad, a műveleti erősítő kimeneti feszültsége közelítőleg a következő lesz: (a) VCC (b) 0 V (c) 5.1 V (d) 0.6 V

138

39. GYAKORLAT Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa olyan műveleti erősítős feszültségszabályozó működésének elméletét, amelynél a kimenet szabályozható és vezérlő elemként soros áteresztő tranzisztort alkalmaznak.

13.14 ábra

Alkatrészlista: • • • • • • • •

1 db 741CP műveleti erősítő 1 db 1N751A típusú Zener-dióda 1 db 2N2222 típusú tranzisztor 1 db 2.2 kΩ-os ellenállás 1 db 1 kΩ-os ellenállás 1 db 15 kΩ-os ellenállás multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: E 0 = Vref

R1 + R2 R2

139

Mérési feladatok: 1. Építse meg a 13.14 ábrán látható áramkört. A 10 kΩ-os változtatható ellenállás a CADET mérőpanel része. Csatlakoztassa a terhelést is. 2. Kapcsolja be a tápfeszültséget. Mérje meg Eo-t a potenciométert mindkét végállásában. Eomax = V min V Eo = 3. A (13-1) egyenlet segítségével számítsa ki az Eo maximális és minimális értékét. Hasonlítsa össze ezeket a mért értékekkel. Eo = Vref (Rpot+R2) / R2 , mivel ekkor R1 = RPot max V Eo = Eomin =Vref , mivel ekkor R1’ = 0 , R2’ = R2 + RPot min Eo = V

Ellenőrző kérdések: 1. Ha a potenciométer csúszóérintkezője elveszítené a kontaktust az ellenálláscsúszópályával, a kimeneti feszültség a következő lenne: (a) 0 V (b) >11 V (c) 5.1 V (d) 4.5 V 2. Ha R2 szakadás lenne, Eo értéke a következő lenne: (a) 0 V (b) >11 V (c) 5.1 V 3. Ha Eo-t 8 V-ra állítja és a terhelés 500 Ω, a tranzisztor által disszipált teljesítmény közelítőleg: (a) 16 mW (b) 128 mW (c) 64 mW (d) 96 mW

140

40. GYAKORLAT A háromkivezetésű integrált feszültségszabályozó áramkör Ennek a gyakorlatnak az a célja, hogy bemutassa a háromkivezetésű integrált feszültségszabályozó működését.

13.15 ábra

Alkatrészlista: • • • • • • • • •

1 db LM7805 típusú feszültségszabályozó integrált áramkör 1 db 1 μF-os kondenzátor 1 db 220 Ω-os ellenállás 1 db 47 Ω-os, 1W-os ellenállás 1 db 100 Ω-os ellenállás 1 db 22 Ω-os ellenállás 1 db 10 Ω-os ellenállás multiméter CADET mérőpanel

Alapösszefüggések: E0 = Vszab Vtáp,min = E0 + 2 V

141

Mérési feladatok: 1. Állítsa össze a 13.15 (A) ábrán lévő áramkört. 2. Kapcsolja be a tápfeszültséget és mérje meg Eo értékét. Eo = V 3. Számítsa ki a terhelőáramot. Iload = mA 4. Mérje meg az Eio feszültségesést a szabályozón a bemenet és a kimenet között. Számítsa ki a szabályozó által disszipált teljesítményt. PQ = Eio Iload = mW 5. Kapcsolja ki a tápfeszültséget és helyezzen el egy 22 Ω-os ellenállást a 12 V-os feszültségforrás és a 13.15 (A) ábrán látható áramkör közé. Ezzel a feszültségszabályozó bemeneti feszültsége kisebb lesz. Kapcsolja be a tápfeszültséget és mérje meg az Eo és Ei új értékeit. Eo = V Ei = V A bemeneti feszültség csökkent. Mi történt a kimeneti feszültséggel? 6. Építse meg a 13.15 (B) ábrán látható áramszabályozó áramkört. 7. Kapcsolja be a tápfeszültséget és mérje meg a feszültséget a 100 Ω-os terhelőellenálláson. Cserélje le a 100 Ω-os ellenállást először 47 Ω-osra, majd 10 Ω-osra. Mérje meg az Eo-t mindegyik terhelésnél. Az Ohm-törvény alapján számítsa ki a terhelőáramot és az IQ-t mindegyik ellenállásnál. Terhelés 100 Ω 47 Ω 10 Ω

Eo (V)

Iload (mA)

IQ= Iload - 22.7 mA

8. Számítsa ki a várható áramértéket a szabályozó kimeneti feszültsége és a soros ellenállás hányadosaként és az IQ hozzáadásával. Használja az átlagos IQ értéket a 7. lépésből. Iload = (Vreg/220Ω) + IQ = mW , ahol IQ > 8 mA. Hogyan hasonlítható össze ez az áram a 7. lépésben mért áramokkal?

142

Ellenőrző kérdések: 1. Egy 7805 szabályozó hullámosság-elnyomása kb. 80 dB. A bemeneten 1 V amplitúdójú hullámosság mekkora feszültséget eredményez a kimeneti kapcsokon? (a) 0,00001 V (b) 0.0001 V (c) 0.001 V (d) 0.01 V 2. Ha a 13.15 (B) ábra szerinti áramszabályozó áramkör kimenetét rövidre zárnánk a földre, a soros ellenálláson folyó áram értéke a következő lenne: (a) 54.5 mA (b) 31.8 mA (c) 0 mA (d) 22.7 mA 3. Ha a 13.l5 (B) ábra szerinti áramszabályozó “dropout” feszültsége 2 V, mekkora a terhelőellenállás maximális értéke? Hanyagolja el az IQ-t. (a) 220 Ω (b) 470 Ω (c) 100 Ω (d) 22 Ω

143

(A) Függelék

UA741 adatlap

144

(B) Függelék

TL081 adatlap

145

(C) Függelék

7805 adatlap

146