Analóg és digitális rsz-ek megvalósítása prog. mikroák-kel BMEVIEEM371

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Műveleti erősítők - Bevezetés

Takács Gábor

Elektronikus Eszközök Tanszéke (BME)

2014. február 17.

readyebook

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 1 / 27

Analóg és digitális rsz-ek megvalósítása prog. mikroák-kel BMEVIEEM371

Tartalom

1 Tranzisztorok fontosabb jellemzői

2 Aszimmetrikus erősítők jellemzői

3 Szimmetrikus erősítők jellemzői

4 Egytranzisztoros alapkapcsolások

5 Többtranzisztoros alapkapcsolások

6 Műveleti erősítők osztályozása

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 2 / 27

Tranzisztorok fontosabb jellemzői

Alapfogalmak, alapáramkörök

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 3 / 27

Tranzisztorok fontosabb jellemzői

Meredekség

Bipoláris tranzisztor meredekségeegységnyi bázis-emitter feszültségváltozás hatására fellépő kollektor-áram változás

gm = δICδVBE

= α

re= IE

UT

MOS tranzisztor meredekségeegységnyi gate-source feszültségváltozás hatására fellépő drain-áramváltozás

gm = δIDδVGS

= 2IDVGS −VTh

A VGS −VTh ≈ 0 közelében a meredekség nem válik végtelenné!Küszöb alatt a meredekség gm = 1/UT

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 4 / 27

Tranzisztorok fontosabb jellemzői

Kimeneti vezetés

Bipoláris tranzisztor kimeneti vezetéseegységnyi kollektor-emitter feszültségváltozás hatására fellépő kollek-toráram változás

h22 = δICδVCE

= 2µre

µ a feszültség-visszahatási tényezőMOS tranzisztor kimenő vezetése

egységnyi drain-source feszültségváltozás hatására fellépő drain-áramváltozás

gds = δIDδVDS

= λ · ID

λ a csatornamodulációs tényező

λ ∼=107

√NA · L

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 5 / 27

Aszimmetrikus erősítők

Aszimmetrikus erősítők

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 6 / 27

Aszimmetrikus erősítők

Aszimmetrikus erősítők jellemzői

bemeneti impedancia: Rbe = ubeibe

kimeneti impedancia: Rki = ukiiki

, mérési módszer!transzfer impedancia: ZA = uki

ibe

transzfer admittancia: YA = ikiube

feszültségerősítés: AU = ukiibe

áramerősítés: AI = ikiibe

teljesítményerősítés AP = |AU ·AI |Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 7 / 27

Szimmetrikus erősítők

Szimmetrikus erősítők jellemzői

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 8 / 27

Szimmetrikus erősítők

Szimmetrikus erősítők

Auss = ukisubes

Aukk = ukikubek

Ausk = ukisubek

Auks = ukikubes

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 9 / 27

Egytranzisztoros alapkapcsolások

Egytranzisztoros alapkapcsolások

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 10 / 27

Egytranzisztoros alapkapcsolások

Közös emitteres alapkapcsolás

bemenet: bázis, kimenet:kollektornagy feszültségerősítésnagy áramerősítésnagy teljesítményerősítésközepes kimeneti ellenállása bemeneti impedancia függ abázisosztótólfőerősítő fokozatok áramköre

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 11 / 27

Egytranzisztoros alapkapcsolások

Közös kollektoros alapkapcsolás

bemenet: bázis, kimenet:emitterfeszültségerősítés ≈1nagy áramerősítésközepes teljesítményerősítésalacsony kimeneti impedancianagy bemeneti impedanciavégfokozatok, impedanciaillesztőfokozatok áramköre

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 12 / 27

Egytranzisztoros alapkapcsolások

Közös bázisú alapkapcsolás

bemenet: emitter, kimenet:kollektornagy feszültségerősítésáramerősítés ≈1közepes teljesítményerősítésmagas kimeneti impedanciakis bemeneti impedancianagyfrekvenciás erősítő

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 13 / 27

Többtranzisztoros alapkapcsolások

Többtranzisztoros alapkapcsolások

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 14 / 27

Többtranzisztoros alapkapcsolások

Kaszkód (emeletes) kapcsolás

alsó tranzisztor: közös bázisúfelső tranzisztor: közös emit-teresnagyfrekvenciás tulajdonságokjók

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 15 / 27

Többtranzisztoros alapkapcsolások

Erősítés növelése

Feszültségerősítés:AU = −gm · (R3 ‖ RL)nagy impedanciájú terhelés ese-tén az RC a meghatározóa munkaponti áram meghatá-rozza a maximális értékétpl.: 1mA és 12V tápfeszültségesetén 6 kΩaz erősítés maximuma néhány-szor 100×

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 16 / 27

Többtranzisztoros alapkapcsolások

Áramgenerátor a kollektorkörbe

A munkaponti áram csökkentésével növelhető az R3A erősítés ezzel növekszik, de

a tranzisztor áramerősítése munkapontfüggőkis áramoknál a kiürített rétegben a töltéshordozók egy része rekombi-nálódik, nem jut el a kollektorbacsökken a transzport hatásfokcsökken az áramerősítésa sávszélesség is jelentősen csökken!

Megoldás: helyezzünk nagy kimenő ellenállású áramgenerátortR3 helyére

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 17 / 27

Többtranzisztoros alapkapcsolások

Áramgenerátor gyakorlati megvalósítása

Áramgenerátor építhető egy tranzisztorból és néhány ellennállásbóltúl nagy feszültség esne a kapcsolásona kimeneti swing-et jelentősen korlátoznáennél jobb megoldást kellett taláni

Áramtükör segítségével külső áramforrás áramát tükrözzük be

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 18 / 27

Többtranzisztoros alapkapcsolások

Áramgenerátor áramtükör beépítésével

A munkaponti áramot a betökrözött áram és a tükrözés arányávallehet beállítaniAz erősítést az áramgenerátor (és a közös emitteres kapcsolásbanlévő tranzisztor) kimeneti ellenállása határozza meg

AU = gm · (Rout,T1 ‖ Rout,T2)

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 19 / 27

Többtranzisztoros alapkapcsolások

Differencálerősítőa rezisztív terheléssel

Szimmetrikus kimenetMunkapontbeállítás áramgenerátor segítségével

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 20 / 27

Többtranzisztoros alapkapcsolások

Differencálerősítő aktív terheléssel

Aktív terhelés a kollektorkörbenJFETd-ből és Zener diódából álló áramgenerátor

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 21 / 27

Többtranzisztoros alapkapcsolások

Fázisösszegzés

Aszimmetrikus bemenő jel esetén is mindkét oldal dolgozikAmennyivel csökken az egyik oldal árama, annyival nő a másiké

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 22 / 27

Többtranzisztoros alapkapcsolások

Miller-elv

C ′M = (1−AU ) · C C ′′

M = AU − 1AU

· C

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 23 / 27

Műveleti erősítők osztályozása

Műveleti erősítők osztályozása

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 24 / 27

Műveleti erősítők osztályozása Osztályozás

Technológiai szempontok szerint

tisztán bipolárisnagyobb áramfelvételkisebb zajnagyobb bemenő áram

j-FET és bipoláris együttnagyobb bemenő ellenállás

MOSFET és bipoláris együttáltalában bemeneti tranzisztor vagy végfokozatban

CMOSextra kicsi bemeneti áramkis áramfelvétel

hibrida célnak megfelelően több technológia együttes alkalmazása

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 25 / 27

Műveleti erősítők osztályozása Osztályozás

Felhasználási szempontok szerint

általános célúkis fogyasztásúkis bemenő áramúkis offset feszültségűkiszajúnagy kimenő áramúnagy kimenő feszültségűrail-to-railnagy sávszélességűegyéb speciális célú (audio, EKG, EEG, stb.)

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 26 / 27

Irodalom

Felhasznált irodalom

Dr. Pap László: Elektronika I. jegyzet

Dr. Borbély Gábor: Elektronika I.

Dr. Borbély Gábor: Elektronika II.

Walt Jung: Op Amp Applications Handbook

Műveleti erősítő adatlapokDatasheetarchive.com

Takács Gábor (BME EET) Műveleti erősítők - Bevezetés 2014. február 17. 27 / 27