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電路保護系統的組成部分(一)

電路保護系統的組成部分(一)

最簡單的電路保護是在電路中故意添加「弱鏈接」。 發生故障時,無論是高溫、過大電流還是導體短路,該鏈路都會斷開,從而保護了部分電路免受損壞。

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一般普遍的保護系統組件是

繼電器 (Relays)

斷路器(Circuit Breakers)

跳閘及其他輔助用品(Tripping and Other Auxiliary Supplies)

電流互感器(Current Transformer (CT))

電壓互感器(Voltage Transformers (VT))

線性耦合器(Linear Coupler)

繼電器

保護型繼電器的主要功能是在異常情況發生時,通過控制斷路器,以最少的中斷隔離故障區域。因此,繼電器可以被設計為檢測和測量異常狀況並閉合跳閘電路中的觸點。

以下兩種繼電器最常用於保護繼電器:

  • 次級間接作用繼電器:包括幾乎所有繼電器的一組,例如電流、電壓、功率、阻抗、電抗和頻率,無論是最小還是最大。
  • 次級直動作用繼電器:一組設計為瞬時或有時間延遲的過電流和欠電壓繼電器。 這些主要是電磁類型的繼電器,內置在斷路器操作結構中。

斷路器

在所有電源電路中均安裝了各種類型的斷路器,以在正常負載條件下將其斷開和閉合。斷路器必須與標稱電流電壓額定值以及MVA的分斷能力相對應,以適應合併負載的電路給定點的負載和故障功率條件。為了將故障與電源系統隔離,需要一個或多個斷路器以及保護裝置。

斷路器可以手動或自動操作。為了便於我們的考慮,我們將假定它是由保護繼電器控制的,因此當需要斷開(跳閘)時,會向跳閘線圈通電,這會釋放存儲在機體中的能量,從而使主觸點斷開。繼電器通常直接或通過輔助繼電器閉合其觸點,以通過電池閉合跳閘線圈電路,從而為跳閘線圈通電。當跳閘一個以上的斷路器或跳閘線圈電流超過繼電器觸點額定值時,必須使用觸點額定值合適的輔助繼電器。

在閉合具有高電感性的跳閘線圈電路時,繼電器觸點上的負載並不是那麼嚴重。 但是當斷開跳閘線圈電流時,會對這些觸點造成相當大的損害。為了克服該困難,由斷路器的機械連桿結構操作的輔助開關與跳閘線圈和繼電器觸點串聯連接。 當斷路器觸點斷開時,此輔助開關斷開。但是,此動作發生在繼電器的觸點斷開之前。 樣可以確保任何電感電壓僅出現在輔助觸點兩端,而不出現在繼電器觸點兩端。從而避免了後者燃燒的可能性。

斷路器的工作時間實際上取決於其設計,通常在0.05到0.25s之間。在計算最終故障清除時間時必須考慮到這一點。

下一章

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運算放大器 OP-Amp (七)

運算放大器 OP-Amp (七)

帶寬是它可以響應信號的微小變化的最大速率。 兩者共同確定步進響應的總建立時間。 一些應用程序對帶寬的要求更為嚴格,並且對轉換速率的要求不是太嚴格-在啟動期間唯一可以方便使用轉換速率的實際情況就是這種情況。

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壓擺率

現在,假設您的小信號變得非常大。例如,不是1–2mV,而是2V。

現在,運算放大器感到困惑。它旨在處理小信號並在其帶寬內舒適地運行。現在我們處於大信號區域。

當然,運算放大器將「飽和」,即是其差分對之一將具有全部電流,另一個將具有「零」。

這是我們稱為用於將2V信號「傳輸」到下一級的「尾電流(tail current)」。

在這種狀態下立即更改任何電壓都是不可能的,因為它需要無限的電流才能為系統「固有」的電容充電。在我們的例子中,我們使用電容進行補償,它們可以高達10pF左右。而且我們也沒有無限的電流。

這會導致轉換速率增加!

這種大信號變化的原因是什麼? 這是因為當系統中的電源打開或來自上一級的輸入進行電源循環或切換時。在這種情況下,我們需要進行大信號分析。

讓我們再談談壓擺率的公式。

當運算放大器處於大信號模式時,運算放大器的所有偏置都會完全飽和,這就是為什麼我們需要回到庫侖定律,原因是 

 

因此

 

這是教科書中壓擺率的公式。

示例:對於TIOPA333AIDBVT,轉換速率為160mV / us,即運算放大器需要1us的輸出才能將輸出提高160mV。

帶寬還是轉換速率?

好吧,它們一起工作… 2V信號將處於「壓擺限制」狀態,直到差分對的一側被耗盡,然後一旦電流開始在被耗盡的差分側建立,它就進入「帶寬」區域……建立時間 =轉換時間+ 帶寬響應時間。

轉換速率是運算放大器可以響應輸入信號的大變化的最大速率。

帶寬是它可以響應信號的微小變化的最大速率。 兩者共同確定步進響應的總建立時間。 一些應用程序對帶寬的要求更為嚴格,並且對轉換速率的要求不是太嚴格-在啟動期間唯一可以方便使用轉換速率的實際情況就是這種情況。

但是,某些應用(例如,電動機驅動器)需要運算放大器完全打開或關閉,而此時的擺率要求更加嚴格。 歸結為將電氣信息從一個階段傳輸到另一個階段。

零件選擇

我們受到這樣做所需要的電流量的限制,這會產生壓擺率。在大信號區域中,其壓擺率;在小信號區域中,其帶寬。 對於快速運算放大器,我們可能需要高帶寬和高壓擺率。 器件選擇:高壓擺率運算放大器:ADIAD8476系列,壓擺率高於10V / us。 高帶寬運算放大器:RenesasEL5375系列,適用於100MHz以上的帶寬。

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16-bit 微控制器(一)

16-bit 微控制器(一)

介紹16-bit微控制器,在物聯網應用的最佳選擇,利用8096了解微控制器的操作。由於8096的外置記憶體可以按字節(bytes)或字(words)尋址,因此解碼受兩個信號控制,分別總線高電平使能(BHE)和地址數據線0(AD0)。

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16bit-MCU較長的電池壽命對於消費類設備用戶十分重要,例如物聯網(IoT)產品應用。由於這些設備中使用的微控制器是其中一個功率消耗點,我們永遠在決定使用8-bit,16-bit,或32-bit時考慮很多。

儘管8位微控制器功能越來越強大,但是它們的性能在處理能力和可尋址內存方面仍然受到固有的限制,這消除了在高性能應用中使用8-bit。另一方面,基於32-bit內核的系統通常對於應用程序而言過「強大」,尤其是當它們消耗的功率超過了必要時。

這只是其中一個例子,但足夠說明就算是現今半導體技術不斷進步,事實證明16位微控制器在電子工業中仍然是十分重要。所以我們構想在這開始講解16位微控制器。

8096記憶體空間

8096記憶體空間上的可定址記憶體空間(addressable memory space)由64 K字節組成,用戶可將其中大部分用於程序或數據記憶。具有特殊用途的位置為0000H至00FFH和1FFEH至2080H。所有其他位置均可用於程序或數據存儲,或用於記憶體對映(memory mapped)的外部裝置。 記憶體圖如圖一所示。

8096-memory-map
圖一 8096記憶體圖

保留的記憶體空間

位置1FFEH和1FFFH分別保留用於端口3和4。 如果系統中使用了外置記憶體,則可以輕鬆地重建這些端口。 如果不打算重建端口3和4,則可以將這些位置視為任何其他外設記憶體位置。

9個中斷向量(interrupt vector)存儲在2000H至2011H的位置。英特爾(INTEL)開發系統使用第9個向量。內部位置2012H至207FH保留用於英特爾的工廠測試代碼。為了確保與將來零件的兼容性,外部位置2012H至207FH必須包含十六進制值FFH。

重置8096記憶體空間會導致從位置2080H開始讀取指令。選擇該位置是為了允許系統與寄存器文件(register file)連續擁有多達8K的RAM。

系統總線

外置記憶體通過線AD0至AD15尋址,該線形成16位多路復用(muliplexed)(地址/數據)數據總線。這些線與I / O端口3和4共享引腳。外部鎖存器(external latch)(74LS373)用於在地址鎖存使能(ALE)信號的下降沿對總線進行多路分解。為了避免在解釋記憶體系統時造成混淆,合理的做法是為解復用後的地址/數據信號命名。「地址信號(address signals)」將稱為MA0至MA15(記憶體地址),「數據信號(data signals)」將稱為MD0至MD15(記憶體數據)。

8096-WRITE-HIGH-LOW
圖二 WRITE HIGH / WRITE LOW 的形成

由於8096的外置記憶體可以按字節(bytes)或字(words)尋址,因此解碼受兩個信號控制,分別總線高電平使能(BHE)和地址數據線0(AD0)。BHE線必須鎖止,如圖二所示。 當BHE有效(低)時,應選擇連接到數據總線高字節的記憶體。當MA0為低電平時,應選擇連接到數據總線低字節的記憶體。如下表一所示,可以訪問16位寬的記憶體。

8096-MA0-BHE
表一 8096 MA0 / BHE 線

當記憶塊僅用於讀取時,BHE和MA0無需解碼。

圖三顯示了記憶體的讀/寫週期。 當外部記憶體開始獲取開始時,地址鎖存使能(ALE)線變為高電平,該地址置於AD0 -AD15上,並且BITE設置為所需狀態ALE然後變為低電平,該地址從引腳上取下,並且RD (讀取)信號變低。可以將READY線拉低,以使處理器在此狀態下保持幾個額外的狀態時間。READY線通常用於將處理器保持在上述狀態,以便允許訪問慢速記憶體或用於DMA。

8096-MEMORY-READ-WRITE

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運算放大器 OP-Amp (六)

運算放大器 OP-Amp (六)

運算放大器是在具有「直流偏置」下設計出來。因此,我們基本上是在消耗靜態功率,以使其「準備就緒」接受小信號或較小幅度的信號。當使用「傅立葉變換分解」時,這些頻率可以為您提供從小到大的非常不同的頻率總和。

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運算放大器的「-3dB」

「-3dB點」是指定運算放大器帶寬的另一種方法。它對應於運算放大器的頻率響應中增益開始衰減的點,亦是我們所稱謂運算放大器「高速」與否。例如Texas Instruments ONET8501PB,它帶寬可達到9GHz,所以我們一般會形容這類是「高速」運算放大器。

onet8501pb
圖一 TI ONET8501PB -3dB

高速運算放大器用於儀器儀表、電訊、實驗室和醫療系統中的高性能數據採集系統。 這類型的「高速」運算放大器產品系列的速度範圍是從50MHz到GHz。

其實,運算放大器上的「速度」是指轉換速率(slew rate)還是帶寬(bandwidth)?

這是一個有趣的問題。

運算放大器的重要特徵是其速度。理想情況下,運算放大器在所有頻率下均具有「無限快的無限增益( infinitely fast with infinite gain)」功能,但實際上它們的速度是有限的。

這裡有兩個重要的概念與運算放大器的速度有關—「帶寬」和「壓擺率」。這兩個概念分別解釋不難理解,但加在一起就是另一回事,尤其是它們如何相互聯繫。

或者我們嘗試去了解,是什麼原因導致運算放大器具有有限的速度呢?發生這種情況是因為現實生活中的運算放大器受到節點上有限阻抗的限制。節點處的阻抗取決於節點處的電阻和電容。 隨著頻率的增加,電容的表演如「短路」,從而導致較低的阻抗並因此導致較低的增益。

最終,信號開始「衰減」了。正是這一點限制了運算放大器的工作速度。圖二顯示了運算放大器在方波信號的反應變化。在這裡,便清楚表達「壓擺率」和「帶寬」在這變化中擔任的角色。

opamp-sqwave
圖二 運算放大器在方波信號的反應變化

帶寬

運算放大器是在具有「直流偏置」下設計出來。因此,我們基本上是在消耗靜態功率,以使其「準備就緒」接受小信號或較小幅度的信號。當使用「傅立葉變換分解(Fourier Transform)」時,這些頻率可以為您提供從小到大的非常不同的頻率總和。這就是「小信號」的範圍,即是帶寬。帶寬越高,運算放大器就能夠放大更高頻率的信號,因此具有更高的速度。

從電氣上來說,信號增益為1 /√2或理想值的0.707的頻率是運算放大器的帶寬。這是運算放大器可以按預期行為工作的最大頻率。

從電氣上來說,信號增益為1 /√2或理想值的0.707的頻率是運算放大器的帶寬。這是運算放大器可以按預期行為工作的最大頻率。

例如,TI的OPA333AIDBVT,增益帶寬乘積為350kHz,即閉環增益為1時,帶寬為350kHz。 增益為2時,將為175kHz,依此類推。閉環增益更高時,運算放大器會變慢。

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3D打印機技術比較

3D打印機技術比較

本文章會分別解釋及比較現今三種最常用的材料及其製造技術的基礎知識,分別是:FFF(熔絲式線材製作,Fused Filament Fabrication),SLA(光固化立體造型製作,Stereolithography)和SLS(選擇性激光燒結,Selective Laser Sintering)。

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3d-printer

在過去的十年中,對3D打印技術的越來越多的使用已經徹底改變了各個領域的現狀,包括學校、企業、軍事和醫療領域等,甚至是家中DIY maker創客的普及。但是,有了許多可用的方法,決定使用哪種方法可能是一個艱鉅而令人困惑的過程。本文章會分別解釋及比較現今三種最常用的材料及其製造技術的基礎知識,分別是:FFF(熔絲式線材製作,Fused Filament Fabrication),SLA(光固化立體造型製作,Stereolithography)和SLS(選擇性激光燒結,Selective Laser Sintering)。

FFF (熔絲式線材製作 / Fused Filament Fabrication)

FFF是最通用,最實惠且較易接觸及入門的3D打印過程,應用範圍最廣。用這種方法,將固體熱塑性塑料加熱到所需的熔融溫度並通過噴嘴擠出。3D打印機將熔化的長絲沉積在冷卻過程中,然後沿著預定坐標逐層沉積到構建板上,直到完成物體,熔化的長絲在冷卻時會固化。近年來,隨著高分辨率工具頭的推出,FFF打印質量證明了分辨率的提高。這項技術可在任何環境中使用,它可以放置在您的辦公桌上,放在教室裡的推車上或家中放置的打印機架子上。

SLA (光固化立體造型製作 / Stereolithography)

使用SLA,可將感光型光敏聚合物樹脂倒入盛有淹沒型表面的槽中。 使用紫外線調諧的激光,一次將樹脂選擇性地固化一層,以形成固體。 一旦完成印刷階段,下一個清潔任務便開始了。 打印機操作員戴上手套,眼睛保護裝置。視工序及規模,操作員可能需要面罩及開啟呼吸器的個人防護設備。將未固化的樹脂從零件中排出,除去印刷表面,並用溶劑或化學藥品沖洗掉剩餘的樹脂。然後,零件將經受額外的UV固化過程。 儘管此方法特別適用於具有復雜幾何形狀和小尺寸對象的零件,但相對於其他3D打印方法,構建完成所需的周期時間和其他設備更為重要。

SLS (選擇性激光燒結 / Selective Laser Sintering)

SLS利用粉末狀的合成聚合物,這些聚合物形成片狀,放在「建構」區域上一層,之後使用高功率激光將選定的部分融合在一起,然後逐層重複此過程,直到完成對象。該方法主要使用聚酰胺,通常簡稱為尼龍,簡稱PA。 這種3D打印方法不需要支撐材料,仔細度高,甚至可以在成品外觀上完全不會看見層線。

FFF

SLA

SLS

應用材料

工程熱塑性塑料,包括ABS、尼龍、聚碳酸酯,柔性TPE,PVA/PLA等

光敏樹脂

尼龍粉

層高範圍

0.05 mm – 1.5 mm

0.025 mm – 0.15 mm

0.06 mm – 0.15 mm

尺寸精度

±200 μm

±100 μm

±300 μm

價錢

專業台式機起價為2000美元,更大規模的起價為15,000美元

台式機起價為$ 3000,較大的價格為$ 80,000- $ 750,000

台式機起價為9000美元,更大的價格範圍為10,000美元至100,000美元

應用材料價錢

$20-$50/kg

$50-$100/liter

$100-$500/kg

物料消耗

一卷1公斤的燈絲等於約400件標準尺寸的棋子

一升樹脂等於大約90個標準尺寸的棋子

不確定,取決於機器和材料

額外費用/注意事項

PEI構建的表面塗層可確保在打印時保持適當的底座附著力,在正確保養後幾乎不需要更換。 一些較昂貴的市場選擇需要定期更換打印床表面。

一些FFF打印機製造商收取服務費用,例如基本技術支持和必需的培訓。 更大型的可能要求維修合約費用。
個別FFF類型打印機要求專有的線絲,限制了用家在材料上的選擇,同時增加了成本。
徹底清洗成品上的樹脂可能需要使用超聲波清洗機,價格從$ 300- $5000不等
如需要樹脂在單獨的單元中進行「後固化(post-curing)」,
這可能會額外增加成本$ 100- $ 5000
樹脂托盤需要時常更換,並且壽命根據托盤類型和所用樹脂的不同,可能在2或3幅打印紙之間變化,最多20幅打印紙。 這些通常每個花費在$ 20- $ 50之間。
PEC/PAD無污染抹布(用於清潔敏感的打印機組件)
用於處理樹脂和溶劑的個人護理設備(丁腈手套,安全眼鏡或護目鏡)
需要良好的通風系統
防爆真空吸塵器(有些粉塵可燃,只需點燃一點火花即可),價錢約為1000美元
需要添置設備,例如用於「後處理」時的成品清潔櫃(約(3000美元及以上)及粉末回收系統($2,000-$12,000)
操作和設備維修需要熟練的操作員
高功率激光可能是危險的,需要特定空間
個人護理設備(丁腈手套,安全眼鏡或護目鏡)用於處理和清潔粉末

優點

使用安全,無毒,無刺激性化學物質
清理簡單,無有害粉末或樹脂
材料選擇範圍最廣; 使用最終用途材料(如ABS)進行打印。 可以使用雙擠壓3D打印機打印水溶性支撐物,多種顏色和多種材料模型
最低的新手「入場」門檻和材料成本
易於設備操作和維護
最小的物理佔地面積,不需要額外的實體設備
可以快速打印
打印的物體可以具有光滑的表面光潔度
印刷成品精確,尺寸公差小
無需其他支撐物料
牢固的層附著力
可以同時打印大量零件而不會影響打印時間

缺點

印刷件的結構強度可能取決於印刷密度、方向和印刷分辨率
如需最佳的成品表面處理,便需要更薄的層處理和更長的打印時間
多種材料選擇可能需要線絲存儲空間
已知樹脂和清潔劑有毒; 含有紫外線固化樹脂的材料應作為危險廢物進行處理和處置
不打印最終用途的材料。 材料僅模擬所需的聚合物。
由於難聞的煙氣和雜亂的樹脂,需要專用的空間; 易損件可能會污染附近的表面
不能一次打印多種材料
打印後需要額外的洗滌和固化
薄壁成品通常很脆
UV過度或曝光不足會影響打印次數和壽命
與其他方法相比,桌面模型的構建量較小
具有封閉結構的成品需要添加孔,以使未固化的樹脂逸出
原料是粉末,如果吸入有害
只適合大批量生產; 中小型單品打印不經濟
粒狀,沙質表面處理
材料通常是專用的
產生大的平面和小孔可能會產生問題,因為它們容易翹曲和過度燒結
印刷品本質上是多孔的(通常約為30%),需要特殊潮濕的環境在可為成品「後處理」
打印需要長達12小時的冷卻時間
必須在設計中添加排料孔,以去除空心部分中未燒結的粉末

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運算放大器 OP-Amp (五)

運算放大器 OP-Amp (五)

繼續講解運算放大器,下一個參數「增益帶寬積(Gain-Bandwidth Product )」。

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之前一章解釋了什麼是「開環增益」,它不單是一個基本的知識,它亦是運算放大器的一個重要參數。開始下一個參數「增益帶寬積(Gain-Bandwidth Product )」的講解前,先以下圖一重溫「增益」。

opamp-gain
圖一 運算放大器增益帶寬關係圖

增益帶寬積

如圖一,一個運算放大器的開環增益達到某一頻率時會以6 dB /octave 下降。 在這6 dB /octave 下降率的範圍內,如果我們將頻率加倍,則增益將下降到原來的一半。 相反,如果頻率減半,則開環增益將增加一倍,如圖一所示。

這就產生了所謂的增益帶寬積。 如果我們將開環增益乘以頻率,則乘積為總是一個「常數」。需要注意的是,這乘積必須處於下降6 dB /octave 的部分。這為我們提供了一個方便的因數,用於確定特定的運算放大器在特定的應用中是否可用。

例如,如果我們有一個需要10的增益和100 kHz帶寬的應用,那麼我們就需要一個運算放大器,其增益帶寬積至少為1 MHz。例如Microchip MCP6001

mcp6001
圖二 Microchip MCP6001 規格(GBWP = 1MHz)

不過,這樣解釋有點過分簡化。在現實中,由於增益帶寬乘積的可變性,以及在閉環增益與開環增益相交的位置處,響應實際上下降了3 dB,因此應留一點安全餘量(safety margin)。在上述應用中,增益帶寬乘積為1 MHz的運算放大器是微不足道的。

增益帶寬安全餘量(或裕度)

優良的設計習慣是確保放大器的GBP擁有一定的額外餘量。40dB是一個很好的安全裕度,可確保運算放大器的開環特性引起的誤差減至最少。為以下圖為例

ti-opamp-application
圖三 增益帶寬安全餘量示意圖(圖片來源 Amplifiers and Bits: An Introduction to Selecting Amplifiers for Data Converters, Texas Instruments)

這是一個GBWP 1MHz 運算放大器,如果40dB(100倍)是期望中的增益,能有25kHz的帶寬。但由於要有40dB的額外餘量,即是要「假設」這40dB其實是在80dB增益狀態下表現出來,根據1MHz 增益帶寬積,則意味著最大可用頻率僅為1 kHz。這就是為什麼即使對於相對低速的系統也可能需要高速運算放大器的原因之一。

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運算放大器 OP-Amp (四)

運算放大器 OP-Amp (四)

一般運算放大器的規格書都有提供開環增益頻率響應,在這一章會令大家更明白這是什麼,如何對線路設計的重要性。

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開環增益(Open-Loop Gain)

開環增益(通常稱為AVOL)是在沒有閉合反饋環路的情況下放大器的增益,因此稱為「開環」。對於精密運算放大器,該增益可以高到大約160 dB或更高,這代表是是1億倍的增益。

該增益從DC到主導極點(Dominant Pole)是平坦的。之後從那裡開始以6 dB /Octave 或20 dB /Decade 下降。(注:Octave是兩倍頻,Decade是10倍頻)。這稱為單極點響應(single-pole response)。

它會繼續以這種速度下降,直到它到達響應的另一個極點為止。第二極將使開環增益下降的速率增加一倍,即達到12 dB /倍頻程或40 dB /十倍頻程。

如果開環增益在到達第二極點之前已經降到0 dB(單位增益,unity gain)以下,則運算放大器在任何增益下都將是無條件穩定(unconditionally stable)的。在規格書上,這通常被稱為單位增益穩定(Unity Gain Stable)。

但是,如果在開環增益大於1(>0 dB)時達到第二極點,則放大器在某些情況下可能不穩定。我利用兩張圖為大家解釋可能更易明白。

圖一是「無條件穩定」的運算放大器,可見在0 dB時還在第一極點6 dB /Octave範圍。

Unity Gain Stable
圖一 「無條件穩定」的運算放大器

圖二是「可能不穩定」增益的運算放大器,可見達到第二極點12 dB /倍頻程時,開環增益還大於0dB。

Unstable
圖二 「可能不穩定」增益的運算放大器

由於這是顯而易見的「不穩定」,所以運算放大器生產商將產品推出市場時已設計成「無條件穩定」,例如texas instruments OPA820,規格書寫明「Unity Gain Stable」。但是如何驗證? 一般運算放大器的規格書都有提供開環增益頻率響應(Open-Loop Gain Frequency Response)圖,再以OPA820為例,開環增益頻率響應是這樣的-

frequency-response
圖三 開環增益頻率響應(圖片來源 TI OPA820 規格書)

這就是標準的Unity Gain Stable。

了解開環增益後,之後了解閉環增益、環路增益、信號增益和噪聲增益之間的差異說明就容易很多,而這些參數在選擇運算放大器非常重要。它們本質上是相似的,相互關聯的,但又有所不同。 我之後將詳細討論它們。

事實上,開環增益不是一個完全受到精確控制的規格。在生產上,它可以而且確實具有相對較大的範圍,並且在大多數情況下在規格中將以典型數字(typical)而不是最小/最大數字給出。 在某些情況下,通常是高精度運算放大器,其規格將是最低的。

voltage-gain
圖四 規格書上開環增益範圍(圖片來源 TI OPA820 規格書)

另外,開環增益會因輸出電壓電平和負載而變化。對溫度也有一定的依賴性。通常,這些影響程度很小,在大多數情況下可以忽略不計。 際上,這種非線性並不總是包含在該器件的數據手冊中。

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運算放大器 OP-Amp (三)

運算放大器 OP-Amp (三)

運算放大器會在高頻下損失增益,而當我們使用瞬態事件時,相同的基本機制會限制輸出信號的最大變化率。 但是,重要的是要認識到頻率響應和壓擺率是不同的現象,並且這兩種現象的影響在根本上是不同的。

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擺率(Slew rate)

擺率(Slew Rate,或稱迴轉率)測量運算放大器的輸出變化的速度。 該值定義為每單位時間的電壓變化,通常以V /μS為單位。

在線路設計上,如使用了擺率不足的Op-Amp,將會導致輸出波形失真,如下圖所示。 為了避免這種失真,工作頻率必須滿足以下不等式:

圖片來源: Yves-Laurent Allaert / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0 / GFDL

紅色方波是預期的輸出,綠色波是實際的失真輸出。

舉例,峰值輸出擺幅為1V且產生1Mhz正弦波的運算放大器必須具有6.28 V / us的最小擺率。

擺率與帶寬的分別

乍看,轉換速率似乎只是運放帶寬限制的時域表現。 有人可能會認為,當我們使用正弦信號時,運算放大器會在高頻下損失增益,而當我們使用瞬態事件時,相同的基本機制會限制輸出信號的最大變化率。 但是,重要的是要認識到頻率響應和壓擺率是不同的現象,並且這兩種現象的影響在根本上是不同的。

運算放大器傳遞函數中的「極(Pole)」表演出典型的低通濾波器行為;信號幅度隨頻率增加而減小,並發生相移。 但是這些效應是線性的,因此它們不會在輸出信號中引入失真。

但是,擺率是非線性效應。 如果正弦輸入信號乘以運算放大器的增益後得出的斜率高於運算放大器的壓擺率,則輸出波形的一部分將是一條直線,而不是正弦曲線的彎曲部分。 因此,擺率可以改變信號的形狀,因此是失真的來源,而不僅僅是幅度或相位的改變。

實際擺率注意事項

工程師目前可以選擇的運算放大器種類繁多,涵蓋了很大的壓擺率範圍。 一些設備每微秒提供幾伏特甚至更低,而其他設備每微秒提供幾百伏特。 如果您要設計一個涉及瞬態信號,高振幅正弦波或數字波形的電路,請在選擇運算放大器之前快速考慮壓擺率。

如下表所示,電流消耗與壓擺率之間存在很強的關係。 如果您試圖將良好的迴轉性能納入低功耗設計中,則必須謹慎選擇組件。

opamp-compare
圖二 對應不同擺率OP-Amp的瞬態電流的比較表

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運算放大器 OP-Amp (二)

運算放大器 OP-Amp (二)

opamp2運算放大器通常只有一個輸出,在零件的規格書上一般會表達為VOL(Output Voltage – Low Limit)和VOH(Output Voltage – High Limit)指定的範圍之間擺動。 該範圍通常不會超出於VSS至VDD的範圍。 例如,提供+/- 12V的運算放大器只能具有+/- 10V的輸出擺幅。

輸出類型

在「輸出類型」,我們大致將它們分成五類:

差分(Differential):運算放大器具有正輸出和負輸出,例如Texas Instruments OPA1632

軌對軌(Rail-to-Rail):運算放大器的輸出電壓擺幅可以比傳統運算放大器更靠近電源軌。 通常在毫伏範圍內,這類型在任何一款運算放大器都是最普遍。例如Microchip MIC7111

漏極開路(Open Drain):運算放大器的輸出在IC封裝內連接到晶體管的基極(Gate)。 因此,運算放大器在運作時讓晶體管的漏極導通,只能吸收電流。這類型一般用於電流感應,應用層面不大,故市場上的選擇較少,例如MAXIM INTETRATED MAX34406

open-drain

推挽式 (Push-Pull):運算放大器的輸出級使用一對處於推挽式配置的晶體管,其中一個晶體管提供電流,另一個晶體管吸收電流。它好處是當沒有信號存在時,輸出晶體管中沒有功耗。但是,與漏極開路一樣,應用層面不大,沒有太多外國生產商會再發展這輸出級的運算放大器,故市場上的選擇較少。例如JRC NJM13600

以上是在運算放大器IC封裝時為工程師作個「方便」,將輸出級加在內,優點是可減少附設零件數量,缺點是限制了使用,所以市場上除了這4類型外,單純的運算放大器在IC封裝內仍是佔大多數。

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運算放大器 OP-Amp (一)

運算放大器 OP-Amp (一)

時常收到客人關於OP-AMP的查詢,設計電路時為特定應用選擇正確的運算放大器時仍然感到很困難

opamp新手固然不太能掌握當中原理,就算是有經驗的工程設計師在選擇OP-AMP時,亦有可能忽略了部份參數,而影響了產品的運作,因為有些是通用的,有些則噪聲低,有些則輸入阻抗高,等等。我就用OP-AMP做我第一篇基礎電子知識文章,從分類、應用及線路等,為大家由淺入深刻認識OP-AMP

運算放大器 (Operational Amplifier, 或簡稱op-amp)是許多電子設計的基本組成部分之一。 它們用途廣泛,幾乎可以在運用在任何應用中。使用範圍從簡單地將小信號放大到高級模擬信號處理。 在查看實際op-amp的現實情況的規格之前,將我介紹理想(ideal)的op-amp模型(這對之後的理解非常重要!)。當然,理想的模型只是方便簡化設計中涉及的數學運算,但在實踐中不存在。

理想運算放大器的一些特徵是:

 

  • 無限增益(gain)
  • 無限輸入阻抗(input impedance)
  • 無限帶寬(bandwidth)— 運算放大器的增益不受頻率的影響。
  • 無限的擺率(slew rate)— 運算放大器的輸出可以根據需要快速變化。
  • 零輸入偏置電流(input bias current)— 沒有電流流入輸入端。
  • 零輸入失調電壓(input offset voltage)— 運算放大器的輸入相等時,其輸出為零。

查看下面的實際參數時,請先記住這幾項「理想」參數。

參數指標

像許多IC一樣,op-amp也有多種規格需要牢記。 以下列表細分了運放系列在眾多應用的一般劃分。劃分好,之後對個別應用的參數要求更能容易理解。

  1. 音頻(Audio):這些運算放大器針對音頻的低噪聲和失真進行了優化。此類別的放大器沒有輸出功率級。
  2. 緩衝器(Buffer):運算放大器配置為模擬線路中的緩衝器,通常是單位增益。這些通常只有一個輸入,不能用作為一般的運算放大器。
  3. CMOS:即是運算放大器中使用的是CMOS工藝技術,而不是傳統的雙極工藝。CMOS運算放大器通常比雙極型器件具有更高的輸入阻抗和更低的功耗。
  4. 電流反饋(Current Feedback):運算放大器其輸出與電流成比例,而不是電壓。這類型運算放大器通常具有更快的壓擺率和不受頻率影響的增益。
  5. 電流檢測(Current Sense):一種運算放大器用於測量電阻兩端的小壓降,其中輸出電壓與通過電阻的電流成比例。
  6. 差分(Differential):從技術上講,所有運算放大器都是差分放大器,但通常是代表用於放大單個信號。這類型的差動被設計為放大兩個信號之間的差別。
  7. 儀表(Instrumentation):這些放大器通常由3個獨立的放大器組成。輸入先通過緩衝放大器,然後分別饋入差分放大器。這類放大器專為高精度、高輸入阻抗和高開環增益而設計。
  8. 隔離(Isolation):具有內置光電隔離器的運算放大器,可將輸入與輸出物理隔離。
  9. JFET:使用JFET工藝製造的運算放大器。與雙極型器件相比,它們具有更高的輸入阻抗和更低的輸入偏置電流。
  10. 限制(Limiting):可以在內部箝位輸出電壓的放大器。
  11. 對數(Logarithmic):放大器的輸出與輸入相對於參考的對數成正比。
  12. 功率(Power):具有輸出功率級的運算放大器,使其可以提供比典型運算放大器更多的電流。
  13. 可編程增益(Programmable Gain):具有可變增益的運算放大器,可以進行數字編程。這類型在封裝後可以通過選擇引腳或通過串行接口(如SPI)來完成。
  14. 採樣和保持(Sample and Hold):通常與模數轉換器(ADC)一起使用,這些放大器將保持足夠長的輸出值以完成轉換。
  15. 跨傳導(Transconductance):這類型放大器,它接受電壓輸入並產生電流輸出。
  16. 跨阻抗(Transimpedance):這類型放大器,其輸入電流並產生電壓輸出。
  17. 可變增益(Variable Gain):與可編程增益放大器相似,但是增益可以通過數字或模擬電壓進行控制。
  18. 電壓反饋(Voltage Feedback):除非指定為電流反饋放大器,否則所有運算放大器均使用電壓反饋。
  19. 零漂移(Zero-Drift):這類型的特點是低偏移(offset)電壓和隨溫度變化的低偏移漂移。

最後,如果產品沒有特別要求,我便歸納為「通用」。大多數運算放大器屬於「通用」類別。

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