ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
Τ Μ Η Μ Α Η Λ Ε Κ Τ Ρ Ο Λ Ο Γ ΙΑ Σ
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΤΡΙΓΩΝΙΚΗΣ - ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗΣ ΤΤΑΛΜΩΤΑΣΗΣ
ΕΙΣΗΓΗΤΗΣ:
ΜΠΟΥΤΑΚΗΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΚαβπγΠΒής ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ:
ΛΕΙΒΑΔΙΩΤΗΣ ΒΑΣΙΛΗΣ
'' f Λ Λ .Δ · Ή? 5 ί
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
Τ Μ Η Μ Α Η Λ Ε Κ Τ Ρ Ο Λ Ο Γ ΙΑ Σ
^ Π ΐ [91
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΤΡΙΓΩΝΙΚΗΣ - ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗΣ Π ΑΛΜ Ω ΤΑΣΗΣ
ΕΙΣΗΓΗΤΗΣ:
ΜΠΟΥΤΑΚΗΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ Καθπνηυής ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΣΒΟΥΔΑΣΤΗΣ:
ΛΕΙΒΑΔΙΩΤΗΣ ΒΑΣΙΛΗΣ
Κ Α Β Α Λ Α 1 9 9 1
Π Ρ Ο Λ Ο Γ Ο Σ
Α ντικείμενο της πτυχιακής εργασίας είναι η κατασκευή και η μ ε λ έ τη της λειτο υρ γία ς γεννήτριας, τριγωνικής και τετραγω νικής παλμοτάσης.
Οι τελεσ τικο ί ενισ χ υ τές (operational amplifiers) αποτελούν βασικό μέρ ος των παλμο
χρονοκυκλωμάτων. Γ ι' αυτό το λόγο κ ρίνεται σκόπιμο να δο θεί η στοιχειώδης θεωρία, έτσ ι ώστε να ε ίναι δυνατή η παρακολούθησή και κατανόήοη αυτών των κυκλωμάτων.
Από όλα τα κυκλώματα των τελεστικώ ν ενισχυτώ ν δύο είναι εκείνα μ ε τα οποία θα ασχοληθούμε περισσότερο, γιατί αυτά α ποτελούν την βάση για την λειτο υργία μ ιις γ εννή τριας τριγωνικών και τετραγω νικών παλμών: ο ολοκληρωτής και ο συγκριτής Schmitt - Trigger.
Σ ε ξεχωρισ τά κεφάλαια αναπτύσσονται τα κυκλώματα επ εξεργασία ς σημάτων και οι γ εν νή τρ ιες παλμοτάσεων. Οπως θα διαπιστωθεί, δεν αναφέρονται οι γεννή τρ ιες ημιτονικών τάσεων, διό τι α ποτελούν μια ξεχωριστή κατηγορία γεννητριώ ν παλμοτάσεων.
Αξίζει να σημειω θεί ότι όλα τα κυκλώματα τα οποία α ναφέρονται και αναλύονται, βασί
ζονται στις ιδ ιό τη τες των τελεστικώ ν ενισχυτών, δηλαδή είναι αναλογικά κυκλώματα.
Σ το τελευταίο κεφάλαιο αναλύεται το κύκλωμα της γεννήτριας, το οποίο κατασκευά
στηκε και α π ο τελεί το κύριο μέρος της πτυχιακής εργασίας. Σ το τέλ ο ς αυτού του κ εφ αλαί
ου γ ίνετα ι αναφορά σ το ν Τ.Ε. CA 3140, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε σ τη ν κατασκευή της γεννήτριας.
Όλα τα προηγούμενα αποτελούν το θεωρητικό μ έρ ο ς της πτυχιακής εργασίας και χω
ρίζοντα ι σε 4 κεφάλαια.
Το κατασκευαστικό μ έρ ος της πτυχιακής εργασίας περιλαμβάνει:
1) Το κύκλωμα της γεννήτριας.
2) Την μονάδα τροφοδοσίας.
Β,Γ, ΛΕΙΒΑΔΙΩΤΗΣ ΚΑΒΑΛΑ 1991
Κ Ε Φ Α Λ Α ΙΟ 1
ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ
Οι τελεσ τικοί ε νισ χυτές (operational amplifiers) είνα ι ενισ χυτές με πολύ μεγάλη ενίσχυση και πήραν την ονομασία τους από το γ εγο νό ς ότι αρχικά σχεδιάστηκαν για να κάνουν δ ιά φορες μαθηματικές πρά
ξεις, όπως πρόσθεση, αφαίρεση, διαφόριση, ολοκλήρωση κλπ. Στην αρχική τους ανάπτυξή (με λυχνίες) λειτουργούσαν με αρκετά υψήλές τάσεις, όπως ± 300 V, αλλά οι σύγχρονοι διάδοχοί τους που κατασκευ
άζονται σε ολοκλήρωμένα κυκλώματα λειτουργούν με χαμηλά δυναμικά τροφοδοσίας, (συνήθως ±6 V,
±12 V, ±15 V).
Οι τελεσ τικο ί ενισ χυτές, ΟΡ amps, έχουν βασικά πέντε άκρα για την σύνδεσή τους, από τα οποία δύο είναι για την τροφοδοσία, δύο για τις εισόδουςκαι ένα για την έξοδο. Το Σχ. 1-1 δείχνει το σύμβολο με το οποίο απεικονίζεται στα κυκλώματα ο τελεστικός ενισχυτής.
Τχ. f '. Σύμβολο του τελεστικού ενισχυτή.
Το Σχ. 1-2 δείχνει τις συνδέσεις των άκρων του ΟΡ ΑΜΡ, στους πιο συνηθισμένους τύπους ολο
κληρωμένων κυκλωμάτων. Τα άκρα με τη διάκριση N.C. (no connection) δε συνδ έο ντα ι και τα άκρα με την διάκριση OF.N (offset null) χρησιμεύουν για την αντιστάθμιση της εξόδου.
Οι είσ οδοι του τελεσ τικού ενισ χυτή συμβολίζονται με τα σύμβολα (-) και {+) και ονομάζονται α ντί
στοιχα είσ οδος με αναστροφή (inverting input) και είσ οδος χωρίς αναστροφή (non inverting input). Και οι δύο μαζί καλούνται διαφορικό ζεύγος επειδή το δυναμικό στην έξο δ ο (Vo) εξα ρτάται από την διαφορά των δυναμικών στις δύο εισόδους. Ό ταν η είσ οδος {+) είνα ι θετική ως προς την είσ οδο (-), τότε η έ ξο δος (Vo), είναι θετική ως προς τη γη (σημείο αναφοράς). Επομένως η πολικότητα της εξόδου εξαρτάται από την διαφορά δυναμικού μεταξύ των εισόδων (+) και (-).
Το δυναμικό εξόδου μετρ ιέται και αυτό ως προς τη γη και κυμαίνεται μεταξύ δύο ορίων που εξαρ- τώνται από τα δυναμικά τροφοδοσίας +V και -V. Το άνω όριο που καλείται Vsat είνα ι συνήθως μικρότε
ρο κατά 1-2 [V] από την τάση -i-V, ενώ το κάτω όριο -Vsat είναι μεγαλύτερο κατά 1-2 V από την τάση -V.
Δηλαδή με τροφοδοσία ±15 V η έξο δ ο ς μπορεί να κυμανθεί μεταξύ -13V και +13V. Εκτός από τα όρια που υπάρχουν για την τάση εξόδου, υπάρχει και ένα μέγιστο όριο για το ρεύμα εξόδου, που είναι συνή
θως της τάξης των 5 έως 10 mA. Σύμφωνα με τα όρια που αναφέρθηκαν παραπάνω, η αντίσταση φόρ του (RL) που συνδέεται στην έξο δ ο του τελεστικού ενισχυτή δεν μπορεί να είνα ι μικρότερη από μια ελάχι
στη τιμή (περίπου 2 ΚΩ).
Μερικοί τελεσ τικοί ενισ χυτές, έχουν εσωτερικά κατάλληλη κυκλωματική διάταξη που αυτόματα πε
ριο ρίζει το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να ληφθεί από την έξοδο. Ακόμη και αν η έξο δ ος βραχυκυκλωθεί (RL=0 Ω), το ρεύμα εξόδου κρ ατιέτα ι σε χαμηλά επίπεδα για να μην καταστραφεί το ολοκληρωμένο κύ
κλωμα.
J Έ ξοδος D OF.N
Σχ. 1-2. Θέσεις των άκρων του τελεστικού ενισχυτή σε διάφορους τύπους ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
Όπως φ αίνεται στο Σχ. 1-2, για την τροφοδοσία του Τ.Ε. χρησιμοποιούνται δύο τάσεις (συνήθως συμμετρικές), ενώ η γείωση του κυκλώματος δεν συνδέεται με κανένα άκρο του. Η μέγιστη τάση που μπο
ρεί να εφαρμοστεί μεταξύ των άκρων τροφοδοσίας +V και -V είνα ι περίπου 36 V ή ±18 V. Συνήθως τα άκρα τροφοδοσίας παραλείπονται από το σύμβολο του τελεστικού ενισ χυτή που σχεδιάστηκε στο Σχ. 1-1.
1 -1 . ΚΕΡΔΟΣ ΤΑΣΗΣ
Με την συνδεσμολογία που δείχνει το Σχ. 1-3, αν η τάση μεταξύ των δύο εισόδων, Εά, είναι αρκε
τά χαμηλή, τότε η τάση εξόδου Vo εξα ρτάται από την διαφορά δυναμικού Ed και από την ενίσχυση ανοι
κτού βρόχου (open loop), AOL, του κυκλώματος. Δηλαδή θα ισχύει: Vo=Ed. AOL (1-1).
Η ενίσχυση AOL είνα ι για τους Τ.Ε. πολύ μεγάλη, συχνά υπερβαίνει το 200000. Επειδή για ενισ χυ
τές με τάση τροφοδοσίας +15 V, η Vo κυμαίνεται μεταξύ ±13 V, για να είνα ι δυνατόν ο Τ.Ε. να λειτο υρ γήσει σαν ενισχυτής πρέπει ή Ed να μην υπερβαίνει τα ±65 μν. Δηλαδή, να ισχύουν:
Στο εργαστήριο είνα ι δύσκολο να μετρήθεί ένα δυναμικό 65 μν, δ ιό τι συχνά ο «θόρυβος» και τα ρεύματα διαρροής μπορούν εύκολα να δημιουργήσουν ένα δυναμικό της τάξης των 1000 μν. Επομένως, το συμπέρασμα είναι ό τι η έξο δ ο ς Vo στο κύκλωμα του Σχ. 1-3, θα βρίσκεται στο δυναμικό +Vsat ή στο δυναμικό -Vsat.
Σχ. 1-3. Ενίσχυση ανοικτού βρόχου του τελεστικού ενισχυτή.
1 -2 . ΙΔΑΝΙΚΟΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ
Ο ιδανικός τελεσ τικός Τ.Ε. έχ ει χαρακτηριστικά που διαφέρουν από αυτά του πραγματικού. Τα χα-
■ ρακτηριστικά του ιδανικού ορ amp είναι:
1. Άπειρη αντίσταση εισόδου, RIn. “
2. Μηδενική αντίσταση εξόδου, Rout.
3. Άπειρο κέρδος τάσης.
4. Άπειρο εύρος ζώνης, BW.
5. Μηδενική έξο δ ο ς για ίση τάση στις δύο εισόδους του (ανεξάρτητα από το ύψος της τάσης εισόδου).
6. Η έξο δ ο ς Vo, δεν εξα ρτάται από την θερμοκρασία.
Άπό τα χαρακτηριστικά του ιδανικού ορ amp, βγαίνει το συμπέρασμα ό τι τα ρεύματα στις εισόδους του είνα ι μηδέν, πράγμα που δε συμβαίνει στον πραγματικό ορ amp. Στον πραγματικό ορ amp, η ενίσ χυ
ση τάσης (ΆΟύ), όπως αναφέρθηκε είνα ι 200000, ενώ η Rin και Rout είνα ι αντίστοιχα 2 ΜΩ και 75 Ω (πραγματικές τιμές).
Επίσης, η ενίσχυση είνα ι συνάρτηση του ύψους του σήματος εισ όδου, τη ς θερμοκρασίας, της τάσης τροφοδοσίας και του χρόνου.
1 -3 . ΤΥΠΙΚΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΥ ΕΝΙΣΧΥΤΗ
Ο τελεσ τικό ς ενισ χυτής είναι ένα πολυπλοκώτερο δικτυωμα διαφορικών ενισ χυτώ ν με αντίστοιχα κυκλώματα οδηγήσεως εξόδου. Το Σχ. 1-4 δ είχνει ένα τυπικό κύκλωμα ενό ς τελεστικού ενισχυτή.
Η διαφορική είσ οδος εξα σφ αλίζεται με το ζεύγος των τραντζίσ τορ ς Τ ι, Τ2 ενώ ο ρ όλος του Τ3 είναι εκείνο ς μιας πηγής σταθερού ρεύματος. Σημειώ νεται ότι το Τ4 αυξάνει την ενίσχυση του δια φορι
κού ζεύγους και αντισταθμίζει τις διαφορές μεταξύ των Τ ΐ και Τ2. Η έξο δ ος του διαφορικού ενισχυτή ενι- σχύεται από το τραντζίστορ Τ6 και στην συνέχεια αφού μετα το π ιστεί από την διά ταξη των Τ7 και Τ8, οδ ηγείται στην είσοδο του ακόλουθου εκπομπού T9 που δίνει την έξο δ ο του κυκλώματος. Με την δ ιά τα
ξη των Τ7 και Τ8, το σήμα από το δυναμικό του συλλέκτη του Τ6 μετα το π ίζεται στο δυναμικό της γης χωρίς να συμβεί σημαντική μείωση της ενίσχυσης. Το τραντζίστορ Τ5 παρέχει το αναγκαίο ρεύμα για την πόλωση των Τ3 και Τ8, με την συνδεσμολογία του σαν δίοδος.
Σημειώ νεται ότι η αντίσταση στον εκπομπό του T9 εξασφαλίζει μια θετική ανάδραση με την σύνδε
σή τη ς με τον εκπομπό του Τ8, αύξηση τη ς Vo, συνεπάγεται αύξηση της τάσης στον εκπομπό του Τ8.
Επειδή όμως το δυναμικό στη βάση του Τ8 είναι σταθερό, η προηγούμενη αύξηση στο δυναμικό του εκ
πομπού έχει σαν συνέπεια τη μείωση του ρεύματος στο συλλέκτη του Τ8. Τ ό τε όμως αυξάνει το δυναμικό στη βάση και εκπομπό του T9.
Γενικότερ α παρατηρούμε τον διαφορικό ενισ χυτή εισόδου Τ ι, Τ2, και τα κυκλώματα προενιοχυαε- ως, οδήγήσεως και εξό δ ου του Τ.Ε., τραντζίστορ ς Τ4, Τ6, Τ7, Τ8, T9.
Σχ. 1-4. Τυπικό κύκλωμα τελεστικού ενισχυτή (μΑ 702).
1-α.
ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗΣΌ ταν μια εξω τερική αντίσταση πσυ εισ άγει αρνητική ανάδραση συνδεθεί μεταξύ της εισόδαυ (-) και της εξόδου ενό ς ορ amp, τό τε η επίδοση του κυκλώματος παύει να εξα ρτόται από την ενίσχυση ανο ι
κτού βρόχου, AOL.
Το κύκλωμα που προκύπτει π εριέχει ένα κλεισ τό βρόχο μεταξύ εισόδου και εξόδου και χαρακτηρί
ζετα ι από μια νέα τιμή ενίσ χυαης που καλείται ενίσχυση κλειστού βρόχου (closed loop gam), ACL Η ενίσχυση κλεισ τού βρόχου εξα ρτόται από τις αντιστάσεις Ri και Rf που φαίνονται στο Σχ. 1-5.
Σχ. 1-5. OP amp αναστροφής.
Για να βρεθεί η επίδραση της ανάδρασης, στο κύκλωμα του Σχ. 1-5, δεχόμαστε για απλοποίηση τις υποθέσεις:
1 . AOL= Άπειρο 2. Rin= Απειρη 3; Rout= 0
Κατ' αρχήν, η τάση στην είσ οδο (+) είνα ι μηδενική, επειδή η είσ οδος αυτή είνα ι γειω μένητΚαθώς εφαρμόζετα ι το σήμα Εί, η είσ οδος {-) αποκτά στιγμιαία κάποιο θετικό δυναμικό, που αμέσως κάνει την τάξη εξόδου (Vo) αρνητική.
Λόγω της ανάδρασης, αυτή η μείωση της τάσης εξόδου επαναφέρει το δυναμικό της εισόδου (-) στην μηδενική του τιμή. Ε τσι στην ισορροπία, η είσ οδος (-) είναι τόσο θετική που να κάνει την τάση (Vo) τόσο αρνητική ώστε να μην αυξάνει άλλο το δυναμικό της εισόδου (-).
Επειδή AOL= άπειρο, πρέπει η διαφορά μεταξύ των δύο εισόδων. Ed, να είναι μηδέν και συνεπώς το σημείο που συνδέονται οι αντιστάσεις Ri και Rf, δηλαδή η είσοδος (-) είναι ουσιαστικά γειω μένη (virtual earth). Αυτό σημαίνει ό τι η τάση ΕΙ πέφτει πάνω στην Ri και το ρεύμα, ll=Ei/Ri δ ιέρ χετα ι ολόκληρο δια μέσου της Rf. Επειδή στα άκρα της Rf μετρ ιέται το δυναμικό έξοδο (Vo), ισχύει:
-Vo = VRf (1-3)
ACL = v g = - Rf
Δηλαδή συμπεραίνουμε ό τι ο ενισ χυτής του Σχ. 1-5 έχ ει ενίσχυση που εξα ρτάται μόνον από τις αντιστάσεις Ri και Rf και προκαλεί αναστροφή της φάσης κατά 180°.
1 -5 . ΟΡ ΑΜΡ ΧΩΡΙΣ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ
Το Σχ. 1-6 δ είχνει έναν ενισχυτή χωρίς αναστροφή με τη χρησιμοποίηση ενό ς ορ amp όπως προ
κύπτει απ ό την ανάπτυξη που έγινε στην παράγραφο (1-4), στην ισορροπία το δυναμικό της εισόδου (-) είνα ι ίσο με ΕΙ. Επομένως, το δυναμικό στα άκρα της Rf είναι: VRI= Rf/Ri Ει (1-5).
Η τάση εξόδου ισούται με το άθροισμα της πτώσης τάσης πάνω στην Ri, που είναι Ει, και της πτώ
σης τάσης πάνω στην Rf.
Δηλαδή:
-Vo = Ει -ι- B L E i = ( W R L ) Ει (1-6)
Σχ. 1-6. Ενισχυτής χωρίς αναστροφή.
ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΤΕΛΕΣΤΙΚΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ
Η απολαβή τάσεως ανοικτού βρόχου (δηλαδή χωρίς την σύνδεση εξω τερικώ ν δικτυωμάτων) τσυ τε- λεστικσύ ενισ χυτσύ είνα ι εξα ιρετικά μεγάλη (AOL>2000). Επομένως ο τελεσ τικό ς ενισ χυτή ς θα είναι λόγω της μεγάλης ενισχύσεοκ; και ευαισθησίας γενικά μία ασταθής διάταξη.
Η σύνδεση εξω τερικώ ν δικτ_υωμάτων αρνητικής ανατροφοδοτήσεω ς υποβιβάζει την απολαβή τ ο υ ' ενισ χυτο ύ' η νέα αυτή τιμή, η οποία εξα ρτάται από το είδ ος του εξω τερικού δικτυώματος, ονομάζεται απολαβή κλεισ τού βρόχου (closed loop gain).
Ο ενισ χυτή ς σε αυτή την περίπτωση καθίσταται ευσταθής και αποκτά την ικανότητα εκτελέσεω ς μαθηματικών πράξεων ή λειτουργιώ ν αναλογικού υπολογισμού (operations of analog computation), ανα- λόγως της φύσεως των συνδεμένων κυκλωμάτων.
Παρακάτω θα αναλύσουμε τα κυκλώματα που εκτελούν τις σπουδαιότερες απο αυτές τις λειτουργίες.
1 -6 . ΑΚΟΛΟΥΘΟΣ ΤΑΣΗΣ (V o lta g e - Follow er)
To κύκλωμα του Σχ. 1-7 δίνει τάση εξόδου ίση με την τάση εισόδου (Vo=Ei), και πήρε την ονομασία
«ακόλουθος τάσης». Η αντίσταση εισόδου της εισόδου (+) είναι πολύ μεγάλη και επομένως το κύκλωμα απομονώνει την έξοδο από την είσοδο. Για τον λόγο αυτό, το κύκλωμα καλείται και «ενισχυτής απομόνω
σης» (isolation amplifier).
Όπως φαίνεται στο Σχ. 1-7, το σήμα εισόδου Ei, εφαρμόζεται απ' ευθεία ς στην μη αναστρέφουσα είσ οδο {+) και η αντίσταση, αρνητικής ανατροφοδοτήσεως είνα ι Rf=0, δηλαδή η αναστρέφουσα είσ οδος συνδέεται απ' ευθείας με την έξο δ ο του ενισχυτή. Δηλαδή το σήμα εξόδου Vo παρακολουθεί ακριβώς και έχ ει το ίδιο πλάτος και την φάση (φ=0°) του σήματος εισόδου Ei ο ενισ χυτής έχ ει τιμή ενίσ χυσης κλει
στού βρόχου ACL=1, αλλά έχ ει ικανότητα παροχής ρεύματος.
1 -7 . ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗΣ
Αθροιστικός ενισ χυτής αναστροφής με τρ εις εισ όδους σχεδιά ζεται στο Σχ. 1-8. Το δυναμικό της εισόδου (-) είναι ουσιαστικά στο μηδέν και επομένως:
11= Ε1 , Ι2=_Ε2 , Ι3=_Ε3 (1-8)
Σχ. 1-8. Αθροισνκός ενισχυτής αναστροφής
Ισχύουν: Vo = -(Ι1 + 12 + 13) Rf = - (Εΐ _Rf. + Ε2 Rf„ -ι- Ε3 Rf ) (1-9)
όταν R1 = R2 = R3 = Rf, τό τε η τάση εξόδου ισούται με το αρνητικό άθροισμα των τάσεων εισόδου.
Στην περίπτωση που Rf = R i/3 = R2/3 = R3/3, η έξο δ ος του ενισχυτή δίνει το μέσο όρο των τάσεων ε ι
σόδου με αρνητικό πρόσημο.
1 -8 . ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΧΩΡΙΣ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ
Αθροιστικός ενισ χυτή ς χωρίς αναστροφή με δύο εισ όδους σ χεδ ιά ζεται στο Σχ. 1-9 (α). Η τάση στην είσ οδο (+) βρίσκεται από το ισοδύναμο κατά Thevenin του κυκλώματος εισ όδου που σχεδιά ζεται στο Σχ. 1-9 (β).
Από το ισοδύναμο προκύπτει ότι:
Ei = Eth = E l+E 2 (1-10)
Από τη σχ. (1-7) φαίνεται ότι το κέρδος τάσης του κυκλώματος είναι ίσο με 2 και επομένως.
Vo = 2Ει = Ε1 + Ε2 (1-11)
Γ Ρ
4Τ ^th=^
_2
Ε^+Ε"
Σχ. 1-9. Αθροιστικός ενισχυτής χωρίς αναστροφή (α) kc σ Thevenin ισοδύναμο του κυκλώματος εισόδου (β).
1 -9 . ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΜΕ ΟΡ ΑΜΡ
Στο Σχ. 1-10 σχεδιά ζεται ένα κύκλωμα με τελεσ τικό ενισχυτή που λειτο υρ γεί σαν διαφορικός ε ν ι
σχυτής. Το κύκλωμα είναι στην ουσία ένας συνδυασμός ενό ς Τ.Ε. αναστροφής και ενό ς Τ.Ε. χωρίς ανα
στροφή. Δηλαδή, αν η πηγή Ει βραχυκυκλωθεί, τότε η Ε2 αποτελεί είσ οδο σ' ένα ενισ χυτή αναστροφής με κέρδος τάσης -Rf/Rl. Επομένως, η έξο δ ος του ενισχυτή στην περίπτωση αυτή είναι ίση με -E2.Rf/R i.
Κατά τον ίδιο τρόπο, αν η Ε2 βραχυκυκλωθεί τότε η πηγή Εΐ εισ άγει στην είσ οδο (+) ένα δυναμικό E l.R f/(R U R f).
Το δυναμικό αυτό σύμφωνα με το αποτέλεσμα της σχέσης (1-6) ενισ χύεται κατά 1-i-Rf/RI φορές.
Επομένως, η έξο δ ος στην περίπτωση αυτή γίνετα ι ίσή με E I.R f/R I. Με την παρουσία και των δύο πηγών στην είσοδο, η έξο δ ος είναι:
και η διαφορική ενίσχυση είναι:
Vo = (Ε1-Ε2)_ΒΙ (1-12)
ADV = ^ =_Β1 (1-13) Ε1-Ε2 R1
Σχ. 1-10. Διαφορικός ενισχυτής με Τ.ε.
ΛΟΓΟΣ ΑΠΟΡΡΙΨΗΣ ΚΟΙΝΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ -
Αν υποτεθεί ότι οι είσ οδοι Ε1 και Ε2 είνα ι ίσες, τό τε η έξο δ ος θα πρέπει να είναι μηδέν. Ο απλού
σ τερο ς τρόπος για να γ ίνει αυτό είνα ι με την σύνδεση των δύσ εισόδων σε μια πηγή όπως δ είχνει το Σχ.
Σχ. 1-11. Διαφορικός ενισχυτής με κοινό σήμα στην είσοδο.
Για τη σύνδεση αυτή, το οήμα στην είσ οδο (ECM) ονομάζεται κοινό σήμα εισόδου (common mode input voltage).
Στήν πράξή, ή έξο δ ο ς Vo γ ίνετα ι σχεδόν μηδέν με την πρασθήκη μιας μεταβλητής αντίστασης, όπως δείχνει τα Σχ. 1-11. Ο λόγο ς ACM = Vo/ECM καλείται ενίσχυοη κοινού σήματος (common mode voltage gain) και αποτελεί ένα χαρακτηριστικό του διαφορικού ενισ χυτή που επιτρέπει ένα ασθενές σήμα να διακριθεί από ένα πολύ πιο ισχυρό. Η πια συνηθισμένη μέθαδας για την εκτίμηση της ·<παιότητας·>
ε ν ό ς διαφορικού ενιο χυτή είνα ι η μέτρηση του λόγου απόρριψης κοινού σήματος (common mode rejection ratio) ή απλά CMRR. Ο λόγο ς αυτός ορίζεται από την σχέση:
A p v ACM
όπου ADV είναι η διαφορική ενίσχυση και ACM ή ενίσχυση κοινού σήματος. Ο λόγος αυτός συνή
θως εκφ ράζεται σε decibels (dB),
1 -1 0 . ΟΛΟΚΛΗΡΩΤΗΣ
Ό ταν ο Τ.Ε. έχ ει έναν πυκνωτή σαν σ τοιχείο ανάδρασης, όπως δείχνει το Σχ. 1-12, πραγματοποιεί την μαθηματική πράξη της ολοκλήρωσης.
Όπως και προηγουμένως, υπ οθέτοντα ς ό τι δε δ ιέρχετα ι ρεύμα στην είσ οδο του ορ anip, θα ισχύουν:
li= .V L (1-15) R1
lf = li = - J ^ = C (1-16)
dt Ri
Επομένως: Vo = - ^ vidt (1-17)
Σχ. 1-12. Ολοκληρωτης.
To κέρδος τάσης ισούται με 1/(Ri.C).
Στην πράξη οι τιμές R1 = 10 ΚΩ και C= 1 μί, που δίνουν κέρδ ος 100 είνα ι αρκετά συνηθισμένες.
Μ εγά λες τιμές της χωρητικότητας, με τη χρήση ηλεκτρολυτικού πυκνωτή, δεν είναι κατάλληλες.
Αν στην είσ οδο του ολοκληρωτή εφαρμοστεί μια συνεχής τάση Εί τότε, σύμφωνα με τη σχ. (1-17), η έξο δ ο ς είναι:
0 = - — ! - Γ Ε
R1.C
J
R1.CΗ μορφή της εξόδου αυτής (lenear ranio) σχεδιά ζεται στο Σχ. (1-13) με μια ευθεία που έ χ ει κλίση - E/R1-C.
Ετσι, αν στην είσ οδο του ολοκληρωτή εφαρμοστούν διαδοχικά παλμοί, όπως φ αίνεται στο Σχ. 1- 14, η έξο δ ο ς που θα προκόψει είνα ι μια πριονωτή τάση. Αυτό όμως προϋποθέτει το μηδενισμό της τάσης στα άκρα του πυκνωτή μετά από την εμφάνιση κάθε νέου παλμού εισόδου. Σημειώ νεται ό τι το πρόσημο (-) στην σχ. 1-18, μπαίνει γιατί έχουμε αναστρέφοντα Τ.Ε.
Σχ. 1-14. Εξοδος του ολοκλήρων) με είσοδο σειρά παλμών.
1 -1 1. ΔΙΑΦΟΡΙΣΤΗΣ
Στο κύκλωμα του διαφοριστή Σχ. 1-15, ο τελεσ τικός ενισ χυτής συνδεσμολογείται στην έξο δ ο του υψιπερατού φίλτρου Rf.C. {κύκλωμα διαφορισεως). Η είσοδος (-) είνα ι στο δυναμικό της γης και ισχύουν:
(1-19)
lt = - ^ = C
Επομένως Vo = - Rf.C (1-20)
(1-21)
Σχ. 1-15. Διαφοριστής.
Έτσι η έξο δ ος είναι ανάλογη με το διαφορικό της εισόδου, δηλαδή όσο πιο γρήγορα μεταβάλλεται η είσ οδος, τόσο πιο μεγάλη είνα ι η τάση εξόδου. Το κέρδος για συνεχή τάση στην είσ οδο είναι μηδέν.
Με την εφαρμογή τετραγωνικών παλμών εισόδου η έξο δ ος δίνει «αιχμές» στα μέτωπα των παλμών εισό
δου, όπως δείχνει το Σχ. 1-16.
Σχ. 1-16. Παραγωγή παλμών μικρής διάρκειας (αιχμών) με την εφαρμογή παλμών στην είσοδο του διαφοριστη.
1 -1 2 . ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ - ΤΑΣΗΣ
Στα περισσότερα κυκλώματα γίνετα ι επεξεργασία σημάτων τάσης. Σε μερικές όμως περιπτώσεις υπάρχουν σήματα ρεύματος, όπως για παράδειγμα το σήμα απά την έξο δ ο ενό ς φωτοπολλαπλασιαστή ή μιας φωτοδιόδου.
Στο Σχ. 1-17, σχεδιά ζεται ένας μετατροπέας ρεύματος-τάσης με την χρησιμοποίηση ενός Τ.Ε.
όπως φαίνεται, Ιί = If οπότε:
Vo = - Rflf = - Rf.li (1-22)
1 -1 3 . ΣΥΓΚΡΙΤΕΣ
Αν η είσ οδος (-ι·) του Τ.Ε. συνδεθεί με μια τάση ΕΙ, ενώ η είσ οδος (-) είνα ι σε δυναμικό μηδέν, τότε η έξο δ ος Vo φανερώ νει αν η τάση Εί είναι θετικότερη ή αρνητικότερη από 0 V. Στα Σχ. 1-18, όταν η Ει είναι θετική τό τε η έξο δ ο ς είναι ίση με -hVsat, ενώ όταν η Εί είναι αρνητική η έξο δ ος ισούται με -Vsal.
Αν α ντί της εισ όδου χρησιμοποιηθεί η είσ οδος (-), όπως δ είχνει το Σχ. 1-19, τό τε όταν η ΕΙ είναι θετική η έξο δ ος γίνετα ι ίση με -Vsal ενώ όταν η Εί είναι αρνητική η έξο δ ος ισούται με -hVeat.
Οι προηγούμενοι δύο συγκριτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για σύγκριση της τάσης εισόδου Εί μ’ ένα δυναμικό Vref, διάφορο του μηδενός. Αυτό γίνεται με την εφαρμογή του δυναμικού Vref στη μια είσ οδο του Τ.Ε., Σχ. 1-20 Η τάση Vref μπορεί να ληφθει από το σύστημα τροφοδοσίας του Τ.Ε. μέσω ενό ς διαιρέτη τάσης. Σχ. 1-21.
Με τους συγκριτές που εξετάσαμε υπάρχουν ορισμένα προβλήματα. Πρώτον, η έξο δ ος Vo δεν αλ
λάζει στιγμιαία μεταξύ των τιμών -i-Vsat και -Vsat.
Δ εύτερ ον, όταν η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο εισ όδων του τελεσ τικού ενισ χυτή είνα ι μηδέν, η έξο δ ος Vo δεν είνα ι ακριβώς 0 V. Μ ερικές φ ορές, καθώς η διαφορά δυναμικού μεταξύ των ε ι
σόδων προσεγγίζει την τιμή 0 V, η έξο δ ος Vo ταλαντούται λόγω της παρουσίας θορύβου μεταξύ των τιμών -fVsat και -Vsat.
1 - ΐ α . ΣΥΓΚΡΙΤΗΣ ΜΕ ΘΕΤΙΚΗ ΑΝΑΔΡΑΣΗ (SCHMITT - TRIGGER)
Με την κατάλληλη σύζευξη της εξόδου του Τ.Ε. με την είσοδο (+) εισ άγεται μια θετική ανάδραση.
Η επίδραση της θετικής ανάδρασης κατά κανόνα οδ η γεί οεΓνστάθεια, γεγο νό ς που βελτιώ νει τα χαρα
κτηριστικά των συγκριτών που εξετάστηκαν προηγούμενα.
Το Σχ. 1-22 δείχνει την εφαρμογή της θετικής ανάδρασης στο κύκλωμα του βασικού συγκριτη.
Σχ. 1-18. Συγκριτής με τη χρησιμοποίηση της εισόδου (+), και κυματομορφές εισόδου - εξόδου.
1-19. Συγκριτής με τη χρησιμοποίηση της εισόδου (-) και κυματομορφές εισόδου - εξόδου.
Η τάση Vf εξα ρτάται από την έξοδο, δηλαδή είναι:
V f = — . Vo (1-23) RUR2
όπου η τάση Vo είναι στο δυναμικό -hVsat ή -Vsat.
Ό ταν η είσ οδος Εί είνα ι μικρότερη από τη Vf, η έξο δ ος είνα ι ίση με +Vsal. Αν η Ει τείνει να γίνει κάπως πιο θετική από τή Vf, η έξο δ ο ς Vo μικραίνει. Επειδή μόνο ένα ποσοστό της Vo μετα φέρ εται στην είσ οδο (+), η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο εισόδων του Τ.Ε. αυξάνει. Τ ότε, η έξο δ ος Vo πολύ γρή
γορα οδηγείται στο δυναμικό -Vsat. Ο χρόνος που απαιτείται για την μεταβολή της εξόδου από -KVsat σε -Vsat είναι της τάξης αρκετών psecs. Ο συγκριτής αυτός λέγετα ι και κύκλωμα Schmitt - trigger.
SCHMITT - TRIGGER ME ΥΣΤΕΡΗΕΗ
Ενας Schmitt - Trigger χαρακτηρίζεται από το γεγονό ς ότι οι τάσεις που απαιτούνται για την μετα
γωγή απ' τη μια θέση στην άλλη (ΟΝ και OFF) δεν είναι ίσες. Εχουμε λοιπόν δύο στάθμες τάσεων, η δια
φορά μεταξύ των δύο σημείων μετα λλαγής είναι η τόση υστέρησης, που καλείται απλό υστέρηση. Ενας (αναστρέφων) Schmitt - trigger, φαίνεται στο Σχ. 1-23.
Σχ. 1-20. Συγκριτής με χρησιμοποίηση της εισόδου (+) ως προς μια τάση Vrel.
Σχ. 1-21. Λήψη της τάσης Vret από την τροφοδοσία του Τ.Ε.
Σχ. 1-22. Συγκριτής με θετική ανάδραση.
Σχ. 1-23. Αναστρέφων Schmitt - trigger.
Η υστέρηση δημισυργείται με οδήγηση της τάσης εξόδου, μέσω ενός διαιρέτη τάσης (R1/R2), στη μη αναστρέφσυσα είσοδσ. Επειδή η έξοδσς συνδέεται με την είσ οδο (+) έχουμε θετική ανασύζευξη. Στο κύκλωμα του Σχ. 1-23, ο λόγος R1/R2 είναι περίπου 3:1, έτσ ι η είσ οδος (+) του Τ.Ε. έχ ει πάντα το 1/4 της τάσης στην έξοδο. Αυτή μπορεί να είναι +UAMAX (+13 V) ή -UAMAX (-13 V), με αποτέλεσμα στην εί
σοδο (+) του Τ.Ε. να υπάρχει αντίστοιχα το ένα τέτα ρ το αυτής; +3,25 V και -3,25 V (Εφαρμογή της σχ.
1-23).
Ετσι προκύπτουν για την τάση εισόδου UE δύο οημεία μεταγωγής. Τη μια φορά, όταν η τάση εισ ό
δου γ ίν ει θετικότερη από +3,25 V (άνω επίπεδο Usi), η έξο δ ος μετά γεται από +13 V σε -13 V. Και την άλλη όταν η τάση εισόδσυ γίνει αρνητικότερη από 3,25 V (κάτω επίπεδο Us2) η έξο δ ος μετά γεται από -13 V σε +13 V.
Η θετική ανασύζευξη έχ ει λοιπόν τα εξή ς αποτελέσματα: Η μεταγωγή επιταχύνεται με την επίδρα
ση που ασκεί η έξο δ ος στην είσ οδο (+), ταυτόχρονα σταθεροπ οιείται η κατάσταση στην έξοδο επειδή η τάση της εισόδου (+) μεταλλάσσεται στο άλλο επίπεδο τάσης.
Συμπέρασμα: Μεταξύ των δύο σημείων μεταγωγής +3,25 V και -3,25 V υπάρχει μια -νεκρ ή ζώνη··, η υστέρηση. Μικρές μεταβολές της τάσης εισόδου π.χ. από θορύβους, δεν μπορούν πλέον να επηρρεα- σουν τον Τ.Ε. Η χαρακτηριστική καμπύλη (βρόγχος υστέρησης) φαίνεται στο Σχ. 1-24)
Σχ. 1-24. Στατική χαρακτηριστικήκαμπύλη του Schmitt - trigger του Σχ. 1-23.
Η κατεύθυνση των βελών δ είχνει τη σειρά μεταβολής των τάσεων στο βράγχο υστέρησης. Ετσι αν η UE βρίσκεται στην περιοχή υστέρησης, τότε η UA έχ ει τη στάθμη της προηγούμενης κατάστασής. Αν λοιπόν η UE ήταν πριν θετικότερη από την U si, τότε η UA είναι αρνητική, αν η UE ήταν πριν αρνητικό- τερη από την Us2 τό τε η UA είναι θετική.
Μια απ' τις σημαντικότερες εφαρμογές του Schmitt - Trigger, φαίνεται στο Σχ. 1-25: Η δημιουργία εν ό ς καθαρού τετραγω νικού σήματος από ένα σήμα της αρεσκείας μας, στην προκειμένη περίπτωση από ένα τριγωνικό σήμα.
Σχ. 1-25. Παραγωγή ενός τετραγωνικού σήματος από ένα τριγωνικό σήμα εισόδου μ'ένα Schmitt - Trigger.
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ TON ΚΑΤΩΦΛΙΩΝ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΥΣΤΕΡΗΣΗΣ Για τον υπολογισμό των κατωφλίων μεταγωγής ι ρισ τικό ρόλο παίζει η σχέση του διαιρέτη τάσης.
Usi = UAMAX -
31 υστέρησης για το κύκλωμα του Σχ, 1-23, καθο-
(1-24)
Η υστέρηση είναι Us1-Us2 κι έτσι:
UH = (UAMAX - UAMIN)---^ (1-25)
R1-HR2
Αντικαθιστώ ντας τις τιμές από το παράδειγμα του Σχ. 1-23, στη σχέση 1-25:
UH = [-η13 V - (-13 V) -3i3J<_
13.3 Κ - ,
UH = 26 V . 0,248 = 6,45 V (1-26)
ΜΗ ΑΝΑΣΤΡΕΦΩΝ S c h m itt - t r ig g e r
— Στο ν Schmitt-trigger του σχήματος 1-23, συνδεόταν το σήμα εισόδου UE στην αναστρέφουσα εί- σοδσ (-). Έτσι η πορεία του σήματος εξόδου είναι αντίθετη μ' αυτήν του σήματος εισόδου, όπως άλλω
στε φαίνεται στο Σχ. 1-25. Γ ια μη αναστρέφουσα συμπεριφορά πρέπει το σήμα UE να σδηγεί την είσσδο (+). ΓΓ αυτό τα λόγο στο Σχ. 1-26 το σήμα εισόδου UE συνδέεται στο άκρο του διαιρέτη τάσης R1/R2, που πριν (Σχ. 1-23) ήταν γειω μένο. Γειωμένη τώρα είναι η είσ οδος (-) α ντί να είναι συνδεδεμένη με το UE.
Σχ. 1-26. Μη αναστρέφων Schmitt - Trigger.
Ο διαιρέτης τάσης βρίσκεται μεταξύ των τάσεων εισόδου και εξόδου.
όπως είναι φυσικό, αυτός σ schoiitt - Trigger λειτο υρ γεί ακριβώς όπως ο πρώτος μόνο π στρέφων, δηλαδή η έξο δ ος αλλάζει ανάλογα με το σήμα εισόδου Σχ. 1-27.
Γχ. 1-27.
Παραγωγή ενός τετραγωνικού σήματος από ένα τριγωνικό με τη χρήση μη αναστρέφοντα Schmitt- Trigger.
Για να εξηγήσουμε την λειτουργία του πρέπει να δούμε τις δύο εισ όδους του Τ.Ε. Επειδή η μία εί
σοδος είναι γειω μένη, η έξο δ ο ς μεταβάλλεται πάντα όταν η τάση στην άλλη είσ οδο (+) περνάει από το μηδέν. Γιά ποια τιμή της UE, γίνεται η τάση αυτή μηδέν, εξα ρτάται πάλι απά το ρόλο του διαιρέτη τασης R1/R2 και από την τάση UA στην έξοδο. Οσο οι αντιστάσεις δεν είναι μεγάλες μπορούμε να θεωρήσουμε το ρεύμα που ρ έει στην είσοδο του Τ.Ε. αμελητέο.
Για να δοθεί μια καλύτερη εικόνα αναλύετάιτο κύκλωμα του Σχ. 1-28.
Σχ. 1-28. Η τόση μεταξύ εισόδου και εξόδου διαμοιράζεται ανάλογα με τις πμές των ανπστόσεων. Ο Τ.Ε. μετάγεται αν μεγίστη τόση στην είσοδο (+) περάσει από το μηδέν.
Το Σχ. 1-28 (α) δείχνει ττς αυνθήκες τάοεων στο σημείο μεταλλαγής για αρνητική τάση εξόδου και το Σχ. 1-28 (b) για θετική τάση εξόδου.
Αν η τάση εξόδου UA είναι αρνητική (UAMIN=-13 V), στο σημείο μετα λλαγής υπάρχουν 13 V. Και επειδή ρ έει μέσω της R2 το ίδιο ρεύμα, μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε την πτώση τάσης στην R2.
Αν στα 10 Κ υπάρχουν 13 V τότε στα 3,3 Κ θα πρέπει να υπάρχουν 13V/10 Κ. 3,3 Κ δηλ. περίπου 4,3 V. Έτσι υπολογίσαμε μία από τις δύο στάθμες μεταγωγής.
Δηλαδή ισχύει ο τύπος:
21
Us1 = -UAMIN R2
R1 (1-27)
Το αρνητικό σημείο καθορίζει το πρόσημο της (Usl), όσο δηλαδή η UAMIN είνα ι αρνητική, η Usi γίν ετα ι θετική.
Στο παράδειγμα του Σχ. 1-26 η U+ γίνεται μεγαλύτερη από 0 V, όταν η τάση εισόδου UE υπερβεί τα 4,3 V (σε θετική κατεύθυνση). Η έξοδος γίνεται θετική και πάει στα +13 V, η θετική ανάδραση μέσω τη ς R l επιταχύνει την αλλαγή. Με +13 V στην έξοδο αλλάζει και η πολικότητα των τάσεων στις δύο α ντισ τά σ εις του διαιρέτη τάσης R1/R2: Για να πετύχουμε πάλι 0 V στην είσ οδο (+) του Τ.Ε, χρ ειάζεται τώρα μια τάση -4,3 V σαν UE στην αντίσταση R2. Οπότε ισχύει και ο τύπος Us2 = -UAMAX R2/R1 (1-28).
οπότε η υστέρηση είναμ UH = = (UAMAX - UAMIN) (1-29)
Σχ. 1-29. Στατική χαρακτηριστική καμπύλη ταυ μη αναστρεφοντα Schmitt - Trigger ταυ Σχ. 1-26.
1 -1 5 . ΠΕΡΙΟΡΙΣΤΗΣ ΤΑΣΗΣ
Αν δύο δίοδοι Zener συνδεθούν μεταξύ της εξόδου και της εισόδου (-) ενό ς Τ.Ε., όπως δείχνει το Σχ. 1-30, τό τε για αρνητική είσ οδο Εί, η έξο δ ος Vo γίνεται θετική. Οταν όμως η Vo γ ίνει ίση με την τάση Zener Vz, τότε η δίοδος Ζΐ άγει και η έξο δ ος διατηρείται στο δυναμικό Vz+VD (VD είναι το δυναμι
κό στα άκρα της ορθά πολωμένης Zener). Ετσι η έξο δ ος Vo, είναι ανεξάρτητη της εισόδου Εί. Για θ ετι
κή είσ οδο Εί, η δίοδος Ζ2 άγει μόνον όταν Vo<-Vz και επομένως πάλι η έξο δ ος διατηρείται σταθερή.
1 -1 6 . ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΤΟΥΣ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΥΣ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ
Οι τελεσ τικοί ενισ χυτές χρησιμοποιούνται σε πολλά κυκλώματα για να ενισχύσουν σήματα ά.ο. ή a.c. ή και συνδυασμό αυτών. Μέχρι τώρα θεωρήθηκε ότι οι ενισ χυτές αυτοί παρουσιάζουν τα ιδανικά χα
ρακτηριστικά που αναφέρθηκαν στην παράγραφο 1-2. Στην πραγματικότητα, οι πρακτικοί Τ.Ε. αποκλί
νουν κατά πολλούς τρόπους από τη συμπεριφορά του ιδανικού Τ.Ε. Πολλοί τύποι τελεστικών ενισχυτών έχουν πρόσθετα άκρα στα οποία συνδέονται εξω τερικά εξαρτήματα για τη μερική διόρθωση αυτών των
Σχ. 1-30; Περιοριστής τόσης με τελεστικό ενισχυτή και διόδους Zener.
αποκλεισεων. Ό ταν ο Τ.Ε. χρησιμοποιείται σε εφαρμογές d.c., εκείνα τα χαρακτηριστικά που οδηγούν σε σφάλματα στην έξοδο είναι:
1. Ρεύματα πάλωσης εισόδου (Input bias currents).
2. Ρεύμα απόκλισης εισόδου (input offset current).
3. Τάση απόκλισης εισόδου (input offset voltage).
_4. Ολίσθηση (drift).
Σε εφαρμογές a.c. χρησιμοποιούνται πυκνωτές σύζευξης και κατά συνέπεια δεν υπάρχουν σφάλ-
■ ματα d.c. στην τάση εξόδου. Στην περίπτωση αυτή τα νέα προβλήματα είναι:
1. Η απόκρισή συχνότητας.
2. Ο ρυθμός ανταπόκρισης (slew rate).
Η απόκριση συχνότητας δ είχνει πως μεταβάλλεται η ενίσχυση ανοικτού βρόχου με τη συχνότητα ενώ ο ρυθμός ανταπόκρισης προσδιορίζει το πόσο γρήγορα η έξο δ ος του ενισ χυτή μπορεί να μεταβλη
θεί για να παρακολουθήση το σήμα εισόδου.
1 -1 7 . ΑΙΜΤΙΣΤΑΘΜΙΓΗ ΣΦΑΛΜΑΤΩΝ
Στους Τ.Ε. εμφ ανίζονται διάφορα σφάλματα ή εκτρ οπ ές από την επιθυμητή συμπεριφορά που οφ είλονται σε κατασκευαστικά δεδομένα και περιορισμούς.
Κατ' αρχήν, θεωρήθήκε ό τι στην είσοδο του Τ.Ε. το ρεύμα είναι μηδέν. Στην πράξη, υπάρχει ενα πολύ μικρό ρεύμα εισόδου για την πόλωση των τρανζίστορς του Τ.Ε.
Οι κατασκευαστές προσδιορίζουν το μέσο όρο των ρευμάτων ΐΒ-κ και ΙΒ- στις δύο εισ όδους του Τ.Ε., όπως φαίνεται από τη σχέση:
_ ΙΙΒ ΙΒ-Ι (1-30)
Το ρεύμα ΙΒ κυμαίνεται από 1 ρΑ ή και λιγώτερο για Τ.Ε. με FETs στο κύκλωμα εισόδου τους, ως 1 μΑ ή και περισσότερογια τους συνηθισμένους Τ.Ε.
Η διαφορά μεταξύ των απολύτων τιμών των ΙΒ-ι- και ΙΒ- καλείται ρεύμα απόκλισης εισοδου (offset current).
ΕΠίηΡΑΣΗ ΤΟΥ ΙΒ -
Η τάση εξόδου Vo στο κύκλωμα του Σχ. 1-31, στην ιδανική περίπτωση πρέπει να είναι ίση με 0 V, δ ιό τι Ei = 0 V. Η απόκλιση της Vo από τη μηδενική τιμή οφ είλεται στο ρεύμα ΙΒ=-· Επειδή το ρεύμα δια μέσου της Ri είνα ι μηδέν, το ρεύμα ΙΒ- δ ιέρχεται από την αντίσταση Rf. Ετσι η τάση εξόδου, εξ αιτίας του ΙΒ- είναι:
Vo = Rf . ΙΒ- (1-31)
ΕΠΙΑΡΑΣΗ TOY ΙΒ+
Η επίδραση του ρεύματος ΙΒ+ φαίνεται στο κύκλωμα του Σχ. 1-32, όπου Ει=0 και επομένως θα έπρεπε και Vo=0. Όμως, το ρεύμα ΙΒ+ δημιουργεί μια πτώση τάσης πάνω στην αντίσταση R με συνέπεια και η είσ οδος (-) να λάβει το ίδιο δυναμικό (διότι η διαφορά δυναμικού μεταξύ των εισόδων είνα ι 0 V).
Επειδή η είσ οδος {-) είναι συζευγμένη με την έξοδο, με μηδενική αντίσταση, ισχύει:
Vo = R . ΙΒ+ (1-32)
Σχ. 1-31. Επίδραση του ρεύματος ΙΒ- στην τάση εξόδου Vo.
Σχ. 1-32. Επίδραση του ρεύματος IB-h στην τάση εξόδου V
ΕΠΙΑΡΑΣΗ ΤΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΑΠΟΚΛΙΣΗΣ
Τα ρεύματα ΙΒ-π και ΙΒ- σπάνια είναι ίσα μεταξύ τους και στο Σχ. 1-32, η τάση εξόδου θα είνα ι ιοη με R.IB+. Με την εισαγωγή της αντίστασης Rf, όπως δείχνει το Σχ. 1-33, το ρεύμα ΙΒ- δημιουργεί μια πτώση τάσης πάνω στην Rf, ίση με Rf . ΙΒ-. Αν Rf=R, τό τε η τάση εξόδου γίνετα ι ίοη με R(IB+ - ΙΒ-). Η διαφορά (ΙΒ+ - ΙΒ-) είναι συνήθως περί το 25% του μέσου όρου των ρευμάτων πόλωσης.
Σχ. 1-33. Επίδραση του ρεύματος απόκλισης εισόδου στην έξοδο.
ΑΙΜΤΙΕΤΑΘΜΙΣΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΟΛΩΣΗΣ
— Για την αντιστάθμιση των ρευμάτων πόλωσης προστίθεται μια αντίσταση Rc στο κύκλωμα της εισ ό
δου (-Ι-), Σχ. 1-34.
Σχ. 1-34. A ντιστόθμιαη των ρευμάτων πόλωσης με την προσθήκη της αντίστασης Rc.
Η τιμή της Rc εκλέγετα ι ίση με τον παράλληλο συνδυασμό των αντιστάσεων Ri και Rf, δηλαδή:
Rc = R i/ / R f = (1-33) Ri-1-Rf
ΑΝΤΙΣΤΑΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΑΠΟΚΛΙΣΗΣ ΕΙΣΟΔΟΥ
Για V+ = V-, εξ αιτία ς μερικών διαφορών μεταξύ ορισμένων στοιχείων του Τ.Ε., η έξο δ ο ς Vo δεν είναι ίση με μηδέν, αλλά σε κάποιο δυναμικό που κυμαίνεται μεταξύ μερικών μν και μερικών mv. Για την πα- ράοταση αυτής της εκτροπής της εξόδου, θεωρούμε ότι οε μια από τις εισ όδους του ιδανικού ορ amp υπάρχει σε σειρά μια πηγή τάσης Σχ. 1-35.
Η τιμή και η πολικότητα της πηγής αυτής μεταβάλλεται από διαφορικό σε διαφορικό ενισ χυτή. Η τάση Vio καλείται τάση απόκλισης εισόδου (input offset voltage).
Σχ. 1-35. Τάση απόκλισης εισόδου, Via.
Το κύκλωμα του Σχ. 1-36 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση τη ς τάσης απόκλισης εισόδσυ, με την μέτρηση της εξόδου Vo και επίλυση της σχέσης (σχ. 1-34) ως προς Vio.
Vo = Vio (1 + - 5 i ) (1-34) Ri
O πυκνωτής στο Σχ. 1-36 χρησιμεύει για την μείωση του θόρυβου σ την έξοδο.
Σχ. 1-36. Μέτρηση της τόσης απόκλισης εισόδου.
Για την αντιστάθμιση της τάσης απόκλισης εισόδου οι Τ.Ε. έχουν πρόβλεψη για τη σύνδεση ενός κυκλώματος μηδενισμού (offset null circuit) της τάσης εξόδου. Το Σχ. 1-37 δ είχνει το πρόσθετο κύκλωμα (μεταβλητή αντίσταση) για τον μηδενισμό αυτόν, Τ.Ε. 741.
1 -1 8 . ΟΛΙΣΘΗΣΗ
Ο μηδενισμός της εξόδου του Τ.Ε. ισχύει για μια μόνο θερμοκρασία. Όμως, το ρεύμα και η τάση απόκλισης μεταβάλλονται με την θερμοκρασία και επομένως, για την καλή λειτουργία, χρειάζεται η θερ
μοκρασία στο άμεσο περιβάλλον του ενισ χυτή να είνα ι σταθερή. Η μεταβολή της εξόδου Vo, λόγω της μεταβολής της θερμοκρασίας καλείται ολίσθηση (drift). Σημειώ νεται ότι, εκτό ς της μεταβολής της θερ
μοκρασίας, η ολίσθηση οφ είλετα ι και στην πάροδο του χρόνου, μετά από μακρόχρονη λειτουργία του τ ε λεστικού ενισχυτή.
Σχ. 1-37. Μηδενισμός της τάσης εξόδου στον Τ.Ε. 741.
1 -1 9 . ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ
Ό τα ν ο Τ.Ε. χρησιμοποιείται για την ενίσχυση σημάτων a.c., τό τε μεγάλη σημασία έχει το αν ή όχι η έξο δ ο ς θα είναι σε χαμηλά επίπεδα (περίπου 1 V peak). Στην περίπτωση που το σήμα εξόδου είναι χα
μηλό, η συμπεριφορά του ενισχυτή περιορίζεται από τον θόρυβο και την απόκριση συχνότητας. Αν όμως η έξο δ ο ς του ενισχυτή είναι μεγαλύτερη από 1 V peak, τότε ο ρυθμός ανταπόκρισης (slew/ rate) καθορί
ζει κατά πόσο θα εισ αχθεί παραμόρφωση στην έξοδο από τον Τ.Ε.
Σε πολλούς τύπους Τ.Ε. υπάρχει εσωτερικά ένας μικρός πυκνωτής αντιστάθμισης, συνήθως 30 PF, για να αποφεύγονται οι ταλαντεύσεις στις υψηλές σ υχνότητες. Η αντιστάθμιση αυτή ονομάζεται εσω τερική αντιστάθμιση συχνότητας και ελαττώ νει το κέρδος του ενισ χυτή με την αύξηση της συχνότη
τας.
Οι κατασκευαστές παρέχουν συνήθως την καμπύλη μεταβολής του κέρδους ανοικτού βρόχου του Τ.Ε. με τη συχνότητα του διαφορικού σήματος εισόδου.
Η απόκρισή συχνότητας ενός τυπικού τελεστικού ενισχυτή όπως ο 741, φ αίνεται στα Σχ. 1-38
Σχ. 1-38. Ενίσχυση ανοικτού βρόχου σαν συνάρτηση της συχνότητας ενός Τ.Ε.
Σ τις χαμηλές συχνότητες (κάτω από 0,1 ΗΖ) η ενίσχυση ανοικτού βρόχου είνα ι πολύ μεγάλη (200.000). Το σημείο A στο Σχ. 1-38 αντιστοιχεί στο 0,707 του κέρδους του ενισ χυτή για τις πολύ χαμη
λ έ ς συχνό τη τες, δηλαδή εντοπίζει τη συχνότητα αποκοπής (.θλάσης). Το σημείο Β, πάνω στον άξονα της συχνότητας, δ είχνει τη συχνότητα όπου το κέρδος γίνετα ι ίσο με 1. Το κέρδος μικραίνει κατά 20 άΒ για αύξηση της συχνότητας κατά δέκα φορές ή κατά 6 άΒ για διπλασιασμό της συχνότητας.
Αν η συχνότητα fB που αντιστοιχεί στο σημείο Β, Σχ. 1-38, δ εν παρέχεται από τον κατασκευαστή, μπσρεί να βρεθεί από το χρόνο ανύψωσης (rise time) που είναι συνήθως μεταξύ 0,25 και 0,8 μ3, με την εφαρμογή της σχέσης, σχ, 1-35.
fB = - 0.35
Χρόνος ανύψωσης (sec) (ΗΖ) (1-35)
Ο χρόνος ανύψωσης είναι ο χρόνος που απαιτείται για να ανυψωθείη έξο δ ο ς του ενισχυτή από το 10% στο 90% της τελικής τιμής της. Για τον ενισχυτή 741 ο χρόνος ανύψωσης είνα ι 0,35 με, και επομέ
νως χρειάζονται 0,35 με για να μεταβληθεί η έξοδος από 2 mv σε 18 mv.
Ό ταν ο τελεσ τικός ενισ χυτής χρησιμοποιείται σαν ενισ χυτής, τό τε το εύρ ος ζώνης του ενισχυτή μπορεί να υπολογισθεί από τή σχέση 1 -36.
Bw = - (1-36)
όπου: ACL είναι το κέρδος (κλειστού βρόχου) τ 100, το εύρος ζώνης συχνοτήτων είναι 10 ΚΗΖ.
υ ενισχυτή. Για fB= 1 MHZ όταν το κέρδος ACL είναι
1 -2 0 . ΡΥΘΜΟΣ ΑΝΤΑΠΟΚΡΙΣΗΣ (SLEW RATE)
Ο ρυθμός ανταπόκρισης (slew rate) ενός Τ.Ε. προσδιορίζει πόσο γρήγορα μπορεί να μεταβληθεί η τάση εξόδου. Γ ια τον Τ.Ε. 3140, το μέγιστο του ρυθμού ανταπόκρισης είνα ι 9 ν/με. Αυτό σημαίνει ότι η τάση εξό δ ου μπορεί να μεταβληθεί το πολύ κατά 9 V σε 1 με. Ο ρυθμός ανταπόκρισης εξα ρτάται απο πολλούς παράγοντες, όπως την ενίσχυση, τους πυκνωτές αντιστάθμισης και ακόμη από το αν η έξοδος τείν ει προς θετικές ή αρ νητικές τιμές τάσης. Ο χαμηλότερος ρυθμός ανταπόκρισης συμβαίνει όταν το κέρδ ος τάσης είναι 1.
Στον ακόλουθο τάσης του Σχ. 1-39, αν το ημιτονικό σήμα εισόδου έχ ει τάση κορυφής ίση με Ερ, τ ό τε η μεταβολή της εισόδου εξαρτάται από τη συχνότητα f και την τιμή της τάσης κορυφής, σύμφωνα με τη σχέση (1-37).
Ρυθμός μεταβολής σήματος - dep ημωί _ (ωί)'= Ερ.ωσυνωί (1-37)
Επομένως ο μέγιστος ρυθμός μεταβολής του σήματος εισόδου (ΜΡΗ) είναι: ΜΡΜ=Ερω=2ΠΕρί (1-38) Αν ο ρυθμός μεταβολής του σήματος είναι μεγαλύτερος από το ρυθμό ανταπόκρισης του ενισχυ
τή, τό τε η έξο δ ος (Vo) θα είναι παραμορφωμένη. Δηλαδή, η έξο δ ος προσπαθείνα ακολουθήσει το σήμα εισ όδου, αλλά δεν μπορεί λόγω του περιορισμού που θ έτει ο ρυθμός ανταπόκρισης. Η παραμόρφωση αυτή φ αίνεται στο Σχ. 1-39.
Η μεγαλύτερη συχνότητα, fmax, για την οποία μπορεί να ληφθεί έξο δ ος χωρίς παραμόρφωση για μια τάση εξόδου Vo, βρίσκεται από τη σχέση:
Ρυθμός ανταπόκρισης > 2 π Ερ fmax (1-39) Δηλαδή με την επίλυση ως προς f, ισχύει:
Ρυθμός ανταπόκρισης
2 π Ερ (1-40)
Για παράδειγμα, ο Τ.Ε. 3140 με ρυθμό ανταπόκρισης 9 ν/με, μπορεί να δώσει έξο δ ο 10 V (Peak) χωρίς παραμόρφωση όταν η συχνότητα είναι:
6,28.10 με
ενώ μπορεί να δώσει έξο δ ο 1 V (Peak) χωρίς παραμόρφωση σε δεκαπλάσια αυχνότητα (1433 ΚΗΖ).
Παοαμορφωμένο otlua
Σχ. 1-39. Παραμόρφωση της εξόδου εξ αιτίας ταυ ρυθμού ανταπόκρισης.
1 -2 1 . ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ ΑΙΜΤΙΕΤΑΘΜΙΓΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ
Η εσωτερική αντιστάθμιση συχνότητας, ενώ παρέχει καλή σταθερότητα για ένα μεγάλο εύρος συ
χνοτήτω ν, περιορίζει το εύρος ζώνης και μειώνει το ρυθμό ανταπόκρισης.
Για το λόγο αυτό, η εσωτερική αντιστάθμιση δε χρησιμοποιείται σε σ υχνότητες υψηλότερες των ακουστικών συχνοτήτων.
Ετσι, α ντί εσω τερικής αντιστάθμισης συχνότητας, οι κατασκευαστές αφήνουν από 1 έως 3 ακρο
δ έκ τες αντιστάθμισης συχνότητας που επιτρέπουν την επιλογή του καλύτερου συνδυασμού σταθερότη
τας και εύρους ζώνης. Στους ακροδέκτες αυτούς συνδέονται εξω τερικό αντιστάσεις και πυκνωτές και γΓ αυτό το λόγο η αντιστάθμιση αυτή καλείται εξωτερική αντιστάθμιση συχνότητας.
Το Σχ. 1-40 δείχνει την αντιστάθμιση μ' ένα πυκνωτή, του Τ.Ε. 101, που συνδέεται στα άκρα 1 και 8.
Ένας άλλος τύπος αντιστάθμισης είνα ι αυτός που φαίνεται στο Σχ. 1-41 και που καλείται αντι
στάθμιση ορθής τροφοδότησης (feed for\ward compensation). Ο πυκνωτής ορθής τροφοδότησης C, συνδ έεται μεταξύ της εισόδου (-) και του άκρου αντιστάθμισης 1, ενώ ο πυκνωτής CF χρειάζεται για να εξα σφαλίσει σταθερότητα συχνότητας με την ταυτόχρονη μείωση του θορύβου στις υψηλές συχνότη-
Σχ. 1-41. Αντιστάθμιση ορθής τροφοδότησης, Τ.Ε. 101.
Συνήθως οι κατασκευαστές δίνουν ακριβής οδηγίες για την αντιστάθμιση που ταιριάζει στην κάθε εφαρμογή. Γενικά, η αντιστάθμιση πρέπει να χρησιμοποιείται με προσοχή, όταν χρειάζεται και στην πο
σότητα που χρειάζεται. Αυξάνοντας το κέρδος υψηλής συχνότητας χωρίς να υπάρχει λόγος, μεγαλώνει στην έξοδο ο θόρυβος υψηλής συχνότητας.
