next up previous
Következõ : Frekvenciakarakterisztika kompenzálás | Tartalomjegyzék | Elõzõ : A mûveleti erõsítõk belsõ

Mûveleti erõsítõk a gyakorlatban

Elsõként azt nézzük meg, hogyan lehet általunk kívánt, tetszõleges feszültségerõsítésû rendszert készíteni mûveleti erõsítõvel. A 3.2.1. ábra a legkézenfekvõbb esetet mutatja: pozitív (fázist nem fordító) erõsítõt a negatív visszacsatolás iskolapéldájaként hozhatunk létre. Ha a kimenetet teljesen visszavezetjük a bemenetre, akkor az emitterkövetõhöz hasonló tulajdonságú rendszerhez jutunk.

\begin{displaymath}\beta = {R_1\over R_1+R_0}\qquad u_{ki}\simeq \left(1+{R_0\over
R_1}\right)u_{be} \qquad \qquad\qquad u_{ki}\simeq u_{be}\end{displaymath}


3.2.1. ábra


Negatív erõsítésû rendszert a 3.2.2. ábra szerinti elrendezésben kapunk. Az erõsítés - lényegében - csak a két ellenállás viszonyától függ, ahogy azt a magyarázó ábrákon nyomon követhetjük. A középsõ ábra a kapcsolás lényegét mutatja: az uv vezérlõfeszültséget a bemeneti és kimeneti feszültség együttesen szabják meg:

\begin{displaymath}u_v = u_{be}{R_0\over R_1+R_0} + u_{ki} {R_1\over R_1+R_0},\end{displaymath}


\begin{displaymath}u_{ki} = u_{be}{R_0\over (R_1+R_0)/A - R_1} \simeq -{R_0\over R_1}
u_{be}.\end{displaymath}

A két ellenállás találkozási pontját virtuális földpontnak nevezik, mivel ha az erõsítõ erõsítése nagy, akkor ezen a ponton szinte nincsen vezérlõjel.


3.2.2. ábra


A kapcsolás mûködését úgy is megérthetjük, hogy az ábra jobb oldalán mutatott megoldással az R0 ellenállást a Miller-effektusról tanultak értelmében a bemenettel párhuzamos ellenállássá transzformáljuk. Ezután számítjuk ki az immár triviális hálózat erõsítését:

\begin{displaymath}u_v = {R_0\over R_0+R_1(1+A)}u_{be}\qquad \longrightarrow \qquad u_{ki}\simeq
-{R_0\over R_1} u_{be}.\end{displaymath}

Az (ukiR1+ ube R0)=0 összefüggés az áramkör egykori kitalálóit a mechanikai nyomaték-egyenletekre emlékeztették, ezért az áramkört "hinta kapcsolásnak" is nevezik. Vegyük észre, hogy a pozitív erõsítésû rendszer bemeneti ellenállása a mûveleti erõsítõ bemeneti ellenállásával egyezik meg, tehát igen nagy is lehet. A negatív erõsítésû rendszer bemeneti ellenállása pedig lényegében R1 nagyságú. A 3.2.3. ábra-sorozaton számos, nagy gyakorlati értékû kapcsolást látunk. Az áramkörök mellett egyes esetekben feltüntettük az áramkörhöz tartozó legfontosabb összefüggéseket is.


3.2.3. ábra

A súlyozott összeadó feszültségforrások jelének tetszõleges, ellenállásokkal beállítható arányú összegezését végzi. Mûködése a virtuális földpont fogalmán alapul. A következõ ábra két feszültség különbségének elõállításához ad útmutatást. (A képleteket érdemes ellenõrizni.)


3.2.3b. ábra
Az áramgenerátor az R1 ellenálláson figyelt feszültség visszacsatolásán alapul.


3.2.3.c ábra
Az integráló és differenciáló kapcsolások lényegében a Miller-effektusként megismert jelenség alkalmazásai. INTEGRÁLÓ DIFFERENCIÁLÓ








\begin{displaymath}u_{ki} \simeq - {1\over RC} \int _0^t u_{be}dt \qquad \qquad \qquad \qquad
u_{ki} \simeq -RC {du_{be} \over dt}\end{displaymath}

3.2.3.d. ábra 3.2.3.e. ábra


Megértésükhöz a 3.2.3.f. ábrára utalunk. Itt a bemeneti feszültséget egy ellenállásból és egy kondenzátorból álló rendszerre vezetjük.


3.2.3.f ábra
Ha a kondenzátoron létrejövõ feszültség a bemeneti feszültséghez képest kicsi, akkor az ellenálláson a bemeneti feszültséggel arányos áram folyik át - ezt integrálja a kondenzátor. Ha viszont az ellenálláson a bemeneti feszültséghez képest kicsiny feszültség jön létre, akkor a körben folyó áram a bemeneti feszültség differenciálhányadosa lesz. A Miller-effektus jóvoltából elõálló nagyon nagy kondenzátor nyilván jól integrál, a nagyon kicsiny ellenállás pedig nem zavarja meg a differenciáló kapcsolás kondenzátorának áramát. Ne felejtsük el: egzakt matematikai értelemben egyik kapcsolás sem ad korrekt eredményt, a felírt összefüggések csak közelítõleg igazak, lényegében egy alul- illetve felüláteresztõ kapcsolás tulajdonságait vizsgáltuk. (Az integráló kapcsolásba a 3.2.3.d. ábrán berajzolt telep a kondenzátornak hivatott kezdõ-értéket adni. Amikor a kapcsolót nyitjuk, akkor kezdõdik az integrálás.)


3.2.3.g ábra
A logaritmáló kapcsolás lényege: a tranzisztor kollektorárama a bázis-emitter feszültségtõl exponenciálisan függ.


3.2.3.h ábra
Hasonlóképpen a dióda exponenciális karakterisztikáját használja ki az inverz logaritmust elõállító kapcsolás. EGYENIRÁNYÍTÓ ABSZOLUT ÉRTÉK KÉPZÕ


3.2.3.i ábra
3.2.3.j. ábra ??? Az egyenirányító (demoduláló) kapcsolás a különbözõ polaritású jelekhez különbözõ erõsítést rendel. Az egyik polaritásra az erõsítés közelítõleg egy, a másikra, mivel a dióda az erõsítõ bemenetét és kimenetét összeköti, zérus. Az abszolutérték-képzõ (kétoldalas egyenirányító) az eredeti jelnek, valamint az egyoldalasan egyenirányított jel kétszeresének különbségébõl áll elõ. NÉGYZETGYÖKVONÓ SÁVSZÛRÕ

3.2.3.k. ábra 3.2.3.l. ábra A négyzetgyökvonó áramkör alapja az az általános érvényû felismerés, hogy a visszacsatoló ágban található elem karakterisztikájának inverzét kaphatjuk meg a kapcsolás bemenete és kimenete között. Az ábrán a szorzó áramkör a kimeneti feszültség négyzetével arányos jelet állít elõ, kis eltéréssel ez megegyezik a bemeneti jellel. A mûveleti erõsítõn alapuló szûrõ (ún. aktív szûrõ) csak példaképpen szerepel itt, részleteit nem vizsgáljuk, de megjegyezzük, hogy ez is igen fontos alkalmazási területet jelent. A fentiek alapján nyilvánvaló, hogy áramkör-készletünkkel feszültségekkel, illetve feszültség-idõ függvényekkel igen változatos müveleteket tudunk végezni. Valamikor ennek alapján ún. analóg számítógépeket is építettek. A 3.2.4. ábra olyan elrendezést mutat, amely egy differenciálegyenlet megoldását szolgáltatja kimeneti feszültségként.


3.2.4. ábra
Ha feltesszük, hogy a C ponton v(t) feszültség jön létre, akkor a B és A pontokon kapható jeleket könnyen felírhatjuk:

\begin{displaymath}{\rm B:} \qquad -RC{dv\over dt} \qquad \qquad \qquad {\rm A:}\qquad
(RC)^2 {d^2v\over dt^2}\end{displaymath}

v1 figyelembe vételével egyszerûen kiadódik a D ponton megjelenõ jel is:
\begin{displaymath}-{R\over R_2} v - {R\over R_1}RC{dv\over dt} + v_1 = (RC)^2 {d^2v\over
dt^2}\end{displaymath}

Ha a D és A pontokat összekötjük - mint ahogy a valóságos kapcsolásban össze is vannak kötve, akkor a két feszültség azonosságát biztosítottuk. Az áramkör a felírt differenciálegyenletet realizálja, vagyis a C ponton megkapjuk a v1 kényszerfüggvény hatására kialakuló v(t) idõfüggvényt. (Ugyanúgy, mintha egy súly-rugó-súrlódás rendszert mozgatnánk valami kényszererõvel és az út-idõ üsszefüggést keresnénk ennek függvényében.) A rendszer mûködéséhez az kell, hogy a t= 0 idõpontban az S1 és S2 kapcsolókat nyissuk, amivel a megoldás kezdeti feltételeit állítjuk be, S3-at pedig zárjuk. Az analóg számítógépek egykori jelentõs&égét digitális társaik elképesztõ fejlõdése alaposan megtépázta. Záró példának tekintsük a 3.2.5. ábrát. Ez az ábrasor egy nagyon fontos alkalmazás "történetét" mondja el több felvonásban. Tegyük fel, hogy van valamely egyenfeszültségünk, amelynek értéke nem állandó, hanem kisebb nagyobb mértékben változik. Ilyet kapunk például a hálózati feszültség egyenirányítása, és szûrése után. Ha ebbõl az $U_\Delta$ feszültségbõl akarunk pl. tranzisztoros áramköreink részére stabil tápfeszültséget nyerni, akkor a triviális megoldás az ábra szerinti emitterkövetõ alkalmazása: a kimenõ feszültség értéke kb. U0 lesz. A telepet természetesen helyettesíthetjük Zener-diódával - ez már kényelmesebb áramkör. Ha az áramkört lényegi módosítás nélkül átrajzoljuk, akkor jobban látszik, miért nevezik ebben a kapcsolásban a tranzisztort áteresztõ tranzisztornak: ez ereszti a szabályozatlan feszültséget szabályozott formában a terhelésre. Tudjuk, hogy az emitterkövetõ lényegében egy negatívan visszacsatolt rendszer.


3.2.5. ábra
A negatív visszacsatolás hangsúlyozottabb formáját látjuk a következõ ábrán: a kimenõ feszültséget a referenciafeszültség (UZ) és a kimeneti feszültség leosztott különbsége szabályozza. Ez a kapcsolás nagyon hasznos, gyakran használják. A kimeneti feszültséggel arányos negatív visszacsatolás miatt értelemszerûen igen kicsi a kimeneti ellenállása. (Eddigi terminológiánk szerint ennek az áramkörnek a bemenõ jele a Zener-dióda feszültsége, $U_\Delta$ pedig a visszacsatolt rendszer zavarjele.) Ilyen stabilizáló kapcsolásokat ma már szinte mindig integrált áramkörös kivitelben használnak. A legtöbb kapcsolás el van látva ún. rövidzár-védelemmel is. Ha ugyanis a kimenetet rövidrezárjuk, az áteresztõ tranzisztorra igen nagy teljesítmény jut, aminek hatására tönkremegy. Ha a kimeneti áram egy meghatározott értékénél újabb visszacsatolást hozunk létre, mely a kimenõfeszültséget drasztikusan csökkenti, akkor az áramkör a nem éppen ritka tápfeszültség zárlatokat is túléli.


next up previous
Következõ : Frekvenciakarakterisztika kompenzálás | Tartalomjegyzék | Elõzõ : A mûveleti erõsítõk belsõ


1999-09-23