KREDSLØBSTEORI 10 FORELÆSNINGER OM ELEKTRISKEKREDSLØB

Transkript

1 EE Basis, foråret 2010 KREDSLØBSTEORI 10 FORELÆSNINGER OM ELEKTRISKEKREDSLØB Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 1

2 Emner for idag Hvad er en OPAMP? AJængige kilder OperaMonsforstærkeren (OPAMP) Ikke ideelle egenskaber for en OPAMP Brug (kobling) af en OPAMP Læsning af datablad for en OPAMP Lidt Ml opgaver Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 2

3 Hvad er en OPAMP? En OPAMP er en forstærker der tager forskellen mellem to spændinger, v 1 og v 2, og forstærker denne forskel v ind,1 v ind,2 v ud v ud = A ( v in,1 v ) in,2 Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 3

4 Hvad er en OPAMP? OPAMP s kommer i mange forskellige afskygninger Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 4

5 Hvad er en OPAMP? Diagram for en OPAMP Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 5

6 Hvad er en OPAMP For at kunne regne på en sådan OPAMP, så har vi brug for en model Heldigvis er strømmen ud af en OPAMP næsten propormonal med spændingen Ohm s lov gælder (næsten) for input og output for en OPAMP En OPAMP kan derfor modelleres med rimeligt simple midler ajængige kilder Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 6

7 AJængige kilder HidMl har I, vil jeg tro, primært været vant Ml at beny\e jer af det vi kalder uajængige kilder Eksempler på de\e er fx forsynings- spændinger, ba\erier og de signalgeneratorer I beny\er i simuleringer og i lab I bestemmer enerådigt hvad den pågældende kilde skal levere af strøm eller spænding Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 7

8 AJængige kilder Udover de uajængige kilder har vi en anden type, nemlig den vi kalder for ajængige kilder Som navnet antyder, så leverer de en strøm eller en spænding der er ajængig af noget andet v k. v k v i k. i k i Spændingsstyrede kilder Strømstyrede kilder Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 8

9 AJængige kilder KredsløbsnotaMon LTspice- notamon v k. v k v i k. i k i Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 9

10 Tavleopgave 1 Bestem V i 0g V o : OperaMng Point V(n001): Vi 10 =? voltage V(vi): Vo 7.5 =? voltage V(vo): 75 voltage Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 10

11 Tavleopgave 2 Bestem V i 0g V o : OperaMng Point V(n001): Vi 10 =? voltage V(vi): Vo 7.5 =? voltage V(vo): 75k voltage Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 11

12 OperaMonsforstærkeren (OPAMPen) Ser vi på funkmonsprincippet for en OPAMP så er det jo netop en spændingsstyret spændingskilde OPAMP en kigger på en input- spænding (v in ) og levere en output- spænding (v out ) ajængig heraf Simple modeller Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 12

13 OperaMonsforstærkeren (OPAMPen) I praksis bruger vi en lidt mere detaljeret model Ikke- ideel Single supply vs. bipolar supply Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 13

14 OperaMonsforstærkeren (OPAMPen) Når vi regner på koblinger baseret på OPAMPs antager vi ohest at disse er ideelle R i = Ω R o = 0 Ω A (A DM ) = (A CM = 0) Båndbredde = Hz Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 14

15 OperaMonsforstærkeren (OPAMPen) Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 15

16 OperaMonsforstærkeren (OPAMPen) Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 16

17 OperaMonsforstærkeren (OPAMPen) v Out = 10 2 v Non _ inv v Out = 20 3 v Non _ inv Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 17

18 OperaMonsforstærkeren (OPAMPen) Hovsa Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 18

19 OperaMonsforstærkeren (OPAMPen) Hvad medfører alle disse ideelle betragtninger? R i = Ω A = Hvis A = og v out sammdig skal antage en endelig værdi, så må v in per definimon være lig nul eller i hvert fald maje maje lille. Virtuel ground Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 19

20 Tavleopgave 3 Hvad er spændingsforstærkningen for denne opkobling af en OPAMP? Tænk på Virtuel jord Anvendelse af model = 0 V = V s Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 20

21 Tavleopgave 4 OpsMl et udtryk for v 0 som funkmon af v 1 og v 2 Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 21

22 Tavleopgave 4 Vi beny\er os af superposimon, som vi jo kender fra KRT2, og starter med at kigge på bidraget fra v 1 Basal elektronik OKJ (opgave 1 i dag) Inverterende forstærker Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 22

23 Tavleopgave 4 Dernæst ser vi på bidraget fra v 2 Basal elektronik OKJ (Opgave 1 i dag) Ikke- inverterende forstærker Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 23

24 Tavleopgave 4 Det samlede bidrag findes dernæst ved addimon Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 24

25 Den virkelige verden I praksis er en OPAMP ikke bare en simpel struktur Den består af mange elementer Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 25

26 Den ikke- ideelle OPAMP I praksis er en OPAMP aldrig ideel hvilket vi naturligvis er nødt Ml at tage med i betragtning når vi designer R i Ω (typisk 10 6 Ω) R o 0 Ω (typisk 5-20 Ω) A (typisk db) Båndbredde Hz (GBW) GBW: Gain BandWidth product GBW = gain x båndbredde Har en OPAMP fx. en GBW på 1 MHz så betyder det, at den har et gain på 1 ved 1 MHz (Eller 10 ved 100 khz) Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 26

27 Den ikke- ideelle OPAMP Hvis vi holder fast ved det med GBW og et endeligt gain, så kan vi finde frem Ml frekvens- karakterismkken for OPAMP en Ideelle A=100 db GBW=1MHz - > A=1@1MHz (0dB) - > A=10@100kHz (20dB) - > A=100@10kHz (40dB) - > A=1k@1kHz (60dB) - > A=10k@100Hz (80dB) Resulterende Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 27

28 Den ikke- ideelle OPAMP Endeligt gain og begrænset GBW er meget vigmgt selv for simple koblinger Hvis frekvensen eller gainet er for højt kan det let gå galt Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 28

29 Den ikke- ideelle OPAMP DerMl kommer de endelige input og output modstande Her vender vi Mlbage Ml vores model igen Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 29

30 Den ikke- ideelle OPAMP Kredsløbsanalyse leder os frem Ml løsningen KVL: 0! Ohms lov: KVL: Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 30

31 Den ikke- ideelle OPAMP De to KVL er samles og relamonen mellem V o og V s findes Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 31

32 Den ikke- ideelle OPAMP Typiske værdier Table 4.1 A list of commercial op-amps and their model values Manufac Part no. A R i R o Comments National LM General purpose, up to +/- 16V supplies, very inexpensive National LMC Low voltage, rail-to-rail inputs and outputs Maxim MAX Micro-power (1.8 V 10 µa), rail-to-rail inputs and outputs Apex PA High-voltage, +/-75 V, and high-output current capability, 30 A. That's 2 kw! Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 32

33 OPAMP datablade Der er mange nysge oplysninger i databladene Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 33

34 OPAMP datablade Der er også mange knap så nysge oplysninger i databladene Databladet for TLE2071 er fx på ikke mindre end 77 sider, så klart at det kræver lidt at finde de brugbare oplysninger Hvad skal man se på? Hvilke forsyningsspændinger har man Ml rådighed? ±15 V?, 0/9 V? Først når det er avlaret kan man vælg en opamp, der passer herml Hvilket spændingsområde (signal) skal man have ud? Hvilke spændinger (signal) er der på indgangen? Andre krav ajængigt af anvendelsen, f.eks. stor forstærkning ved høje frekvenser Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 34

35 OPAMP datablade (TLE2071) Definerer hvad kredsen kan holde Ml En opamp kan ohest holde Ml en kortslutning på udgangen Min. ± 2,25 V forsyningsspænding Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 35

36 OPAMP datablade (TLE2071) Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 36

37 Lidt Ml opgaverne 3 små opgaver der alle involverer OPAMPS Opgaverne forudsæ\er brug af det kredsløbsteori I har lært indml nu Opgave 1 antager ideelle OPAMP egenskaber I opgave 2 og 3 skal I regne på ikke- ideelle egenskaber, og dereher vurdere lidt på betydningen af disse Jan H. Mikkelsen EE- Basis, Kredsløbsteori, F10, KRT3 37