Nieodwracający wzmacniacz przebiegów
zmiennych

Można byłoby zrealizować wzmacniacz nie-
odwracający z klasycznym obwodem sztucz-
nej masy według rysunku 5. Ale układ można
uprościć. Jednak zdecydowanie błędne byłyby
oszczędne rozwiązania według rysunku 6.
Jeśli nie widzisz dlaczego, zbuduj takie układy
i zmierz napięcie stałe na wyjściu wzmacnia-
cza. W zasadzie układ prawidłowego wzmac-
niacza nieodwracającego mógłby wyglądać
jak na rysunku 7. I w najmniej wymagających
zastosowaniach można taki układ wykorzystać.
Jednakowe rezystory R1, R2 ustalają napięcie
stałe na wejściu nieodwracającym. Z uwagi na
obecność kondensatora C

A

dla napięć stałych

wzmocnienie wynosi 1 – jest to wtórnik, więc
takie same napięcia stałe panują też na wej-
ściu „ujemnym” i na wyjściu wzmacniacza.
Kondensator C

A

zwiera przebiegi zmienne do

prawdziwej masy i dzięki temu wzmocnienie
sygnałów zmiennych wynosi G = 1 + R

B

/R

A

.

Warto pamiętać, że rezystancja wejściowa
takiego wzmacniacza jest praktycznie równa
równoległemu połączeniu R1 i R2, czyli w tym
wypadku 50k

Ω.

Rozwiązanie z rysunku 7 nie jest błędne,

jednak w praktyce stosujemy raczej rozwią-
zanie według rysunku 8. Mój model zre-
alizowany według tego schematu poka-

zany jest na fotografii

9. Kondensator C3 mógłby mieć
pojemność 100...220uF, a zasto-
sowałem 1000uF dlatego, że w
zestawie EdW A07 są tylko dwa
kondensatory o pojemności 100uF (CF i C1).
Także napięcie zasilające mogłoby być wyższe,
do 24V, a ograniczeniem jest napięcie nominal-
ne C3, wynoszące 16V.

Rozwiązanie z rysunku 8 jest lepsze od

wcześniejszych i to co najmniej z dwóch
powodów. Jednym z nich jest fakt, że w
układzie z rysunku 7 ewentualne zakłócenia i
„śmieci” przechodzące z szyny zasilania nie
są zwierane do masy, tylko przechodzą przez

dzielnik R1, R2 (stłumione o 50%) na wej-
ście przedwzmacniacza, co jest zaznaczone

czerwoną strzałką. A napięcie zasilające, wbrew
pozorom, bardzo często nie jest „czyste”, tylko
właśnie „zaśmiecone”. Natomiast w układzie z
rysunku 5 istotne jest to, że przez rezystory R

B

,

R

A

płynie prąd zmienny o stosunkowo dużej

wartości i potem prąd ten płynie przez obwód
sztucznej masy. Lepiej jest, jeśli ten znaczny
prąd zmienny nie płynie przez obwód sztucznej
masy, tylko przez kondensator C

A

od razu do

„prawdziwej” masy, czyli do ujemnej szyny
zasilania, jak na rysunkach 7 i 8. Wtedy rezy-
story R1, R2 mogą mieć duże wartości, 100k

Ω

...1M

Ω, a nawet więcej, co nawet przy niezbyt

dużej pojemności C1 zapewnia sku-
teczne zwarcie do masy ewentual-
nych przebiegów zmiennych, prze-
chodzących z dodatniej szyny zasi-
lania. Obwód sztucznej masy jest
wtedy dobrze odfiltrowany, „czy-
sty”. Jednak obwód ten jest przez
kondensatory C1, C2 praktycznie
zwarty do masy, więc trzeba dodać
rezystor R3, który poda napięcie

Ćwiczenie 4. Wzmacnianie sygnałów zmiennych

EdW A07

EdW A07

Rys. 7

R

A

R

A

TL082

we

+

R

B

R

B

U+

wy

+

+

C

I

C

I

C1

C2

R1

R3

R2

R

A

R

A

R

A

R

A

we

we

+

+

R

B

R

B

R

B

R

B

R1

a)

b)

R1

R2

U+

U-

U+

wy

wy

Rys. 6

R

A

R

A

C

A

C

A

TL082

we

+

R

B

R

B

U+

wy

+

C

I

C

I

0,22 F

m

0,22 F

m

R1

100k

R2

100k

10 F...22 F

m

m

10 F...22 F

m

m

1...10k

22kW

22kW

7-24V

Rys. 5

Rys. 8

R

A

R

A

R

F

R

F

R

P

R

P

R

O

R

O

C

A

C

A

C3

C

O

C

O

+

Me

TL082

R

B

R

B

U+

wy

+

+

C

I

C

I

0,22 F

m

0,22 F

m

R1

100k

R2
100k

10 F

m

10 F

m

1000 F

m

1000 F

m

10 F

m

10 F

m

C1

100 F

m

100 F

m

1k

W

1k

W

22k

W

22k

W

100k

W

100k

W

7-24V

+

+

+

+

1k

W

1k

W

2,2k

W

2,2k

W

C2 100nF

C2 100nF

C4

100nF

R3
1M

R3
1M

37

Ośla łączka

Maj 2010

Maj 2010

Elektronika dla Wszystkich

Elektronika dla początkujących,

Elektronika dla początkujących,

czyli wyprawy na oślą łączkę

czyli wyprawy na oślą łączkę

38

Ośla łączka

Elektronika dla Wszystkich

Maj 2010

Maj 2010

stałe sztucznej masy na wejście wzmacniacza.
Dla przebiegów zmiennych wzmacniacz taki
będzie miał oporność wejściową praktycz-
nie równą R3. Rezystor R3 może mieć dużą
wartość, a wtedy małą pojemność może mieć
sprzęgający kondensator wejściowy C

I

C

I

[uF]= 160 / f[Hz]*R3[k

Ω]

Jak widać z porównania rysunków 1 i 8,

wzmacniacz odwracający jest tylko trochę
bardziej skomplikowany, ale za to ma dwie
bardzo ważne w praktyce zalety:
- dużą rezystancję wejściową, praktycznie
równą rezystancji R3,
- można stosować R

A

, R

B

o optymalnej, nie-

zbyt dużej wartości.

Jeśli chodzi o „optymalne wartości” R

A

i R

B

, to nie ma ścisłych reguł, ale warto

wybierać R

B

w zakresie 10k

Ω...100kΩ. i

potem R

A

, w zakresie 1k

Ω...10kΩ, stosow-

nie do potrzebnego wzmocnienia. Podobnie
jak w układzie odwracającym, wzmocnienie
jednego stopnia nie powinno przekraczać
100x (40dB), a jeszcze lepiej jeśli nie było-
by większe niż 20...30x. Mając wartość R

A

,

można przyjąć dolną częstotliwość graniczną
f (zwykle 20Hz lub mniej) i obliczyć mini-
malną wartość pojemności C

A

:

C

A

[uF]= 160 / f[Hz]*R

A

[k

Ω]

W praktyce warto zastosować C

A

o znacz-

nie większej, nawet kilkakrotnie większej
wartości, zwykle jest to bowiem kondensator
elektrolityczny.

Jak będzie wspomniane w Technikaliach,

można też łatwo obciąć pasmo od góry,
czyli pozbyć się najwyższych częstotli-
wości, dołączając kondensator równolegle
do rezystora R

B

. Zazwyczaj chcemy, żeby

pasmo przenoszenia wzmacniacza było jak
najszersze, co najmniej równe zakreso-
wi akustycznemu 20Hz...20kHz, ale w
niektórych rzadkich przypadkach ograni-
czenie pasma jest nie tylko sensowne, ale
wręcz konieczne, o czym przekonamy się
w następnym odcinku.

I oto na rysunkach 1 i 8 mamy

dwa przedwzmacniacze mikrofonowe
„ogólnego przeznaczenia”. Wcześniej
sprawdziłeś wersję odwracającą z
rysunku 1, teraz gorąco Cię zachęcam
do eksperymentów z przedwzmacnia-
czem z rysunku 8!

Znów wykorzystaj dowolny wzmac-

niacz mocy. Zapewne najprościej będzie
dołączyć nasz układ do wejścia AUX
domowego zestawu audio za pomocą
kabla z wtyczką RCA (chinch).

UWAGA! Bądź ostrożny ze zwiększa-

niem wzmocnienia wzmacniacza mocy,
ponieważ gdy wytworzy on ciągły pisk
o pełnej mocy, może szybko uszkodzić
kolumny!

Dlatego najpierw koniecznie skręć poten-

cjometr głośności we wzmacniaczu na mini-
mum, a potem pomału i ostrożnie zwiększaj

głośność, by nie doprowadzić do głośnego
samowzbudzenia.

Przedwzmacniacze z rysunków 1 i 8 są

jak najbardziej przydatne w praktyce, ale my
w dalszej części ćwiczenia 4 rozwiążemy
pewien problem praktyczny w nieco inny
sposób.

Piotr Górecki

Polaryzacja wejścia

W o d w r a c a j ą c y m
wzmacniaczu przebiegów
zmiennych, omówionym
w poprzednim odcinku,
nie ma problemu z

polaryzacją wejść.
Natomiast we wzmacniaczu
nieodwracającym dodanie
kondensatora na wejściu
„dodatnim” komplikuje sprawę. Chodzi
o spoczynkowe napięcia stałe oraz prądy
polaryzujące. Problem zasygnalizowany jest
w ćwiczeniach na rysunku 6.
Początkujący bardzo często popełniają
poważny błąd. Projektując wzmacniacz
nieodwracający przebiegów zmiennych

dodają po prostu kondensator na wejściu
„dodatnim”, jak pokazuje to rysunek 6a.
Otóż wprawdzie w pierwszym przybliżeniu
zakładamy, że wejścia wzmacniacza
operacyjnego nie pobierają prądu, jednak w
rzeczywistości na wejściach wzmacniacza
operacyjnego pracują jakieś tranzystory,
albo bipolarne, albo polowe, więc do ich
prawidłowej pracy wejścia te muszą być
prawidłowo spolaryzowane napięciem stałym.
Ponadto przez obie końcówki wejściowe
wzmacniacza operacyjnego płyną bardzo
maleńkie prądy polaryzujące. Tą bardzo
ważną sprawą zajmiemy się szeroko podczas
jednego z następnych ćwiczeń, ale już teraz

zapamiętaj raz na
zawsze, że na wejście
„dodatnie” zawsze
musi być podane
spoczynkowe napięcie
stałe. We wzmacniaczu
n i e o d w r a c a j ą c y m
przebiegów zmiennych

do wejścia „dodatniego” oprócz
kondensatora C

I

, zawsze

dołączony jest co najmniej
jeden rezystor, i to zarówno przy
zasilaniu pojedynczym, jak też symetrycznym
napięciem.
Początkujący popełniają też inny błąd.
W zasilanym napięciem pojedynczym

układzie z rysunku 6b wejście "dodatnie"
jest spolaryzowane prawidłowo za pomocą
dzielnika R1, R2 – występuje tam napięcie
stałe, zazwyczaj równe połowie napięcia
zasilania. I wzmacniacz chciałby wzmacniać
te duże napięcie stałe, podawane na wejście
nieodwracające, co w praktyce doprowadza
do nasycenia wyjścia. Dlatego przy
pojedynczym zasilaniu zawsze w szereg z
rezystorem R

A

dodajemy kondensator C

A

.

Dla prądu stałego stanowi on przerwę, a
więc wzmacniacz ma wtedy wzmocnienie
równe 1, czyli jest wtórnikiem - napięcie
stałe na wyjściu jest równe stałemu napięcia
na wejściu "dodatnim". Natomiast dla
przebiegów zmiennych wzmocnienie wynosi

(R

B

/R

A

+1). Jako częstotliwość graniczną

obwodu R

A

C

A

przyjmujemy taką, przy której

reaktancja pojemnościowa kondensatora C

A

staje się liczbowo równa rezystancji R

A

. Ale

o tym za chwilę.

Obwody sprzęgające

Wydaje się, że na wejściu i wyjściu wzmac-
niacza zasilanego napięciem pojedynczym
wystarczyłyby pojedyncze kondensatory C

I

,

C

O

według rysunku O. Jeżeli jednak wejście

nie byłoby podłączone na stałe do wyjścia
poprzedniego stopnia, albo wyjście do wej-
ścia następnego stopnia, wtedy we wzmacnia-
czu odwracającym warto zastosować dodat-
kowe rezystory R

I

, R

O

według rysunku P.

We wzmacniaczu nieodwracającym też warto
dać te rezystory, co pokazane jest w uprosz-
czeniu na rysunku R. Rezystory te zagwa-
rantują prawidłowe ładowanie i rozładowanie
kondensatorów C

I

, C

O

przy włączaniu i wyłą-

czaniu zasilania oraz przy dołączaniu innych
urządzeń. Kondensatory te w czasie pracy

TECHNIKALIA

Rys. O

C

O

C

O

U+

C

I

C

I

Fot. 9

+

R

A

R

A

R

B

R

B

+U

R1

R2

R

O

R

O

R

L

R

L

C

O

C

O

C

I

C

I

R

I

R

I

+

+

C1

wy

we

Rys. P

naładowane są napięciem stałym równym
napięciu sztucznej masy. Brak rezystorów R

I

,

R

O

nie pozwala tym kondensatorom prawid-

łowo naładować się po włączeniu zasilania i
rozładować po wyłączeniu, co może spowo-
dować, że podczas dołączania do wejścia lub
wyjścia innych urządzeń pojawią się bardzo
głośne, nieprzyjemne, a nawet groźne stuki.

Wartość rezystorów R

I

, R

O

nie jest kry-

tyczna, zazwyczaj mają dużą wartość, rzędu
100k

Ω...1MΩ, a tym samym ich obecność na

wejściach nie zmniejsza znacząco oporności
wejściowej wzmacniacza i nie obciąża wyjść.

Więcej uwagi należy poświęcić pojem-

ności kondensatorów C

I

, C

O

. Tylko w pierw-

szym, zgrubnym przybliżeniu można przyjąć,
iż kondensator stanowi zwarcie dla przebie-
gów zmiennych. W rzeczywistości pojemność
kondensatora wraz ze współpracującą rezy-
stancją stanowi filtr górnoprzepustowy, czyli
taki, który tłumi składniki o częstotliwościach
niższych od częstotliwości granicznej. Wzór
na częstotliwość graniczną takiego filtru jest
oczywisty: f = 1/2

πRC. Jest to częstotli-

wość, przy której reaktancja kondensatora jest
równa współpracującej rezystancji. Kolorowe
podkładki na rysunkach P, R wskazują, które
to są rezystancje współpracujące – to ich war-
tości należy podstawić do wzoru.

Kondensator wejściowy C

I

zawsze współ-

pracuje z rezystancją wejściową wzmacnia-
cza (rezystancją dla przebiegów zmiennych).
W przypadku wzmacniacza odwracającego
z wcześniejszego rysunku G jest to po pro-
stu rezystancja R

A

. Natomiast w przypadku

wzmacniacza nieodwracającego z rysunku H,
rezystancja wejściowa jest praktycznie równa
R3. Pokazują to pomarańczowe prostokąty na
rysunkach G, H. W praktyce zazwyczaj wcześ-
niej znana jest wartość rezystancji wejściowej
Rwe (R

A

lub R3) i trzeba obliczyć pojem-

ność C

I

. Często bez zastanowienia można do

obliczeń przyjąć częstotliwość graniczną f =
20Hz. Wzór C

I

= 1 / 2

πfR warto przedstawić

w postaci C

I

= 0,16 / fR, a można też

skorzystać z innej postaci, podając rezy-
stancję w kiloomach i uzyskując wynik w
mikrofaradach:

C

I

[uF]= 160 / (f [Hz]*Rwe[k

Ω

Ω])

Ponieważ wartości rezystancji wej-

ściowej są zwykle powyżej 10k

Ω, obliczone

wartości C

I

zwykle są w zakresie 0,1uF...1uF.

Warto wtedy stosować kondensatory stałe, ale
nie ceramiczne, tylko foliowe (MKT, MKP,
MKC). Jeśli kondensator C

I

ma pełnić funk-

cję filtru o określonej częstotliwości, to NIE
MOŻE TO BYĆ ZWYKŁY KONDENSATOR
ELEKTROLITYCZNY. Kondensatory elektro-
lityczne mają dużą tolerancję, często wynoszą-
cą +80%/–20%, a na dodatek z upływem czasu
pojemność może się zmienić nawet kilkakrotnie.
Dlatego NIGDY nie należy stosować zwykłych
kondensatorów elektrolitycznych w filtrach,
których częstotliwość ma być ściśle określona.
Wtedy trzeba stosować kondensatory stałe, a w
ostateczności kondensatory tantalowe (zwraca-
jąc baczną uwagę na ich biegunowość).

Owszem, w obwodach wejściowych

można stosować „zwykłe elektrolity”, ale ich
pojemność powinna być one dobrana z zapa-
sem, by nawet po zmniejszeniu pojemności,
nie ograniczały pasma przenoszenia.

Podkreślam, że podstawiona do powyższego

wzoru wartość rezystancji, to rezystancja wej-
ściowa wzmacniacza operacyjnego, czyli albo
R

A

, albo R3. Nie może to być natomiast pomoc-

nicza rezystancja R

I

, która jest większa, ewentu-

alnie równa rezystancji wejściowej wzmacniacza.
Owszem, rezystancja R

I

tworzy z pojemnością C

I

obwód RC, jednak w tym przypadku, a podobnie
w przypadku obwodu R

O

C

O

, nie tyle interesuje

nas częstotliwość graniczna tego obwodu, tylko
stała czasowa RC, wyrażona w sekundach. Rzecz
w tym, że tuż po włączeniu zasilania, puste do tej
pory kondensatory C

I

, C

O

muszą się naładować,

między innymi właśnie przez R

I

, R

O

, a po wyłą-

czeniu zasilania muszą się rozładować przez te
rezystory. To ładowanie i rozładowywanie okre-
ślane jest jako stany nieustalone. W tym czasie
wzmacniacz być może nie będzie poprawnie pra-
cował, a nawet mogą pojawić się sygnały zakłó-
cające (szum, stuk, pisk, lub podobne). Dlatego
stałe czasowe R

I

C

I

oraz R

O

C

O

nie powinny być

znacząco dłuższe
niż 1s.

Zauważ

jeszcze, że we
w z m a c n i a c z u
nieodwracają-
cym mamy dwa
obwody, pełnią-

ce rolę filtrów: R3C

I

oraz zaznaczony na

rysunku R kolorem różowym obwód R

A

C

A

.

Ten obwód też powoduje, że układ jest filtrem
górnoprzepustowym i też tłumi składniki o
częstotliwościach mniejszych od swojej czę-
stotliwości granicznej. Moglibyśmy skorzy-
stać z podanego właśnie wzoru i obliczyć
częstotliwość graniczną tego obwodu:
C

A

[uF] = 160 / f [Hz]*R

A

[k

Ω]

Jednak zazwyczaj tak dobieramy wartości
R

A

, C

A

, żeby częstotliwość graniczna leża-

ła poniżej granicy pasma akustycznego. W
praktyce wartości R

A

są rzędu pojedynczych

kiloomów, czasem nawet poniżej 1k

Ω i zwy-

kle C

A

jest popularnym kondensatorem elek-

trolitycznym (aluminiowym) o pojemności
10...100uF, co daje częstotliwość graniczną
16Hz lub mniejszą.

Jeśli natomiast chodzi o obwód wyjściowy,

to pojemność wyjściowa C

O

współpracuje

nie tylko z rezystancją pomocniczą R

O

, ale

z równoległym połączeniem rezystancji R

O

i

rezystancji R

L

, która jest rezystancją wejścio-

wą następnego stopnia, co pokazują niebieskie
prostokąty. Ponieważ wartość tej zewnętrznej
rezystancji R

L

, obciążającej wyjście, może być

różna, należy pojemność C

O

dobrać z zapasem.

Zazwyczaj nie trzeba tu niczego liczyć. W
praktyce kondensator wyjściowy C

O

jest „zwy-

kłym elektrolitem” o znacznej pojemności,
często 10uF lub 22uF, a R

O

ma dużą wartość,

zwykle 100k

Ω. Daje to stałą czasową C

O

R

O

rzędu 1s, co też oznacza bardzo niską często-
tliwość graniczną obwodu C

O

R

O

(0,16Hz) i

umożliwia pracę nawet z niewielką rezystancją
obciążenia R

L

, rzędu 1k

Ω. Jeśli w układzie nie

ma rezystora R

O

, a kondensator C

O

dołączony

jest do wyjścia następnego stopnia, to można
zastosować C

O

o znacznie mniejszej pojemno-

ści, obliczonej ze wzoru:

C

O

= 1 / 2

πfR

C

O

[uF] = 160 / f [Hz]*R[k

Ω]

gdzie R to rezystancja wejściowa następne-
go stopnia. W takich przypadkach zazwy-
czaj pojemność C

O

jest niewielka i można

zastosować kondensator stały, foliowy, a nie
ceramiczny. Gdyby to miał być kondensator
elektrolityczny, trzeba zwrócić uwagę na bie-
gunowość, jak wskazuje na to rysunek S.

TECHNIKALIA

+

+

+

+

_

_

+

R

A

R

A

C

A

C

A

R

B

R

B

+U

R1

R2

R

O

R

O

R

L

R

L

C

O

C

O

C

I

C

I

R

I

R

I

+

+

C1

wy

we

+

R3

Rys. R

Rys. S

R E K L A M A

Ośla łączka