ANALOGNA ELEKTRONIKAANALOGNA ELEKTRONIKA

Deveto predavanjeDeveto predavanjeVanr. prof. dr Abdulah Akamovi, dip.ing.el.

1

Operacioni pojaavaOperacioni pojaava

Harold S. Black 1928. patentira osnovni koncept povratne sprege1.

( )(1 )

e x yy Ae A x yy A Ax

y A

=

= =

+ =

Realiziranjem negativne povratne sprege dolazi do stabilizacije radne takepojaavaa na raun smanjenja pojaanja, proirenja frekventnog opsega,promjene ulazne i izlazne impedanse.

Iako je Black prvenstveno svoj koncept namijenio primjeni u telefoniji,narednih godina na bazi njegovog rada Nyquist i Bode daju generalnuteoriju povratnih sprega koja je i danas osnova teorije automatskogupravljanja.

2

1 , ,1y AA A Zx A

= = +

1 H.S.Black, Wave Translation System, US Patent 2.102.671 filed August 8, issued Decembar 21, 1937.2 Harry Nyquist, Regeneration Theory Bell System Technical Journal. Vol.11, No. 3.1932.3 Hendrick Bode, Netvork Analysis and Feedback Amplifier Design Van Nostrand, 1945.

Na bazi vakuumskih cijevi 1934. godine realizira se diferencijalno pojaalokoje omoguuje primjenu pojaala za pojaanje DC signala (istosmjernapojaala), te vrlo preciznih pojaala (instrumentaciona pojaala), tepojaanje malih signala u medicini (bioloka pojaala).

1 2

1 1

2 2

1 1 2 2 2 1

2 12 1

1 1

( ) ( )

( ) ( )

ul

g

g

izl s L s L L

izl L g g Lul ul

U U UI I

I I

U V I R V I R R I IU UU R I I R

Z Z

=

=

=

= =

= =

Diferencijalno pojaalo ima izrazit stepen potiskivanja zajednikog signalate znaajno pojaanje signala kada su isti u protufazi. Ta osobina jeomoguila jednostavno istiskivanje uma iz korisnog signala. Isto takodiferencijalno pojaalo ima vrlo velik ulazni otpor. Danas se sva OP radekao diferencijalna pojaala.

3

1 1

2 1( )ul ul

Lizl

ul

Z ZRU U UZ

=

U periodu 1930. 1945. na bazi vakuumskih cijevi realizirani su mnogisklopovi koji su koristili diferencijalno pojaalo sa povratnim spregama,realizirani su mnogi sistemi za simulaciju, poznati kao analogni raunar, teanalogni sistemi upravljanja.

Termin operacioni pojaava prvi upotrebljava John Ragazzini 1947. godine1.

U narednim godinama na bazi primjene OP dolazi do naglog razvojaanalognih raunara, odnosno elektronskih analognih raunara.analognih raunara, odnosno elektronskih analognih raunara.

4

1 John R. Ragazzini, Robert H. Randall and Frederick A. Russel, Analysis of Problems in Dynamics by Electronic Circuits, Proceedings of the IRE, vol. 35. 1947.

Otkriem tranzistora 1947. operaciona pojaala u narednim godinama,umjesto na bazi elektronskih cijevi, grade se na bazi tranzistora u diskretnojili hibridnoj tehnologiji.

5

Razvojem planarne tehnologije na siliciju dolazi do gradnje OP na jednomipu. Prvi takav krug A702 razvio je Robert J.(Bob) Widlar u FairchildSemiconductor Corporation 1962. godine.

1965. ista firna razvija A709 koji otklanja nedostatke A702 i definiekoncept gradnje OP koji je zadran i do danas.

6

Pojavljuju se drugi tipovi OP sa poboljanim karakteristikama to firmuFairchild Semiconductor Corporation tjera da popravi karakteristikeA709 tako da 1968. realiziraju A741. Kreiran je od strane DaveFullagara.

A741 postaje industrijski standard i danas ga u istoj ili poboljanoj izvedbiproizvode gotovo svi proizvoai IC.

7

8

Raspored izvoda IC OP741, napajanjeRaspored izvoda IC OP741, napajanjeNapajanje: 18, 22 bipolarno

0-36, 0-44 unipolarnoDisipacija: 500mWVlastita potronja: 80mWNaponsko pojaanje 200.000Ulazna impedansa: 2MIzlazna impedansa: 100 Frekventni opseg:

Diferencijalni pojaavaDiferencijalni pojaavaV

R R

T1 T2U1 U2

Uizl+-

10

Re

1 2 2 1 2 1 2 1

1 21 2

1 1

1 2

2 1 2 1 2 1

( ) ( ) ( ) ( )

,

2(1 )( )

( ) ( ) ( )2(1 )( ) 2

izl izl izl c c c c c c b b

b bul ul

ul ul e e

izle e e

U U U V I R V I R I R I R R I I R I IU U

I IZ Z

Z Z R rR RU U U U U k U UR r R

+ = = = = =

= =

= = + +

= =

+ +

Stabilizacija radne take diferencijalnog Stabilizacija radne take diferencijalnog polaavaapolaavaa

+V

R R

T1 T2U1 U2

Uizl+-

Pretpostavimo da je U1=U2 =U i da su im iznositakvi da je obezbjeeno voenje obatranzistora.

-V+1V

CMRR CMRR CommonCommon--Mode Reaction RejectMode Reaction Reject

2 1 2 1( ) ( )izlul

RU U U k U UZ

= =

Idealno OP potpuno potiskuje zajedniki signal iz ulaznih signala U1 i U2, odnosnopojaanje tog dijela signala bi trebalo da je 0. Isto tako razliku signala pojaava sapojaanjem iji je iznos jako velik. Realno to nije tako, da bi se odredio kvalitet OPdefinira se u kojoj mjeri se realno pojaalo razlikuje od idealnog preko parametraCMRR, koji se zove faktor potiskivanja zajednikog signala.

A+V

12

CMRR se najee daje u decibelima (dB):

,

,

u

CM

u

CM

ACMRRA

A pojacanje pojacala u otvorenomA pojacanje zajednickog signala

=

20log ,uCM

ACMRRA

=

-V

UCM

Strujno ogledaloStrujno ogledalo

Vr V

R1 Rx

T1 T2I

Rx

+V

13

1 2

1 1

11 1 1 1 1 1

1

12 2 1 2 1 1 1

1

1

0,2 1: 2 :

2 2 (2 )

2

beT beT

beT ceT

r beTcT bT bT bT bT

r beTcT bT bT bT bT

x

U UU U V T linearan rezim T linearan rezim

V UI I I I I I

RV U

I I I I I I I constR

I I

=

= >

= = + = + = +

= = = = = = =

+

=

Protutaktno pojaaloProtutaktno pojaalo

Ic

Uce-Uce

+V

T1

Uizl

-

Rp

R

14

-Ic

T2

-V

R

Protutaktno pojaalo sa Darlingtonovim Protutaktno pojaalo sa Darlingtonovim paromparom

+V

T1-

R

15

T2

Uizl

-V

Rp

R

Blok struktura OPBlok struktura OP

Diferencijalno pojaalo obezbjeuje veliki iznos ulazne impedanse,potiskivanje zajednikog signala, znaajno naponsko pojaanjediferencijalnog signala (oko 300).

Naponsko pojaalo (pojaanje 500-600) obezbjeuje potrebno naponskopojaanje (150000-200000).

Pojaalo snage obezbjeuje potrebno strujno pojaanje, mali izlazni otpor.

16

Detaljna elektronika struktura OP741Detaljna elektronika struktura OP741

17

Stabilizacija pojaanja Stabilizacija pojaanja invertirajui spojinvertirajui spoj

U1R1

R2

Uul

Uizl

( ) ( ) ( )

( )

1 2

( ) ( )

1 2

21

1 21

, 0

11 1(1 ) 1

izl

ul p

ul izl

U U U

U A AU

Z I

I IU U U U

R RR AA

R RR A

+

= =

= =

=

=

=

= =

+ + + +

18

1

2 1(1 ) 1 A

R A A R+ + + +

21

1 1

2

21

1

1

1 1

1lim1 1(1 )

Pr : 100000, 5, ?

4,999710% 5,

min ln ?' 0,9

1 ' 5' 54

A

RAR RR A A

Rimjer A ARAAko je dozvoljena promjena A i Akoliko je ima o A

AA

A

= = + +

= = =

=

=

=

+ +=

Uticaj negativne povratne sprege na Uticaj negativne povratne sprege na parametre OP: A, Zparametre OP: A, Zulul, Z, Zizlizl Sklop neinvertiranog pojaala Naponsko pojaanje

( ) ( )( )

(1 )

ul izl

izl ul izl

izl ul

U U U U

U A A U UU A AU

+ = =

= =

+ =

21

1(1 )izl ul ul

RU U AUR

= + =

U2

R1

R2

Uul

Uizl

U(+)

U(-)

19

11

1

1 2

1

1 1lim1 11

,

: 200000, 0,2; 4,9998

A

AAA

A AR

R RNa primjer A A

= = = = + + +

=

+

= = =

1

(1 )

1

izl ul

izl

ul

U A AUU AAU A

+ =

= =

+

Da bi rezultujue pojaanje A1 bilo neovisno odpojaanja pojaala A, nego samo da zavisi odvanjskih otpora, A mora biti jako veliko.

Neinvertirajue pojaalo Neinvertirajue pojaalo ulazna i izlazna ulazna i izlazna impedansaimpedansa

1 1

11

(1 )

(1 ) (1 )1 1

lim

ul ul ul izl ul ul ul

ul ul ulul ul

ul

ul ul

I Z U U U AU U AU Z Z

Z A A ZI A A A

Z ZZ

= = = =

= = = + = + +

= = =

U2

R1

R2

Uul

Uizl

U(+)

U(-) Zul

20

1 lim1 11 11 11 1

ul ulul A

Z ZZ

A A

= = =

+ +

ZizlA Iizl Iizl

( )'

2

1 1( ) 1

2 1 2 1

( ) ( ) ( )

1'

2

0

( ),

1 11

izlizlizl

izl

izl ulul izl izl

ul

izl izl izlizl

izl izl

U UA UI

Z RU R Z RU Z R U UR R Z R R

U U U

U Z ZZ

AI A ZR

+

+ + =

= = = =

+ +

= =

= =

++ +

U2

R1

R2

Uul

Uizl

U(+)

U(-)

Invertirajue pojaalo Invertirajue pojaalo A, ZA, Zulul, Z, Zulul

U1R1

R2

UulUizl

( ) ( ) ( )

izlU AU U U

+

=

= =

1 1

1 1

ul

izlizl

Z RZ

ZA

+

21

( )

1 2

( ) ( )

1 2

1 2

11 1 1

2 2 2

0

1,

1 1( 1) 1 (1 ) 1

pul

ul izl

izl izlul izl

izl

ul

UI

ZI IU U U U

R RU UU U

A AR RU A AA

R R RU A AA R A R R

=

=

=

+ =

= = =

+ + + + +