ELECTRONICĂ ANALOGICĂ

Prezentarea pe tema: "ELECTRONICĂ ANALOGICĂ"— Transcriere de prezentare:

1 ELECTRONICĂ ANALOGICĂ
Departamentul de Electronică şi Calculatoare str. Politehnicii 1, Braşov ELECTRONICĂ ANALOGICĂ Cursul nr. 7

2 C7 - Probleme tratate Limitări dinamice ale AO Probleme
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 C7 - Probleme tratate Limitări dinamice ale AO Răspunsul în frecvență în buclă deschisă Panta caracteristicii în buclă deschisă (b.d.) Determinarea frecvenței corespunzătoare amplificării unitare Banda în buclă închisă, fA Impedanţele de intrare şi ieşire Timpul de creştere, tR Viteza de variație a semnalului de ieşire, SR Efectul SR la semnal de intrare tip treaptă Efectul SR la semnal de intrare sinusoidal Banda la putere maximă, FPB (Full-Power Bandwidth) Legătura dintre banda liniară şi SR Timpul de stabilire, tS Probleme

3 Răspunsul în frecvență în buclă deschisă
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Răspunsul în frecvență în buclă deschisă Cel mai des întâlnit răspuns în frecvență în buclă deschisă este răspunsul cu pol dominant Răspunsul în frecvență în buclă deschisă al AO de tipul 741

4 Răspunsul în frecvență în buclă deschisă
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Răspunsul în frecvență în buclă deschisă Se face presupunerea simplificatoare conform căreia câștigul în buclă deschisă are doar un singur pol câștigul se poate exprima în funcție de frecvență: a0 = amplificarea în buclă deschisă (b.d.); fa = frecvenţa de frângere a caracteristicii în b.d. (se determină din PAB/a0); PAB = produs amplificare-bandă. PAB se mai notează: fu = frecvența la amplificare unitară (a0 = 1) sau B1 = banda la amplificare unitară.

5 Răspunsul în frecvență în buclă deschisă
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Răspunsul în frecvență în buclă deschisă Pe caracteristica de frecvență, redesenată, se pot face următoarele observații: pe caracteristica Bode (asimptotică, desenată cu linie punctată), frecvenţa fa se numeşte frecvenţă de frângere a caracteristicii în buclă deschisă pe caracteristica logaritmică (linie plină), frecvenţa fa se numeşte frecvenţă la -3 dB

6 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Răspunsul în frecvență în buclă deschisă Panta caracteristicii în buclă deschisă Se consideră două frecvenţe aflate în relaţia La frecvenţa f2 corespunde amplificarea a2 iar la f1 corespunde amplificarea a1. => Panta caracteristicii = -20dB/dec

7 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Răspunsul în frecvență în buclă deschisă Determinarea frecvenţei la amplificare unitară, fu Pentru f>>fa Se înlocuieşte f cu fu şi rezultă deoarece Formula lui Euler

8 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Răspunsul în frecvență în buclă deschisă Determinarea frecvenţei la amplificare unitară, fu Egalând modulul cu unitatea (=1), rezultă: Relaţie care se interpretează astfel: pe pantă de -20dB/dec, produsul amplificare-bandă este constant și egal, în acest caz, cu a0fa.

9 Amplificarea în buclă închisă
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Amplificarea în buclă închisă Amplificarea în buclă închisă se scrie unde iar

10 Amplificarea în buclă închisă
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Amplificarea în buclă închisă Se înlocuieşte şi se obţine: unde iar reprezintă frecvența de frângere a caracteristicii în buclă închisă sau banda în buclă închisă deoarece amplificatorul este de c.c. şi reprezintă amplificarea reală în buclă închisă determinată la analiza de c.c. şi la foarte joasă frecvenţă

11 Impedanţele de intrare şi ieşire
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Impedanţele de intrare şi ieşire NEINVERSOR INVERSOR Impedanţa de ieşire Impedanţa de intrare Impedanţa de intrare

12 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Timpul de creştere, tR Timpul de creştere (Rise Time) a semnalului de la ieşirea AO este invers proporţional cu banda în buclă închisă; Timpi de creştere mici se pot obţine cu ajutorul unor amplificatoare care au banda în buclă închisă mai mare; Exerciţiu Se determină răspunsul unui amplificator în buclă închisă la un semnal de intrare tip treaptă de amplitudine Vin;

13 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Timpul de creştere, tR Se presupune că circuitul are o funcţie de transfer caracterizată de un singur pol: La intrarea circuitului se aplică un semnal tip treaptă de amplitudine mică Vin(s)=Vin/s (unde s este variabila complexă din transformata Laplace).

14 Timpul de creştere, tR Semnalul de ieşire se va scrie sub forma: unde
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Timpul de creştere, tR Vin(s)=Vin/s Semnalul de ieşire se va scrie sub forma: unde polul este de forma: p=-2fA, constanta de timp a semnalului exponențial se scrie: =1/p=-1/2fA, iar fA este banda în buclă închisă fA=fa(1+a0b)

15 Indicele „R” provine de la Rise Time
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Timpul de creştere, tR Definiția timpului de creştere conform standardului IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers): timpul de creştere (tR) reprezintă timpul necesar ca ieşirea să se modifice între 10% şi 90% din nivelul final. Indicele „R” provine de la Rise Time

16 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Timpul de creştere, tR Se trece la forma în timp a expresiei tensiunii de ieşire: Pentru a calcula timpul de creştere se presupune că nivelul semnalului de ieşire ajunge: la 10% din cel maxim la momentul de timp t1 iar la 90% din cel maxim la momentul de timp t2.

17 Timpul de creştere, tR Timpul de creştere este:
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Timpul de creştere, tR Timpul de creştere este: unde t1 şi t2 se determină din relaţiile:

18 Timpul de creştere, tR Astfel unde polul se scrie p=-2fA. Observaţii:
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Timpul de creştere, tR Astfel unde polul se scrie p=-2fA. Observaţii: În cazul unui semnal tip treaptă la intrare, timpul de creştere (Rise Time) a semnalului este egal cu cel de cădere (Fall Time). În configuraţie de repetor (caz în care fA=fu), timpul de creştere este, de exemplu: 0,35 μs la AO de tipul LM741(fu=1MHz), respectiv 0,09 μs la AO de tipul TL081 (fu=4MHz).

19 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR AO compensate intern conțin în structura lor un condensator de compensare cu frecvența, notat C1=30pF la AO-741. AO de tipul 741

20 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR La aplicarea unui semnal, alternativ CC se încarcă şi se descarcă cu frecvenţa semnalului alternativ; Încărcarea/descărcarea se face în timp finit deci cu viteză finită, fenomen numit limitare de SR (Slew Rate); Parametrul de catalog SR se măsoară în V/s. Exemple: AO de tipul 741 are SR=0,5 V/s; AO de tipul LM324 are SR=0,4V/ s; AO de tipul TL081, cu TEC-J pe intrări, are SR=8 V/μs, minim, respectiv 13 V/μs, tipic; AO de tipul TLV277x (x=0...5), cu tranzistoare realizate în tehnologie CMOS şi cu ieşire Rail-to-Rail, are SR=5V/μs, minim, respectiv 9 V/μs, tipic.

21 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Efectul SR la semnal de intrare tip treaptă Răspunsul AO la semnal mare tip treaptă este o rampă liniară. Timpul de creştere se scrie: Se face un calcul asemănător cu cel pentru determinarea timpului parcurs de un mobil când se cunosc distanţa (aici Vo) şi viteza (aici SR).

22 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Efectul SR la semnal de intrare tip treaptă ti>tSR  to,AO=ti

23 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Efectul SR la semnal de intrare tip treaptă ti>tSR Dacă timpul de creştere a semnalului de intrare, ti, este mai mare decât timpul cel mai scurt posibil de variaţie a semnalului de ieşire al AO, tSR, atunci AO poate urmări în acelaşi interval de timp semnalul de intrare, adică semnalul de la ieşirea AO creşte (şi descreşte) în acelaşi interval de timp ca şi cel de intrare.

24 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Efectul SR la semnal de intrare tip treaptă ti<tSR

25 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Efectul SR la semnal de intrare tip treaptă ti<tSR  to,AO=tSR Dacă timpul de creştere a semnalului de intrare, ti, este mai mic decât timpul cel mai scurt posibil de variaţie a semnalului de ieşire al AO, tSR, atunci AO NU poate urmări în acelaşi interval de timp semnalul de intrare, adică semnalul de la ieşirea AO creşte (şi descreşte) într-un interval de timp limitat şi egal cu tSR.

26 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Efectul SR la semnal de intrare sinusoidal Efectul SR la semnal de intrare sinusoidal Se presupune un semnal de ieşire sinusoidal Derivata în raportul cu timpul, adică viteza de variaţie a semnalului de ieşire, se scrie: Pentru ca ieşirea AO să poată urmări variaţia semnalului sinusoidal de la intrare, trebuie ca parametrul SR al AO să fie mai mare sau cel puţin egal cu viteza maximă de variaţie a semnalului de ieşire.

27 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Efectul SR la semnal de intrare sinusoidal adică Considerând =2πfSR, unde fSR reprezintă frecvența limitată de SR, rezultă (la limită): Observaţie: pentru semnal sinusoidal

28 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Efectul SR la semnal de intrare sinusoidal De exemplu la AO de tipul 741, în funcție de amplitudinea semnalului de ieșire, fSR ia valorile: Observaţie: la o amplitudine a semnalului de ieşire de 10V, frecvenţa limitată de SR este mai mică decât frecvenţa superioară din banda de audio frecvență (fs=20kHz)! Uo [V] 0,1 1 10 fSR [kHz] 796 79,6 7,96

29 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Banda la putere maximă, FPB (Full-Power Bandwidth) FPB reprezintă frecvenţa maximă a semnalului de ieşire al AO, în condiţiile unui semnal alternativ la ieşire nedistorsionat de amplitudine maximă. Presupunând saturaţie simetrică, Vsat

30 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Banda la putere maximă, FPB (Full-Power Bandwidth) De exemplu la AO-741 alimentat cu ±15V şi Vsat=13V, rezultă: pentru frecvenţe mai mari de 6,1kHz, semnalul de ieşire se distorsionează (se triunghiularizează) şi îi scade amplitudinea.

31 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Banda la putere maximă, FPB (Full-Power Bandwidth) Răspunsul în timp pentru f=5kHz, THD=0,3%

32 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Banda la putere maximă, FPB (Full-Power Bandwidth) Răspunsul în timp pentru f=10kHz, THD=9,8%

33 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Banda la putere maximă, FPB (Full-Power Bandwidth) Răspunsul în timp pentru f=20kHz, THD=11,4%

34 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Banda la putere maximă, FPB (Full-Power Bandwidth) Lucrurile stau diferit în cazul AO de tipul TLV277x, alimentat la 5V, Vsat=5V (ieşire de tipul Rail-to-Rail): În acest caz, pentru frecvenţe mai mari de 159kHz, semnalul de ieşire se triunghiularizează şi îi scade amplitudinea.

35 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Legătura dintre banda liniară şi SR Pentru ca un circuit realizat cu AO să prelucreze fără distorsiuni un semnal sinusoidal, frecvența maximă a acestuia, fmax, trebuie să îndeplinească simultan inegalitățile: unde - fA este banda în buclă închisă, determinată pentru semnal mic la ieşire iar - fSR este frecvenţa limitată de SR

36 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Legătura dintre banda liniară şi SR Frecvenţa fA se determină cu relaţia: unde b este factorul de reacţie (determinat de parametrii circuitului) iar fu este frecvenţa la amplificare unitară (parametru de catalog al AO). Frecvenţa fSR se determină cu relaţia: unde SR este parametru de catalog al AO iar este amplitudinea semnalului de la ieşirea circuitului analizat.

37 Semnal dreptunghiular
9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Viteza de variație a semnalului de ieșire, SR Legătura dintre banda liniară şi SR legătura dintre banda liniară şi SR în cazul semnalului de intrare sinusoidal, respectiv dreptunghiular: Semnal sinusoidal Semnal dreptunghiular

38 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Timpul de stabilire, tS Timpul de stabilire, tS reprezintă timpul în care răspunsul la un semnal de intrare tip treaptă ajunge şi rămâne într-o bandă de eroare specificată, de obicei simetrică, în jurul valorii finale (V2). Banda de eroare se defineşte la ±2% sau ±5% din valoarea finală. Indicele „s” provine de la Settling Time

39 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Timpul de stabilire, tS Măsuri pentru obţinerea unui tS bun într-un circuit realizat cu AO: Selectarea componentelor (terminale scurte, utilizarea de rezistoare cu peliculă metalică) Cablaj imprimat realizat îngrijit (orientarea componentelor pentru reducerea capacităţilor parazite şi a inductanţelor conexiunilor, filtrarea tensiunilor de alimentare) Conexiune de masă tip stea

40 Timpul de stabilire, tS Conexiunea de masă tip stea 9/13/2019
EA - Cursul nr. 7 Timpul de stabilire, tS Conexiunea de masă tip stea

41 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Probleme P1. Un AO de tipul 741, alimentat cu ±15V, este conectat într-o configurație neinversoare având amplificarea A=10V/V. Dacă amplitudinea semnalului de intrare este de 0,5V, care este valoarea maximă a frecvenței semnalelor înainte să apară distorsiuni; Dacă f=10kHz, care este valoarea maximă a amplitudinii semnalului de intrare înainte ca la ieșire să apară distorsiuni; Dacă amplitudinea semnalului de intrare este de 40mV, care este domeniul util al frecvențelor de lucru; Dacă f=2kHz, care este domeniul util al amplitudinii semnalului de intrare.

42 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Probleme P1. Rezolvare a) Amplitudinea semnalului de ieșire este Pentru a vedea și influența circuitului asupra frecvenței maxime dar și limitarea de SR, se pune condiția Inegalitățile sunt satisfăcute pentru fmax=15,9kHz

43 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Probleme P1. Rezolvare b) Din relația frecvenței limitate de SR și având în vedere că 10kHz<100kHz=fA și se consideră fSR=f=10kHz și rezultă

44 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Probleme P1. Rezolvare c) Amplitudinea semnalului de ieșire fiind relativ mică (10x0,04V=0,4V), se determină fmax ca la punctul a). Se pune condiția: și inegalitățile sunt satisfăcute simultan dacă fmax<<100kHz

45 9/13/2019 EA - Cursul nr. 7 Probleme P1. Rezolvare d) La fel ca la punctul b), se determină amplitudinea semnalului de ieșire valoare care depășește cu mult pe cea maximă ce se poate obține la ieșirea AO alimentat cu 15V și anume Vsat=13V. În consecință, limitarea va fi determinată de saturarea ieșirii AO și nu de frecvența semnalului