ĆWICZENIE 10

Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych

1. Wzmacniacz odwracający

Zadaniem układu jest wzmocnienie sygnału o K_Uf razy i odwrócenie fazy o 180°. Podstawowy schemat układy znajduje się na rysunku 1.

Rys.1. Schemat ideowy wzmacniacza odwracającego

Wzmocnienie układu wynosi
. Minus mówi o tym, że sygnał jest odwrócony w fazie o 180°. Wartość rezystora R3 powinna wynosić tyle, co równoległe połączenie rezystorów R1 i R2.

Chcąc sprawdzić, czy układ rzeczywiście odwraca fazę można na wejście układu z rysunku 1 podać sygnał sinusoidalny. Źródło V3 jest źródłem VSIN o nasypujących parametrach:

• VOFF 0V , VAMP 1V , FREZ 1kHz

Należy jeszcze ustawić analizę czasową (Transient) do 5ms (Final Time) oraz krok (Step Celing) na 10us. Po symulacji otrzymamy wynik jak na rysunku 2.

Rys. 2. Sygnał wejściowy i wyjściowy układu odwracającego.

Można jeszcze sprawdzić przesunięcie za pomocą markera fazy napięcia. Żeby z niego skorzystać najpierw trzeba ustawić AC od 10Hz do 1GHz. Najlepiej jest przeprowadzić typ symulacji logarytmiczny (Decade lub Octave).. przedstawiony jest moduł sygnału wyjściowego oraz przesunięcie fazowe na wyjściu układu względem źródła VSIN w funkcji częstotliwości.

Rys. 3. Moduł sygnału napięcia na wyjściu oraz przesunięcie fazowe na wyjściu względem wejścia

2. Wzmacniacz nieodwracający

Zadaniem układu jest wzmocnienie sygnału wejściowego bez zmiany fazy sygnału między wejściem, a wyjściem układu. Na rysunku 4. przedstawiony jest podstawowy schemat ideowy układu.

Rys.4. Schemat wzmacniacza nieodwracającego

Wzmocnienie napięciowe układu wynosi
. Dla naszego przypadku wzmocnienie wyniesie dwa razy. Teraz należałoby to sprawdzić. Można by na wejście podać sygnał stały o napięciu np. 1V i sprawdzić napięcie na wyjściu. My posłużymy się sygnałem sinusoidalnym.

Wartości źródła VSIN są następujące:

• VOFF 0V

• VAMP 1V

• FREZ 1kHz

Ustawić należy symulację czasową (Transient) do 5ms (Final Time) z krokiem (Step Celing) 10us. Po ustawianiu wartości źródła VSIN można zasymulować układ (np. po przez klawisz [F11]). W programie PSpice A/D powinny znajdować się dwa przebiegi napięciowe: wejściowy i wyjściowy. Chcąc sprawdzić wzmocnienie układu wystarczy na nowym plocie dodać przebieg V(wy)/V(we). Zakładam, że sygnał V(we) i V(wy) to sygnały wejściowy i wyjściowy układu. Na rysunku 5. przedstawione są sygnały na wejściu i wyjściu oraz wzmocnienie układu.

Rys. 5.. Sygnały na wejściu i wyjściu układu oraz wzmocnienie napięciowe układu.

Fazę sygnału wyjściowego odczytać jest najłatwiej markerem fazy napięcia (VPHASE), ale jest on aktywny tylko podczas symulacji AC (prądu zmiennego) i dlatego należy przeprowadzić taką symulację. Ustawić należy typ logarytmiczny - dekadowo lub oktawowa wyskalowana oś X. Częstotliwość początkowa wynosi 10Hz, a końcową 100MHz (co zapisuje się 100Meg). Po ustawieniu symulacji AC najlepiej jest wyłączyć symulację czasową. Na koniec trzeba dopisać do atrybutów źródła VSIN wartość 1V do pola oznaczonego AC i zasymulować układ. Wynik symulacji przedstawiony jest na rysunku 6. Znajdują się tam dwa ploty. Na jednym przedstawiony jest moduł napięcia wejściowego i wyjściowego względem częstotliwości, a na drugim faza sygnału napięciowego względem sygnału wejściowego VSIN.

Rys. 6. Moduł napięcia na wyjściu i wejściu układu oraz faza napięcia na wyjściu układu względem wejścia.

3. Wzmacniacz odejmujący (różnicowy)

Zadaniem układu jest odjęcie jednego sygnału od drugiego w stosunku zależnym od rezystorów. Schemat ideowy znajduje się na rysunku 7. Sygnał wyjściowy można obliczyć ze wzoru:
. Przyjmując, że
, to
. Dla naszego przypadku napięcie wyjściowe wynosi:

Uwy= - 1*(2V-5V)=3V.

Rys. 7. Schemat ideowy wzmacniacza różnicowego wraz z napięciami panującymi w układzie

4. Wzmacniacz sumujący

Na rysunku 8 znajduje się układ ideowy wzmacniacza sumującego trzy napięcia. Napięcie na wyjściu można obliczyć za pomocą wzoru:
. Przyjmując, że wartości wszystkich rezystorów (oprócz R1, który powinien być równy równoległemu połączeniu rezystorów wejściowych do rezystora w sprzężeniu) jest jednakowa otrzymujemy algebraiczne dodawanie napięć (wynik otrzymamy oczywiście z minusem).

Rys. 8. Schemat ideowy wzmacniacza sumującego wraz z napięciami panującymi w układzie

5. Wtórnik napięciowy

Układ ma przenieść sygnał wejściowy bez żadnej zmiany na wyjście. Układ wen stosuje się często do odseparowania dwóch bloków układu, żeby jeden blok układu nie wpływał na prace drugiego układu. Schemat ideowy znajduje się na rysunku 9. Żeby przekonać się, że układ działa wystarczy włączyć symulację DC od -11V do 11V z krokiem (Increment) równym 0.1V. Zmieniamy napięcie V3 liniowo.

Na rysunku 10 przedstawiona jest charakterystyka napięcia wejściowego w funkcji napięcia wejściowego oraz ich różnica. Z tych charakterystyk można odczytać, że napięcie podane na wejście przenosi się na wyjście liniowo. Różnica napięć między wejściem, a wyjściem jakaś jest, ale liniowa.

Rys. 9. Schemat ideowy wtórnika napięcia

Rys.10.. Sygnał wejściowy, wyjściowy oraz ich różnica

Układ ten ma jedną podstawową zaletę - obciążenie na wyjściu w bardzo małym stopniu wpływa na napięcie wejściowe. Chcąc to sprawdzić należy dołączyć opornik wyjściowy między wyjściem, a masą i ustawić go jako parametr. Wartość opornika trzeba zmienić na np. {r}. Potem dodać element PARAM i w atrybutach tego elementu pod wartością NAME1 wpisać r, a w polu VALUE1 wartość 1k (lub jakąś inną). Następnie trzeba wejść do ustawić symulacji DC i zmienić na typ listy wartości (Value List) i w polu Values wpisać wartość napięcia wejściowego np. 1V. Po ustawieniu symulacji DC trzeba wejść do opcji parametru. Zaznaczamy Global Parameter i w polu Name wpisujemy r. Następnie zaznaczamy typ liniowy i wpisujemy w wartość początkową 1, a w końcową 10k. Skok należy ustawić na 10.

Po ustawieniu wszystkiego można zasymulować układ. Na rysunku 11 przedstawiony jest wpływ rezystancji obciążenia na napięcie wyjściowe i wejściowe przy stałym napięciu wejściowym. Dodatkowo przedstawiona jest rezystancja wejściowe układu. Z charakterystyk tych możemy odczytać, że obciążenie nie wpływa na napięcie wejściowe. Wpływa za to na napięcie wyjściowe (co jest oczywiste). Obciążenie jedynie zmienia wartość rezystancji wejściowej z 7MΩ na 12,5MΩ.

Rys. 11. Wpływ obciążenia na napięcie wejściowe i wejściowe oraz na rezystancje wejściową

6. Konwerter prąd - napięcie

Układ zamienia prąd wejściowy na napięcie pojawiające się na wyjściu. Napięcie te można obliczyć ze wzoru
. Prąd dodatni wpływa do wzmacniacza. Na rysunku 12 przedstawiony jest schemat ideowy układu. Napięcie wyjściowy Uwy= - (-10mA)*1kΩ = 10V.

Rys. 12. Konwerter prąd - napięcie

7. Przesuwnik fazy

Zadaniem układu jest przesunięcie fazy napięcia na wyjściu układu względem wejścia układu. Schemat ideowy układu znajduje się na rysunku 13. Wartość napięcia na wyjściu przedstawia wzór
. Wartości rezystorów R2 i R2 są identyczne co powoduję, że nie ma wzmocnienia napięciowego układ. Zmienia się tylko faza sygnału od -180° do -360°. Gdy wartość rezystora R1 wynosi zero wówczas kondensator nie odgrywa żadnej roli w układzie i układ pracuje jako zwykły wzmacniacz odwracający o wzmocnieniu napięciowym równym zero. Jeśli wartość rezystora R1 rośnie do nieskończoności wówczas sygnał podawany na oba wejścia staje się coraz bardziej podobny.

Rys. 13. Schemat ideowy przesuwnika fazy

Wartość rezystora R1 jest parametrem o nazwie set. Ze wzoru na napięcie wynika, że główną rolę przy zmianie fazy odgrywa albo rezystor R1, albo kondensator C1, a ja zdecydowałem się na rezystor. Najłatwiej jest pokazać zmianę fazy w symulacji prądu zmiennego (AC) i z tego powodu właśnie ją przeprowadzimy. Trzeba zmienić w tej symulacji wartość początkową i końcową (Start i End Freq) na jedną wartość np. 1kHz. Ustawimy typ symulacji logarytmiczny (oktawowy lub dekadowy) i wartość punktów na dekadę/oktawę (Pts/[Dec/Oct]) na 1. Takie ustawienie spowoduje, że będzie liczony tylko jeden punkt dla częstotliwości 1kHz. Po ustawieniu symulacji AC trzeba wejść do ustawień parametrycznych. Ustawić należy Global Parameter i w polu Name wpisać set. Następnie trzeba nastawić tryb logarytmiczny (oktawowy lub dekadowy) i w polu startowym wpisać 1, a w polu końcowym 10Meg. Punktów na dekadę/oktawę może wynosić 50. Po ustawianiu wszystkich parametrów można zasymulować układ.

Na rysunku 14 przedstawiony jest moduł napięcia na wyjściu, który praktycznie wraz ze wzrostem rezystancji R1 nie zmienia swojej wartości (między maksymalną, a minimalną wartością jest różnica 380uV) oraz faza sygnału napięcia na wyjściu względem wejścia.

Rys. 14. Moduł napięcia na wyjściu oraz faza napięcia na wyjściu względem wejścia w funkcji rezystancji R1

8. Prostownik aktywny jednopołówkowy

Rys. 15. Schemat ideowy prostownika aktywnego jednopołówkowego

Jeśli wartości rezystorów mają identyczne wartości wówczas sygnał jest prostowany bez wzmocnienia.

Rys.16. Sygnał wejściowy (sinusoida) i wyjściowy aktywnego prostownika

9. Prostownik dwupołówkowy aktywny

Rys. 17. Schemat ideowy prostownika dwupołówkowego

Rys.18. Przebiegi czasowe na wejściu i wyjściu prostownika

10. Układ logarytmujący stosunek napięć

Rys.19. Schemat ideowy układu logarytmującego stosunek napięć wejściowych

Układ składa się z dwóch identycznych układów logarytmujących napięcie oraz wzmacniacza różnicowego. Jeśli R3=R4=R5=R6 są sobie równie wówczas stosunek napięć logarytmujących dzieli się bez żadnego współczynnika (pomijając potencjał termiczny).

Napięcie wyjściowe można obliczyć korzystając ze wzoru:
, gdzie

• Ra=R6=R5

• Rb=R3=R4

• T -temperatura w stopniach Kelvinach

• k - stała Boltzmana (1,38*10^-23J/K)

• q - ładunek elektronu (1,6021892*10^-19C)

Podając na jedno wejście 1V otrzymamy na wyjściu napięcie proporcjonalne do logarytmu naturalnego z drugiego wejścia, ponieważ
, a ln1=0.

Przeprowadzimy symulacje prądu stałego (DC). Będziemy zmieniać wartość napięcia źródła V4 przy stałym napięciu V3=1V. W opcjach symulacji DC zaznaczamy Voltage Source, a w polu Name wpisujemy V4. Przeprowadzimy typ symulacji liniowy od 1mV do 10V z krokiem (Increment) 1mV. Po przeprowadzeniu symulacji można porównać sygnał na wyjściu z napięciem obliczonym ze wzoru. W tym celu należy dodać nową charakterystykę (Add Trace [INS]) o wzorze: -(300*1.38e-23/1.6e-19)*log(v(v3:+)/v(v4:+)). Na rysunku 20 pokazany jest przebieg na wyjściu i wyliczony ze wzoru oraz logarytm z napięcia wejściowego.

Rys. 20. Napięcie wyliczone ze wzoru oraz logarytm z napięcia wejściowego

---