Wzmacniacze operacyjne i przetworniki pomiarowe
Zdzisław Nawrodzki
rok wydania: 2008
stron: 506
oprawa: miękka
format: B5
wydawnictwo: Politechnika Wrocławska
W książce omówiono właściwości wzmacniaczy operacyjnych bipolarnych, BiFET, CMOS, BiMOS i podano najważniejsze informacje z zakresu projektowania liniowych i nieliniowych przetworników pomiarowych. Scharakteryzowano także wzmacniacze: pomiarowe, z nadążną minimalizacją wejściowego napięcia niezrównoważenia, z barierą izolacyjną, transkonduktancyjne i transimpedancyjne. Przedstawiono metodykę wyznaczania błędów przetworników przetwarzających sygnały statyczne i dynamiczne. Rozważono wpływ współczynnika CMRR na błąd przetwarzania dla różnych konfiguracji wzmacniaczy. W budżecie błędów uwzględniono składowe błędów spowodowane przez: wejściowe napięcie niezrównoważenia, współczynniki CMRR i SVRR, szumy i skończone wzmocnienie wzmacniacza oraz niestałość rezystancji rezystorów ujemnego sprzężenia zwrotnego. Błędy przetwarzania wzmacniaczy wyrażono także w skali logarytmicznej w bitach, ułatwiającej porównanie parametrów wzmacniaczy z parametrami przetworników A/C i C/A. W części "Układy nieliniowe" omówiono układy funkcyjne realizujące operacje mnożenia, dzielenia, pierwiastkowania i potęgowania. Przeanalizowano właściwości metrologiczne przetworników wartości maksymalnej, średniej i skutecznej opisanej funkcjami jawną i uwikłaną. Podano zasady aproksymacji i linearyzacji funkcji nieliniowych. Zawarto dużo informacji praktycznych, przydatnych przy projektowaniu i użytkowaniu układów analogowych, popartych bogatą podbudową teoretyczną. Opracowanie zilustrowano licznymi przykładami obliczeniowymi ułatwiającymi samodzielne rozwiązywanie problemów.
Książka jest przeznaczona dla studentów kierunków związanych z elektroniką, elektrotechniką oraz dla inżynierów i techników elektroników i elektryków specjalizujących się w dziedzinie przetwarzania sygnałów analogowych.
SPIS TREŚCI:
Przedmowa 9
Oznaczenia napięć i prądów 11
I. UKŁADY LINIOWE 13
1. Wprowadzenie 15
1.1. Ogólna charakterystyka wzmacniaczy operacyjnych 16
1.2. Definicje parametrów wzmacniaczy operacyjnych 17
1.3. Podstawowe układy ze wzmacniaczami operacyjnymi 22
1.3.1. Wzmacniacz odwracający 23
1.3.2. Wzmacniacz nieodwracający 27
1.3.3. Wtórnik napięcia 29
2. Właściwości układów wzmacniających ze wzmacniaczami operacyjnymi 30
2.1. Wejściowe napięcie i prąd niezrównoważenia wzmacniaczy operacyjnych 31
2.2. Określenie wpływu wejściowego napięcia niezrównoważenia i prądów polaryzacji na napięcie wyjściowe wzmacniacza 35
3. Zerowanie układów ze wzmacniaczami operacyjnymi 43
4. Właściwości wzmacniaczy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym 57
4.1. Schematy blokowe wzmacniaczy 57
4.1.1. Wzmacniacz odwracający 57
4.1.2. Wzmacniacz nieodwracający 59
4.2. Wpływ skończonej wartości wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego na błąd przetwarzania 60
4.3. Wpływ zmian wzmocnienia wzmacniaczy operacyjnych i parametrów obwodu sprzężenia zwrotnego na błąd przetwarzania 61
4.3.1. Wzmacniacz odwracający 61
4.3.2. Wzmacniacz nieodwracający 61
4.4. Rezystancja wejściowa wzmacniaczy 63
4.4.1. Wzmacniacz odwracający 63
4.4.2. Wzmacniacz nieodwracający 66
4.5. Rezystancja wyjściowa wzmacniaczy 68
4.5.1. Wzmacniacz odwracający 68
4.5.2. Wzmacniacz nieodwracający 69
5. Charakterystyki amplitudowe i fazowe wzmacniaczy 72
5.1. Charakterystyki logarytmiczne - aproksymacje Bodego 73
5.2. Odwrotne charakterystyki transmitancji obwodu ujemnego sprzężenia zwrotnego 76
6. Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniaczy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym 83
6.1. Wzmacniacz opisany równaniem różniczkowym pierwszego rzędu z rezystancyjnym sprzężenie zwrotnym 83
6.2. Wzmacniacz opisany równaniem różniczkowym drugiego rzędu z rezystancyjnym sprzężeniem zwrotnym 85
6.3. Wzmacniacz i obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego opisane równaniami różniczkowymi pierwszego rzędu 97
6.4. Praktyczny sposób wykreślania charakterystyk amplitudowych ze szczytem rezonansowym 103
6.5. Właściwości wzmacniaczy w dziedzinie czasu 107
6.6. Podsumowanie 110
7. Właściwości wzmacniaczy pracujących w liniowym i nieliniowym obszarze charakterystyk 112
7.1. Właściwości częstotliwościowe wzmacniaczy pracujących w liniowym obszarze charakterystyk 113
7.2. Właściwości częstotliwościowe wzmacniaczy pracujących w nieliniowym obszarze charakterystyk 116
7.3. Podsumowanie 130
8. Kształtowanie właściwości częstotliwościowych wzmacniaczy 132
8.1. Korekcja transmitancji sprzężenia zwrotnego 133
8.2. Korekcja charakterystyki częstotliwościowej przez zmianę impedancji wejściowej wzmacniacza 134
8.3. Minimalizacja wpływu pojemności wejściowej wzmacniacza operacyjnego na charakterystykę częstotliwościową 136
8.4. Minimalizacja wpływu pojemności obciążenia wzmacniacza 138
8.4.1. Wtórnik napięcia 138
8.4.2. Wzmacniacz odwracający 142
9. Kształtowanie charakterystyk częstotliwościowych wzmacniaczy operacyjnych 148
9.1. Korekcja biegunem dominującym 149
9.1.1. Wzmacniacz operacyjny bez wyprowadzonych końcówek obwodów korekcyjnych 149
9.1.2. Wzmacniacz operacyjny z wyprowadzonymi końcówkami do układów korekcyjnych 150
9.2. Korekcja biegunem i zerem 152
9.2.1. Wzmacniacz operacyjny bez wyprowadzonych końcówek obwodów korekcyjnych 152
9.2.2. Wzmacniacz operacyjny z wyprowadzonymi końcówkami do układów korekcyjnych 155
9.3. Korekcja charakterystyki częstotliwościowej w układzie równoległym 163
10. Współczynnik tłumienia napięć współbieżnych 167
10.1. Współczynnik tłumienia napięcia współbieżnego CMRR wzmacniacza operacyjnego 168
10.2. Współczynnik tłumienia napięcia współbieżnego CMRRwo podstawowych układów wzmacniających 170
10.2.1. Wzmacniacz różnicowy 170
10.2.2. Wzmacniacz nieodwracąjący 173
10.2.3. Wtórnik napięcia 176
10.2.4. Wzmacniacz odwracający 179
10.3. Współczynnik tłumienia napięcia współbieżnego CMRRδR spowodowany tolerancją rezystorów 181
10.4. Współczynnik tłumienia napięcia współbieżnego CMRRz wzmacniacza różnicowego spowodowany skończoną rezystancją wewnętrzną napięć źródłowych e1, e2 183
10.5. Współczynnik tłumienia napięcia współbieżnego CMRRu zależny od struktury wzmacniacza 186
10.6. Współczynnik tłumienia napięcia współbieżnego CMRRc zależny od parametrów przewodów łączących źródła sygnałów ze wzmacniaczem 192
10.7. Wypadkowy współczynnik tłumienia składowej współbieżnej CMRRwy wzmacniacza 194
10.8. Wypadkowy współczynnik tłumienia składowej współbieżnej CMRRwy łańcucha wzmacniaczy 196
10.8.1. Wypadkowy współczynnik tłumienia składowej współbieżnej wzmacniacza złożonego ze wzmacniaczy różnicowych 196
10.8.2. Wypadkowy współczynnik tłumienia składowej współbieżnej wzmacniacza złożonego ze wzmacniaczy odwracających i nieodwracających 204
10.9. Pomiary współczynnika tłumienia napięcia współbieżnego CMRR wzmacniacza operacyjnego 206
11. Współczynnik tłumienia wpływu zmian napięcia zasilania SVRR 214
12. Wzmacniacze różnicowe 217
12.1. Podstawowy wzmacniacz różnicowy 217
12.2. Wzmacniacz różnicowy utworzony ze wzmacniaczy odwracających 221
12.3. Wzmacniacz różnicowy utworzony ze wzmacniaczy nieodwracających 222
13. Wzmacniacze pomiarowe 226
13.1. Podstawowy wzmacniacz różnicowy z wtórnikami napięć 226
13.2. Wzmacniacze pomiarowe ze źródłami prądów 228
13.3. Podsumowanie 237
14. Sumator 237
15. Układy całkujące i różniczkujące 244
15.1. Zasada działania układów całkujących 244
15.2. Błędy układu całkującego 245
15.2.1. Wyjściowe napięcie niezrównoważenia i dryft układu całkującego 246
15.2.2. Błędy układu całkującego spowodowane skończonymi wartościami wzmocnienia, impedancji wejściowej i pasma przenoszenia wzmacniacza operacyjnego 248
15.3. Układ proporcjonalno-całkujący 254
15.4. Układ całkujący sygnał prądowy 256
15.5. Układ całkujący napięcie przemienne 257
15.6. Układy różniczkujące 261
15.7. Zasada działania układów różniczkujących 261
15.8. Błędy układów różniczkujących 263
15.8.1. Wyjściowe napięcie niezrównoważenia i dryft układu różniczkującego 263
15.8.2. Błąd układu różniczkującego spowodowany skończoną szerokością pasma przenoszenia wzmacniacza operacyjnego 264
15.9. Praktyczne układy różniczkujące 265
15.10. Podsumowanie 270
16. Rozwiązania układowe wzmacniaczy specjalizowanych 272
16.1. Wzmacniacze z nadążną minimalizacją wejściowego napięcia niezrównoważenia 272
16.2. Wzmacniacze z barierą izolacyjną 275
16.3. Wzmacniacze transkonduktancyjne 281
16.4. Wzmacniacze transimpedancyjne 283
16.5. Wzmacniacze rail-to-rail 287
17. Wzmacniacze operacyjne zasilane z jednego źródła napięcia 295
18. Szumy w układach liniowych 304
18.1. Podział szumów 305
18.2. Szumy elementów układów elektronicznych 308
18.2.1. Szumy elementów pasywnych 308
18.2.2. Szumy elementów aktywnych 309
18.3. Szumy przetworników 311
18.4. Wartości skuteczne napięć źródeł szumów o składowych różowej, białej i o wielkich częstotliwościach 317
18.5. Wyznaczanie zastępczego źródła szumów cząstkowych 319
18.5.1. Analityczne wyznaczanie zastępczego źródła szumów 320
18.5.2. Graficzno-analityczne wyznaczanie zastępczego źródła szumów 321
18.6. Związek między wartością międzyszczytową a skuteczną szumów 326
18.7. Współczynnik szumów 330
18.7.1. Współczynnik szumów wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego 331
18.8. Współczynnik szumów w układach ze sprzężeniem zwrotnym 335
18.9. Współczynnik szumów wzmacniaczy wielostopniowych 339
19. Zakłócenia w układach ze sprzężeniem zwrotnym 344
20. Błędy dynamiczne wzmacniaczy 345
21. Ocena błędu przetwarzania wzmacniaczy i torów pomiarowych 350
21.1. Błędy przetwarzania wzmacniaczy operacyjnych wyrażone w mierze logarytmicznej 350
21.1.1. Liczba bitów jako miara błędów przetwarzania 350
21.1.2. Błędy przetwarzania wzmacniacza opisanego równaniem różniczkowym pierwszego rzędu z rezystancyjnym sprzężeniem zwrotnym wyrażone w bitach 351
21.2. Błędy przetwarzania torów pomiarowych 357
22. Technologie wytwarzania i właściwości wzmacniaczy operacyjnych 368
22.1. Wzmacniacze operacyjne bipolarne 368
22.2. Wzmacniacze operacyjne BiFET 369
22.3. Wzmacniacze operacyjne CMOS 371
22.4. Wzmacniacze operacyjne BiCMOS 372
23. Minimalizacja wejściowego napięcia niezrównoważenia i korekcja parametrów analogowych układów scalonych 377
II. UKŁADY NIELINIOWE 383
24. Wprowadzenie 385
25. Funkcje odwrotne 386
26. Funkcje uwikłane 388
27. Układy logarytmujące i wykładnicze 392
27.1. Zasada działania 392
27.2. Błędy spowodowane przez elementy układów 397
27.3. Realizacja układu logarytmującego 402
27.4. Realizacja układu opisanego funkcją wykładniczą 404
28. Układy mnożąco-dzielące 406
29. Wielofunkcyjny analogowy przetwornik operacyjny 410
30. Układy mnożące ze sterowanym podziałem prądów 414
30.1. Zasada działania układów mnożących ze sterowanym podziałem prądów 414
30.2. Stosowanie układów mnożących ze sterowanym podziałem prądów 419
31. Układy mnożące z modulacją szerokości i amplitudy impulsów 427
32. Błędy operacji mnożenia i dzielenia sygnałów 432
32.1. Błędy statyczne układu mnożącego 432
32.2. Błędy statyczne układu dzielącego 434
33. Realizacja układów dzielących 436
33.1. Układ dzielący utworzony z układu mnożąco-dzielącego 436
33.2. Układ dzielący utworzony z układu mnożącego i wtórnika napięcia 437
33.3. Układ dzielący utworzony z układu mnożącego i wzmacniacza odwracającego 439
34. Realizacja układów podnoszących do kwadratu 442
34.1. Układ podnoszący do kwadratu utworzony z układu mnożąco-dzielącego 442
34.2. Układ podnoszący do kwadratu utworzony z wielofunkcyjnego układu operacyjnego 443
35. Realizacja układów pierwiastkujących 448
35.1. Układ pierwiastkujący utworzony z układu mnożącego i wzmacniacza operacyjnego 448
35.2. Układ pierwiastkujący utworzony z układu mnożąco-dzielącego 450
35.3. Układ pierwiastkujący utworzony z wielofunkcyjnego układu operacyjnego 451
36. Przetworniki napięcia wartości maksymalnej, średniej i skutecznej 455
36.1. Przetworniki wartości maksymalnej 456
36.2. Przetwornik wartości średniej 461
36.3. Przetworniki wartości skutecznej 465
36.3.1. Przetwornik wartości skutecznej opisany funkcją jawną 465
36.3.2. Przetwornik wartości skutecznej opisany funkcją uwikłaną 467
37. Aproksymacja funkcji nieliniowych 471
37.1. Aproksymacja linią ciągłą 472
37.2. Aproksymacja odcinkami 476
38. Linearyzacja 481
38.1. Linearyzacja przez zmianę konfiguracji mostka 481
38.2. Linearyzacja za pomocą układu mnożącego i sumatora 482
38.3. Linearyzacja za pomocą układu mnożąco-dzielącego i sumatora 483
38.4. Linearyzacja mostka przez zmianę napięcia zasilania 485
38.5. Linearyzacja półmostka przez zmianę prądu zasilania 486
38.6. Podsumowanie 488
39. Układy zamiany współrzędnych 489
39.1. Zamiana współrzędnych prostokątnych na współrzędne biegunowe 489
39.2. Zamiana współrzędnych biegunowych na współrzędne prostokątne 491
40. Wybór współczynników skali 494
41. Zalecenia konstrukcyjne 499
41.1. Zasilanie układów elektronicznych 500
41.2. Układy odsprzęgające obwody zasilania 502
41.3. Ekrany ekwipotencjalne 504
41.4. Ekrany elektromagnetyczne 505
Literatura uzupełniająca 506
