Elektronika III

  • Published on
    24-Jun-2015

  • View
    2.530

  • Download
    3

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Elektronika III.(Mveleti erstk, kompartorok, jelkondicionlk)

Transcript

<p> MI SKOLCI EGYETEMINTZET ELEKTROTECHNI KAI -ELEKTRONI KAITANSZK VILLAMOSMRNKI DR. KOVCS ERN ELEKTRONIKA III. (MVELETI ERSTK, KOMPARTOROK, JELKONDICIONLK) ELADS JEGYZET 2003. Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszk 3.0. Mveleti erstk Az elektronikus ramkrk kztt klnsen fontos helyet foglalnak el az erstk. Erst ramkrkmegvalsthatkbrmelyersttpus-akrdiszkrt,akrintegrlt-aktv elemmel. Diszkrt ramkrkkel is felpthetk sszetett ramkrk, tbbfokozat erstk, egyenfeszltsg-erstk(lsdElektronikaII.),azonbanazegyesalkatrszek paramterszrsa miatt a feladatok nehezebben valsthatk meg s jelents alkatrsz igny merlhet fel. Az alkatrszek tolerancija (klnsen a szriaszer gyrts esetn felttlenl fontostolerancia-fggetlenramkrmegvalstsa)nehzsgetokozhat.Azintegrlsi technikalehetvtesziolyantbbfokozat,ltalnosclsfelhasznlserstk kialaktstis,amelyekdiszkrtelemekkelnem,vagynemazonosminsgbenllthatk el.Azramkrkkialaktsasornkihasznljkaztalehetsgetis,amitakzel egyforma, azonos paramter s nagy szmban integrlhat aktv elemek knlnak. Htrnyt jelentazonban,hogynhnypasszvalkatrszegyltalnnemvagycsakkorltozott mrtkbenintegrlhat,pl.kzepessnagykapacitskondenztorok,induktivitsok, transzformtorok.Alapvetenamveletierstkkelkzvetlenlcsatolt(egyenramerstk,DCcsatolt) valsthatk meg minimlis kls alkatrsz ignnyel.Amveletierstkegyspeciliskategrijtkpviselikazelssorbankapcsolzemre tervezetterstk,amelyeketazalapvetfunkcijukmiattkompartoroknakhvunk.Az ltalnosclmveletierstisfelhasznlhat-korltozottdinamikustulajdonsgokkal- kapcsolzemfeladatokra,azonbanakompartoroklnyegesenkedvezbb tulajdonsgokat mutatnak ezen a specilis alkalmazsi terleten. Ajelkondicionlerstkltalbanclorientltramkrk,amelyekneklelkeegy,vagy tbbpreczerst,kiegsztveafeladathozilleszkedspecilisramkrkkel.A mszererstkazegyenramerstknagylineartssalacsonybemenetijelesetnis alacsonyhibvalmkdramkrei.Afejezetegybjelkondicionlvagyjelfeldolgoz ramkrt is bemutat, pl. szigetelt erstk, tltscsatolt erstk, hmrskletmrs ersti, stb. 3.1.Mveleti erstk felptse, jellemzi 3.1.1.Idelis mveleti erstk jellemzi Amveletierstkltalbanfeszltsgerstk,brlteznekrambemeneterstk (meredeksgerstk)is.Gyakorlatiletbentrtnfelhasznlsukgyakorisgamiatta tovbbiakban csak a feszltsgerst tpus mveleti erstkkel foglalkozunk. A mveleti ersts feszltsgerstk jellemz paramterei: Az idelis feszltsgerst jellemz paramterei Mveleti ersts vals iBemeneti ellenlls (Rbe)~10 M* Kimeneti ellenlls (Rki)0~m* Nylthurk ersts (Ao)105-106 Svszlessg (B)DCDC~100 MHz* feszltsgerstk jellemz*Megjegyzs: az rtkek ltalban nem a mveleti erst paramtereitl, hanem a kapcsols tulajdonsgaitl fggnek. A mveleti erstk a felsoroltaknl jobb paramterekkel rendelkeznek. Dr. Kovcs Ern: Elektronika elads jegyzetek (III.)2 Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszk Atblzatidelis-samegvalsthatparamtereittartalmazoszlopaitsszehasonltva lthatjuk,hogyamveletierstvelegytartomnyonbellkzelidelisfeszltsgerst valsthatmeg,amennyibenadinamikusparamtereketnemtekintjk.Amveleti erstknek-afeladatszempontjblfontosparamterei-kapcsolstechnikvaljavthatk, br ez alkalmanknt azt jelenti, hogy egyb paramterek romolhatnak. A fentiek alapjn meghatrozhatjuk az idelis erst helyettestkpt: uki ube uki=A0ube, A0 3.1.2Mveleti erstk bels felptse Amveletierstktbbolyanramkriegysgetistartalmaznak,amelyekdiszkrt technikval nem valsthatk meg. Ezek az ramkrk ltalban a nagy pontossggal, kzel azonosparamterekreintegrlhatflvezetkbenrejllehetsgekethasznljkki.(pl. ramtkr, differencia-erst, stb.) A mveleti erstk ltalnos felptse Rsc 7. 1.2.3.4.5.6. 8.9. 1.Bemenetiegysg:ltalbanbipolrisvagytrvezrelttranzisztorralfelptett differencia-erst.Mintamveletierstlegrzkenyebbrsze,alapveten meghatrozza az ramkr tulajdonsgait, gy a legsszetettebb ramkri egysg. 2.Fzissszegz:adifferencia-erstszimmetrikuskimenetifeszltsgtalaktjat aszimmetrikus feszltsgg a tovbbi fokozatok szmra. (nagyfrekvenciserstk esetn ltalban szimmetrikus jellel dolgozunk a teljes erst lncban) 3.Elvlasztfokozat,amelynekfeladataazelerstszereptbetltbemeneti differenciaerstsavgersttmeghajtfokozatoptimlismunkapontban trtn sszekapcsolsa. 4.Szinteltol:amegfelelmunkapontokbelltstvgziaklnbzfokozatok kztt. 5.Fzisfordt s elerst: a vgfokozat szmra ellltja a megfelel meghajt jelet (ellentem vgfokozatok, hmrskletstabilizlt AB-osztly munkaponttal).6.Vgfokozat:Klnbzkimenetimegoldsokvannak,amelyekmssms ramkrimegoldstignyelnek,pl.aszimmetrikuskimenet,nyitottkollektoros kimenet,differenciliskimenet,stb.Aleggyakoribbazaszimmetrikuskimenet, amelyet AB osztly ellentem erstvel valstanak meg. Dr. Kovcs Ern: Elektronika elads jegyzetek (III.)3 Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszk 7.Vezreltramgenertorsramtkrabemenetifokozatmunkapontbelltsra szolgl szles bemeneti feszltsgtartomnyban.8.ramgenertorokazegyesramkrifokozatokoptimlis,tpfeszltsg-fggetlen munkapont belltsra. 9.Kimenetitlramstlterhelsvdelem:Akimenetiramotegysntellenllsrl (Rsc).kicsatolvahatrolhatjukbeakimenetiterhelramnagysgt.Az ramhatrolsakimenetdinamikustulajdonsgaitrontja(aztkapcsolskora kimenetiramokafelhalmozotttltsekkistst/ttltstbefolysoljk),ezrtaz elssorbankapcsolzembenhasznlterstkkimenetenincsilyen ramhatrolssal elltva a nagyobb sebessg elrse rdekben. Azegyeskonkrtmveletierstkafentirszegysgeketms-smssszettelbens sorrendben tartalmazhatjk. Az ramkr minden meghatroz elemnek a munkapontjt ramgenertorokkal lltjuk be, amit a szles s vltoz tpfeszltsg-tartomny, az optimliskivezrelhetsg, a stabilits, saparamterekmegkveteltllkonysgaindokolja.Ezzelamegoldssalamveleti erstkszlestpfeszltsg-tartomnybantudnaklinerisandolgozniaparamterek jelentsromlsanlkl.Klnfigyelmetrdemelnekazokazramkrk,amelyeketa kimeneten a tpfeszltsgig ki lehet vezrelni (rail to rail). Amveletierstklehetnekkettstpfeszltsgek,vagyegytpfeszltsgek.Az alapvetmkdsteznembefolysolja,amennyibenfigyelembevesszkalehetsges bemeneti s kimeneti jeltartomnyt. A kimeneti tlterhels/tlram elleni vdelem kialaktsa: AzikikimenetiramazRscellenllson feszltsgessthozltre.Amennyibeneza feszltsgelriatranzisztornyitshozszksges UBE3feszltsget,akkoraT3tranzisztor fokozatosankinyitsegyrsztelvezetiaT1 tranzisztorbzisramnakegyrenvekvrszt, msrszt a T3 tranzisztor UCE feszltsge cskken s fokozatosanzrjaaT1tranzisztorBEtmenett, cskkentve a T1 tranzisztor ramt. A T1 tranzisztor rama csak a hatrramig (Ih) cskkenthet, mert ha ez al mennnk, akkor a T3 jra lezrna s az ram a T1-njranne.Ugyanilyenvdelemapnp tranzisztor gban is kialakthat. UBE3T3 Rsc iki -Ut +Ut uki T1 T2 A hatrram meghatrozhat: ( )scT BEhRUI3= Dr. Kovcs Ern: Elektronika elads jegyzetek (III.)4 Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszk 3.1.3.Valsgos mveleti erst helyettestkpe s jellemz paramterei A valsgos mveleti erst fontosabb statikus hibi: a)Avalsgosmveletierstnemtkletesenszimmetrikus(akimeneten hibafeszltsg/ofszet feszltsg jelenik meg) b)azaszimmetriamiattazerstnemcsakaszimmetrikusjelet,hanemaz aszimmetrikus (kzsmdus) jelet is ersti c)abemenetikapcsokoneltrbemenetiramokfolynak(bemenetihibaram/ofszet ram jelenik meg). A valsgos mveleti erst helyettestkpe, figyelembe vve a fenti hiba jelensgeket is: Akuk Aoubes Rkiuki 2 ZZ2 Zbek bek bes + u -bes Ubo Ibn Ibp Az Ibp a (+) bemeneten foly ram, Ibn a (-) bemeneten foly ram. Statikus paramterek Nyugalmi bemeneti ram 2bp bnbI II+=Bemeneti ofszet ram bn bp boI I I =Bemeneti ofszet feszltsg U Ubep-Uben ha uki=0 bo=resjrsi vagy nylthurk ersts beskis ouuA A = = , ha ubek=0 Kzsmdus feszltsgersts bekkikuuA = , ha ubes=0 Kzsmdus elnyomsi tnyez (Common Mode Rejection Ratio) ||.|</p> <p>\|= =ksAACMRR KME log 20 [dB] Dr. Kovcs Ern: Elektronika elads jegyzetek (III.)5 Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszk Paramterek megvltozsa idben, hmrskletre, tpfeszltsg vltozsra (driftek) a) Ofszet feszltsg hmrsklet driftje TUuboboT=b) Ofszet ram hmrsklet driftje TIiboboT=c) Ofszet feszltsg hosszidej driftje tUuboboT=d) Ofszet ram hosszidej driftje tIiboboT=e) Tpfeszltsg elnyomsi tnyez )`== lland U haUUS lland U haUUSTCTEboTE TETCboTC, log 20 , log 20 . min UTC a pozitv tpfeszltsg, UTE a negatv tpfeszltsg Szimmetrikus bemeneti ellenlls Rbes a bemeneti kapcsok kztt fellp ellenlls (A kzsmdus bemeneti ellenlls Rbek&gt;&gt;Rbes, gy hatsa elhanyagolhat.) Kimeneti ellenlls kizkikiiuR = , uki a kimeneti resjrsi feszltsg s ikiz a kimeneti zrlati ram Bemeneti kzsmdus feszltsg tartomny: Ubekmax Bemeneti szimmetrikus feszltsg tartomny: Ubesmax Kimeneti feszltsgtartomny Ukimax (kt tpfeszltsges mveleti erstk esetn) Maximlis kimeneti ram: Ikimax (Amaximliskimenetiramvagyahatrrammalegyenl,vagyamg megengedhetmaximlisram,hanincskimeneti ramhatrolbeptveaz ramkrbe.) Dr. Kovcs Ern: Elektronika elads jegyzetek (III.)6 Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszk Tpfeszltsg tartomnyok UTCmax, UTEmax (alkalmanknt a minimlis rtkek is megadsra kerlnek) Nyugalmi/vezreletlen teljestmny felvtel Pdo=UTCICo+UTEIEo ICo sIEoazramkrnyugalmiramfelvteleakttpfeszltsgvezetkfell (tulajdonkppen az ramkr sajt ram felhasznlsa/fogyasztsa) Maximlis teljestmny disszipci Pdmax(T), rtke fgg az zemi hmrsklettl zemi hmrsklet tartomny a) Kereskedelmi felhasznls ramkrknl 0+70 Co b) Ipari felhasznls ramkrknl -25+85 Co c) Katonai felhasznls ramkrknl 55+125 Co A nylthurk ersts (Ao) hatrfrekvencija/svszlessge ltalban grafikusan adjk meg az amplitd karakterisztikjval, klnsen akkor, ha kls kompenzlsos ramkrrl van sz. T -3 dB h BA() [dB] Aolg()Basvszlessg.Asvszlessganhny Hz-tlaMHztartomnyigterjeda klnbzramkrkesetn(pl.ltalnos cl hangfrekvencis, szlessv, impulzus-erst) h a 3 dB-es hatrfrekvencia (h=2fh ) T a tranzit frekvencia (Ao(f)=1), T=Aoh</p> <p> Dinamikus paramterek Amveletierstdinamikusviselkedstatranziensparamterekrjkle(felfutsiid, lefutsiid,ksleltetsiid,tllvs,bellsiid).Amveletierstkapcsolzemben tovbbi fontos jellemz a kimeneti jelvltozsi sebessg (slew rate), amely azt mutatja, hogy a kimenet egyik teltsi llapotbl a msik teltsi llapotba milyen gyorsan vlt t.dtduSki=Akompartorokppenabbanklnbznekelssorbanazltalnosclmveleti erstktl, hogy jelentsen kedvezbb tranziens tulajdonsgokkal rendelkeznek.Asvszlessg,atranziensparamtereksajelfelfutsimeredeksgkzttszoros sszefggsvan.(lsda3.4.1.fejezetMveletierstkfrekvenciaproblmis kompenzlsuk). Dr. Kovcs Ern: Elektronika elads jegyzetek (III.)7 Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszk 3.1.4.Mveleti erst transzfer karakterisztikja okiAU maxokiAU+ maxkapcsolzem uki Ukimax+Ukimax-lineris zem Ubemax+Ubemax- ubes Ukimax+ (ki+) a pozitv kimeneti feszltsg maximlis rtke (teltsi feszltsg) Ukimax- (ki-) a negatv kimeneti feszltsg maximlis rtke (teltsi feszltsg) Ubesmax+ a pozitv szimmetrikus bemeneti feszltsg maximlis rtke Ubesmax- a negatv szimmetrikus bemeneti feszltsg maximlis rtke Megjegyzs:alineris zemavalsgos nagysghozkpestjelentsenkivannagytva,tnylegesszlessge nhny V szlessg. A karakterisztika alapjn lthat, hogy a mveleti erstnek kt mkdsi tartomny van: a lineris zem s a kapcsolzem. 3.1.5.Mveleti erst ramkri jellse Azramkrktbemenetipontjaa+(nem-invertl)illetve (invertl)gyrtelmezett,hogyazbrnmegadottbemeneti feszltsgirny esetn pozitv a kimeneti feszltsg.uki ubes 3.2.Mveleti ersts alapkapcsolsok (lineris zem) Amveleti ersts alapkapcsolsok vizsglathoz kt alapvet, a gyakorlatban bizonytott felttelezst clszer figyelembe venni (az elhanyagolsok a kapcsolsok nagy tbbsgnl jogosak,azonbanextrmkisramokvagyszlssgesennagyimpedancikesetn ellenrizni kell ezek alkalmazhatsgt): A elhanyagols A mveleti erstbe befoly ramok (Ibp s Ibn) a kapcsolsban foly ramokhoz kpest elhanyagolhatk.Avizsglatoknlgyvesszk,hogyamveletierstkbemeneti rama nulla. Bizonyts:aFETbemeneterstkram~pAnagysgrend,atranzisztoros bemenetekesetnisazramlegfeljebb10-100nArtk.Ezazramagyakorlat szmraltalbanelhanyagolhat.Nhnyalkalmazsnlkitntetettfigyelmetkell fordtani a bemeneti ramokra (pl. integrtor, tltscsatolt erstk, stb.), de ltalban tbb nagysgrenddel kisebbek, mint a kls ramok. Dr. Kovcs Ern: Elektronika elads jegyzetek (III.)8 Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszk B elhanyagols Amveletierstubesbemenetifeszltsgeelhanyagolhatankicsiakapcsolsegyb feszltsgeihez kpest (a gyakorlatban ube&gt;0 esetn az ubes sohasem nulla, mert akkor az ramkr nem adna a kimenetn feszltsget (uki=ubesAo!!) Bizonytsegypldnkeresztl:avalsgosmveletierst(Ao)erstsenagy (2.105),amax.kimenetijelatpfeszltsggelegyezhetmeg,vagykevesebb Ukimax+UTC. Ttelezznkfel15Vtpfeszltsget!Ekkoramaximlisbemeneti szimmetrikus feszltsg15 V/2.105=75 uV. A gyakorlatban az ubes rtke ennl is kisebb lehet. 3.2.1.Invertl erst ukiube i1R1u2 R2i2u1ubes Ersts a)ubes=0,aBelhanyagolsszerintazinvertlbemenet(jel-)fldpotencilon van(referenciapont=0V).Ismertelnevezseazadottkapcsolsbanvirtulis fldpont. (A gyakorlatban soha sincs 0 V-on, ha van bemeneti feszltsg!) b)u2=ube, (ube=u2-ubes s ubes=0 a B szerint) c) 222Rui =d)i1=i2, az A elhanyagols miatt (az invertl bemenet nem csompont).e) 1 1 1R i u =f)uki=-u1,afeszltsgirnyoksszehasonltsa,valamintazinvertlbemenet virtulis fld potencilja miatt g)a visszacsatolt ersts: 2121 1 1RRR uR uuR iuuAbebebe bekiu = = = = Bemeneti ellenlls 222RRuuiuiuRbebe bebebebe= = = =A bemeneti ellenlls rtke teht az R2 ellenllssal llthat be. Dr. Kovcs Ern: Elektronika elads jegyzetek (III.)9 Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszk Kimeneti ellenlls A kapcsols soros- feszltsg negatv visszacsatols tpus.K ARRokiokiv+=1, aholRkioazresjrsi(visszacsatolatlan)kimenetiellenlls,Rkivavisszacsatoltramkr kimeneti ellenllsa, K a visszacsatolsi tnyez. A K meghatrozhat a soros negatv visszacsatolsokra rvnyes kpletbl: K AAAoov+=1 uovooAAAAK A = = + 1 ,Av=Au, mivel a visszacsatolt kapcsols feszltsgerst. oukiouokiokivAARAARR = =Au&gt;R2. AKkapcsolakondenztorkistsreszolgl,mivelacscsrtkmindigegyadott idintervallumra rtelmezett. A kapcsol ennek kezdett s vgt hatrozza meg. 3.3.2.2.Exponencilis s logaritmikus erstk Aspeciliskarakterisztikjerstkelssorbanamrstechnikban,jelkondicionlsban, de rszramkrknt egyb ramkrkben, pl. szorzkban fordulnak el. Kzs jellemzjk, hogyap-ntmenetexponenciliskarakterisztikjthasznljkki.Azexponenciliss logaritmikus erstk clramkrknt, mint katalgus ramkrk is elrhetk. Dr. Kovcs Ern: Elektronika elads jegyzetek (III.)25 Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszk 3.3.2.2.1. Az exponencilis karakterisztikj erst elve Rukiube iD iRUDuR A kapcsols mkdse: Azubefeszltsgszktartomnyban(adidakarakterisztikjnakexponencilisszakasza ltalmeghatrozotttartomnyban,abejelltirnyokmellettnegatvfeszltsg tartomnyban)vltozhat.Ezenaszakaszonadidaramasfeszltsgekzttikapcsolat exponencilissmivelazellenllsramaazAelhanyagolsszerintmegegyezikadida ramval,ezrtazellenllsramaisexponenciliskapcsolatbanvanabemeneti feszltsggel. A kimeneti feszltsg arnyos az ellenllson tfoly rammal.TbeTbeUukiki R RD RUuDe R I uu R i ui ie I i = = == 00 Az elvi kapcsols hibi: Ersen hmrskletfgg a p-n tmenet hmrskletfggse miatt (I0, UT). Nagyon kicsi a bemeneti jeltartomny (Si technolgia esetn kb. 0-0.6V) Agyakorlatbanezakapcsolsgynemhasznlhat,hmrsklet-kompenzlstkell alkalmazni. 3.3.2.2.2. A logaritmikus...</p>