Temat i plan wykładu

Wzmacniacze operacyjne              

1. Wprowadzenie

2. Podstawowe parametry i układy pracy

3. Wzmacniacz odwracający i nieodwracający

4. Układ całkujący, róŜniczkujący, róŜnicowy

5. Konwerter prąd-napięcie

6. Przykłady zastosowań

Symbole graficzne na schematach

najczęściej spotykane

Właściwości idealnego wzmacniacza 

operacyjnego

Zacisk „-” nasi nazwę wejścia odwracającego, poniewaŜ
sygna

ł

wyjściowy jest odwrócony w fazie o 180

°

względem 

sygna

ł

u przy

ł

oŜonego do tego wejścia.

Zacisk „+” jest wejściem nieodwracającym, poniewaŜ
sygna

ł

wyjściowy jest w fazie z sygna

ł

em doprowadzonym 

do tego wejścia.

Wzmacniacz operacyjny moŜe pracować w uk

ł

adzie o 

wejściu niesymetrycznym, jeŜeli sygna

ł

wejściowy podany 

jest na jedno z dwóch wejść (sygna

ł

przy

ł

ą

czony jest 

pomiędzy zaciskiem wejściowym a masą, przy drugim 
zacisku do

ł

ą

czonym do masy). 

W uk

ł

adzie o wejściu symetrycznym sygna

ł

wejściowy 

doprowadza się między wejścia wzmacniacza. Sygna

ł

taki 

nazywa się sygna

ł

em róŜnicowym.

Podstawowe parametry wzmacniacza 

operacyjnego (idealnego)

•

nieskończona wartość impedancji wejściowej R

we

= 

∞

∞

∞

∞

•

nieskończona wartość wzmocnienia róŜnicowego A

r

= 

∞

∞

∞

∞

•

zerowa wartość impedancji wyjściowej R

wy

= 0

•

nieskończone pasmo przenoszonych częstotliwości

•

brak zjawisk niepoŜądanych (niestabilność, 

niezaleŜność od zmian napięcia zasilania, itp.)

Podstawowe parametry rzeczywistego 

wzmacniacza operacyjnego

Wyprowadzenia, zasilanie

Idealny wzmacniacz operacyjny po 

załączeniu napięć zasilających i 

podłączeniu wejść do wspólnego 

potencjału zerowego powinien mieć

równieŜ zerowe napięcie wyjściowe i 

zerowe prądy wyjściowe. 

Wzmacniacz rzeczywisty nie spełnia tych 

wymagań, ale ich odchyłki są nieznaczące 

z punktu widzenia praktycznego. 

Parametry wzmacniacza operacyjnego

Model idealnego WO

Model WO

V

out 

= A

0

(V

in+

- V

in-

) 

Wzmacniacz jako komparator (układ porównujący)

Jednak w praktyce…

Jednak w praktyce…

Sprz

ęŜ

enie zwrotne

- oddziaływanie skutku jakiego

ś

zjawiska na jego przyczyn

ę

.

Ujemne

Dodatnie

Zwi

ę

ksza wzmocnienie. 

Destabilizuje. Jest stosowane w 

generatorach i układach 

regeneracyjnych.

We wzmacniaczach – mo

Ŝ

e 

wyst

ą

pi

ć

jako efekt paso

Ŝ

ytniczy.

Sprz

ęŜ

enie zwrotne i jego wpływ na 

parametry wzmacniacza

Sprz

ęŜ

enie zwrotne dodatnie 

A

f

∞

∞

Podstawowe układy pracy wzmacniaczy 

operacyjnych

Wzmacniacze operacyjne pracuj

ą

najcz

ęś

ciej w układach       

z zewn

ę

trznym ujemnym sprz

ęŜ

eniem zwrotnym.

Sprz

ęŜ

enie polepsza własno

ś

ci wzmacniacza:

• zmniejsza nieliniowo

ść

charakterystyk i niezrównowa

Ŝ

enie,

• poszerza pasmo cz

ę

stotliwo

ś

ci,

• poprawia stało

ść

parametrów,

• umo

Ŝ

liwia dobór wzmocnienia.

W układach z otwart

ą

p

ę

tl

ą

(lub z dodatnim sprz

ęŜ

eniem zwrotnym) 

wzmacniacze operacyjne pracuj

ą

jako komparatory, tzn. w jednym z 

dwóch stanów zatkania i nasycenia.

Wzmacniacz odwracaj

ą

cy

(

ω≈

0)

Wzmacniacz odwracaj

ą

cy

(

ω≈

0)

R

F

A

R

1

=R||R

F

u

id

R

I

R

I

RF

R

R

R

R

K

u

u

R

u

R

u

R

u

I

R

u

I

I

I

Au

u

WE

F

U

WY

F

WY

F

WY

FR

R

FR

R

id

WY

=

−

=

=

−

=

−

=

=

=

=

1

1

1

,

,

u

wy

u

1

Wzmacniacz odwracaj

ą

cy - symulacja

Wzmacniacz odwracaj

ą

cy - zastosowanie

Wzmacniacz sumuj

ą

cy

R

F

u

1

u

wy

R

1

R

2

u

2

F

I

I

I

=

+

2

1

F

wy

R

u

R

u

R

u

−

=

+

2

2

1

1













+

−

=

2

2

1

1

R

u

R

u

R

u

F

wy

(

)

2

1

u

u

R

R

u

F

wy

+

−

=

R

R

R

=

=

2

1

(

ω≈

0)

Wzmacniacz sumuj

ą

cy

Sumator audio - mikser

Wzmacniacz nieodwracaj

ą

cy

(

ω≈

0)

R

F

u

1

u

wy

A

R

u

id

Ω

=

+

=

=

+

=

=

−

M

R

R

R

K

u

u

R

R

R

u

u

u

WE

F

U

WY

F

WY

1

1

1

Wzmacniacz nieodwracaj

ą

cy

(

ω≈

0)

Wtórnik napi

ę

ciowy

u

1

u

wy

A

u

id

Ω

=

=

+

=

=

∞

=

=

G

R

K

R

R

K

u

u

R

R

WE

U

F

U

WY

F

1

1

,

0

1

R

F

u

1

u

wy

A

R

u

id

Wtórnik napi

ę

ciowy

(

ω≈

0)

Wzmacniacz ró

Ŝ

nicowy

(

ω≈

0)

R

F

u

1

u

wy

R

R

u

2

R

F

U
_

U

+

(

)

1

2

2

1

2

1

u

u

R

R

u

U

U

R

R

R

u

U

R

R

R

u

R

u

U

R

U

R

U

u

R

u

U

R

U

u

F

WY

F

F

F

WY

F

F

F

WY

−

=

=

+

=

+

+

=

=

−

−

=

−

−

+

+

−

+

+

−

−

szum

1

1

+

=

in

u

u

szum

2

2

+

=

in

u

u

(

)

in

in

in

in

WY

u

u

u

u

R

R

u

1

2

1

2

F

szum

-

szum

−

=

+

+

=

Wzmacniacz ró

Ŝ

nicowy

(

ω≈

0)

Wzmacniacz ró

Ŝ

nicowy - zastosowanie

Wzmacniacz całkuj

ą

cy - integrator

u

1

u

wy

R

u

id

C

( )

∫

+

−

=

−

=

−

=

t

C

WY

WY

WY

u

dt

u

RC

u

u

RC

dt

du

dt

du

C

R

u

0

1

1

1

0

1

1

Wzmacniacz całkuj

ą

cy - integrator

Wzmacniacz całkuj

ą

cy - integrator

Wzmacniacz ró

Ŝ

niczkuj

ą

cy

u

1

u

wy

R

u

id

C

dt

du

RC

u

R

u

I

dt

du

C

I

WY

WY

WY

R

C

−

=

−

=

=

1

Wzmacniacz ró

Ŝ

niczkuj

ą

cy

Wzmacniacz ró

Ŝ

niczkuj

ą

cy

Konwerter I/U

u

wy

R

i

iR

u

WY

−

=

Konwerter I/U

Konwerter I/U - zastosowanie

u

wy

R

iR

u

WY

−

=

i

U

Charakterystyk

ę

amplitudowa wzmacniacza 

Elektrokardiografia – system pomiarowy

Temat i plan wykładu

Komparatory napięcia

1. Wprowadzenie

2. Budowa komparatorów napięcia

3. Podstawowe parametry i układy pracy

4. Komparator nieregeneracyjny i regeneracyjny

5. Przerzutniki Schmitta

6. Detektory zera

7. Dyskryminatory okienkowe

Komparatory napięcia

Komparatory słuŜą do porównywania 
dwóch sygnałów analogowych (stałych 
lub zmiennych) doprowadzonych do ich 
wejść oraz do zaznaczenia poprzez 
zmianę napięcia wyjściowego chwili 
zrównania sygnałów wejściowych.

Często chcemy wiedzieć, które z dwóch napięć
ma większą wartość lub wykryć chwilę, w której 
napięcie danego sygnału przekracza pewną
ustaloną wcześniej wartość.

ELEKTRONIKA – Jakub Dawidziuk 

czwartek, 10 grudnia 2015

Budowa i własności komparatorów

Porównanie napięcia moŜna dokonywać za pomocą wzmacniaczy 
operacyjnych, jednak znacznie lepsze rezultaty uzyskuje się po 
zastosowaniu układów specjalnie do tego celu wytwarzanych.

Komparatory napięcia mają budowę podobną do wzmacniaczy 
operacyjnych, z układem róŜnicowym na wejściu.

RóŜnią się od wzmacniaczy operacyjnych:

• mniejszym napięciem niezrównowaŜenia, 

• krótszym czasem odpowiedzi na pobudzenie skokowe,

• napięcia wyjściowe w stanach ustalonych przyjmują najczęściej 
wartości odpowiadające typowym poziomom logicznym wyjść układów 
cyfrowych:

U

H0

„1”

i 

U

L0

„0”,

•

komparator jest jednobitowym 

przetwornikiem analogowo-cyfrowym.

• Pojawienie się róŜnicy napięć rzędu ułamka mV między 
wejściami komparatora wywołuje skokową zmianę poziomu 
napięcia na wyjściu,
• poziom napięcia wyjściowego jest wysoki albo niski, 
zaleŜnie od znaku róŜnicy napięć wejściowych,
• jeŜeli napięcie wejściowe podane na końcówkę
odwracającą

(-)

komparatora jest mniejsze od napięcia 

podawanego na końcówkę nieodwracającą

(+)

, to napięcie 

wyjściowe przyjmuje poziom wysoki

(H)

, 

•jeŜeli napięcie wejściowe podane na końcówkę
odwracającą

(-)

komparatora jest większe od napięcia 

podawanego na końcówkę nieodwracającą

(+)

, to napięcie 

wyjściowe przyjmuje poziom niski

(L)

.

Zasada działania komparatora napięcia

+U

CC

-U

CC

u

we

U

REF

u

wy

GND

u

wy

t

U

HO

U

LO

u

we

t

U

REF

0

0

Zasada działania 
komparatora 
nieregeneracyjnego

•

du

wy

/dt zaleŜy od zmian du

we

/dt dla 

wolnozmiennych przebiegów wejściowych

•

szumy w sygnale wejściowym mogą powodować
wielokrotne przełączanie wyjścia

Wady komparatorów nieregeneracyjnych

t

u

u

we

U

REF

u

wy

Wady moŜna usunąć stosując komparator regeneracyjny 
z dodatnim sprzęŜeniem zwrotnym (z histeraezą).

Komparator regeneracyjny odwracający

Zadaniem rezystora 

R

F

jest spowodowanie powstania 

dwóch poziomów napięcia progowego, którego wartości 
będą zaleŜały od stanu wyjścia komparatora.

R

F

u

we

u

wy

R

U

REF

Wyznaczenie progów przełączania i histerezy

(

)

(

)

0

0

0

0

L

H

F

H

L

wy

H

wy

wy

wy

F

pL

pH

H

F

F

REF

F

wy

pL

F

F

REF

F

wy

pH

U

U

R

R

R

U

U

U

U

U

U

U

R

R

R

U

U

U

R

R

R

U

R

R

R

U

U

R

R

R

U

R

R

R

U

U

−

+

=

=

=

−

+

=

−

=

+

+

+

=

+

+

+

=

min

max

min

max

min

max

u

wy

u

we

U

HO

U

REF

U

pL

U

H

U

LO

Charakterystyka przejściowa komparatora 

odwracającego z histerezą

U

pH

u

wy

komparatora nieregeneracyjnego

t

U

HO

U

LO

u

wy

komparatora regeneracyjnego

U

HO

t

U

LO

u

we

t

U

REF

U

his

Komparator z otwartym kolektorem

np.+5V

wy OC

R 

0,5-5kΩ

Przykłady 
komparatorów:

LM 311-szybki

LM 339, CP 401-OC

TLC 393-CMOS

NE 529-dwie bramki, 
światłowodowe 
przekazywanie danych, 
przetwornik A/C

MAX 921-wewnętrzne 
napięcie odniesienia, 
programowalna 
histereza, wyjście 
TTL/CMOS

czas odpowiedzi: ns, µs

zasilanie: symetryczne, asymetryczne

OC-open collector

Przerzutnik Schmitta odwracający

R

F

u

we

u

wy

R

Wyznaczenie progów przełączania i szerokości pętli 

histerezy odwracającego przerzutnika Schmitta

(

)

min

max

min

max

wy

wy

F

pL

pH

H

F

wy

pL

F

wy

pH

U

U

R

R

R

U

U

U

R

R

R

U

U

R

R

R

U

U

−

+

=

=

−

=

+

=

+

=

Charakterystyka przejściowa 

odwracającego przerzutnika Schmitta

u

wy

U

wymax

U

pH

U

pL

U

H

U

wymin

u

we

0

Przebiegi napięć w odwracającym 

przerzutniku Schmitta

Wyłącznik zmierzchowy

Modulator szeroko

ś

ci impulsu

k

koniec

Detektory przejścia przez zero

Detektor przejścia przez zero wytwarza sygnał
wyjściowy zmieniający stan za kaŜdym razem, 
gdy wartość analogowego sygnału wejściowego 
przekracza poziom zerowy. Układ taki jest 
szczególnie przydatny przy analizie widma 
częstotliwościowego sygnału, gdyŜ przetwarza 
sygnał analogowy w ciąg impulsów prostokątnych 
o szerokościach zaleŜnych od częstotliwości. W 
ten sposób następuje redukcja szumów i 
zniekształceń sygnału badanego, a dalszą
analizę moŜna łatwo przeprowadzić metodami 
cyfrowymi.

Przebiegi napięć detektora zera

Układy detektorów przejścia przez zero

Zastosowanie detektorów przejścia przez zero

•Systemy przetwarzania i obróbki danych analogowych, 

• układy pamięci analogowych,

• badanie korelacji sygnałów.

NaleŜy stosować szybkie komparatory, aby 
opóźnienie sygnału wyjściowego w stosunku do chwili 
przejścia przez zero było małe, i jednocześnie o 
dobrej dokładności, aby błąd określenia poziomu 
zerowego był mały. W detektorach przejścia przez 
zero często stosuje się zamiast komparatora 
napięcia wzmacniacz operacyjny.

Dyskryminatory okienkowe

Dyskryminator okienkowy powinien wytwarzać na 
swym wyjściu sygnał logiczny stwierdzający, czy 
wartość napięcia wejściowego zawiera się w 
określonym przedziale napięć odniesienia. 
Dyskryminatory tego rodzaju znajdują szerokie 
zastosowanie w technice pomiarowej, w układach 
sygnalizacyjnych, a takŜe w elektronice 
jądrowej, gdzie spełniają funkcję
jednokanałowych analizatorów amplitudy.

Najłatwiej moŜna zbudować dyskryminator 
okienkowy stosując dwa komparatory napięcia lub 
komparator podwójny.

Przerzutnik astabilny

R

2

R

1

wy

C

R

u

C

u

wy

Mogą być uŜyte wzmacniacze operacyjne lub komparatory:

przerzutnik astabilny, generator relaksacyjny, muliwibrator.

u

wy

i

t

U

CC

-U

CC

t

u

C

CC

U

R

R

R

2

1

1

+

CC

U

R

R

R

2

1

1

+

−

∆t

1           

∆t

2

Wzmacniacze pomiarowe

WP jest wzmacniaczem ró

Ŝ

nicowym o bardzo du

Ŝ

ej 

impedancji wej

ś

ciowej i małej wyj

ś

ciowej. Regulacja 

wzmocnienia odbywa si

ę

za pomoc

ą

jednego rezystora 

zewn

ę

trznego. S

ą

one przeznaczone do wzmacniania 

małych sygnałów ró

Ŝ

nicowych w obecno

ś

ci stosunkowo 

du

Ŝ

ych sygnałów sumacyjnych (zakłóce

ń

). W przypadku 

bardzo du

Ŝ

ych sygnałów sumacyjnych współpracuj

ą

ze 

wzmacniaczami izolacyjnymi, w przypadkach 
wyst

ę

powania bardzo du

Ŝ

ych ró

Ŝ

nic napi

ęć

sumacyjnych 

obwodu wej

ś

ciowego i wyj

ś

ciowego, np. kilka tysi

ę

cy 

woltów. Inny obszar zastosowa

ń

- aparatura medyczna. 

Producenci: Burr-Brown, National Semiconductor, Analog 
Devices.

W

z

m

a

c

n

ia

c

z

 p

o

m

ia

ro

w

y

(

)

a

b

o

u

u

R

R

u

−

=

2

3

(

)

b

g

a

u

R

R

i

u

+

+

=

1

2

(

)

g

a

b

R

R

i

u

u

+

−

=

−

1

2

g

a

b

R

R

u

u

i

+

−

=

−

1

2

g

S

S

R

u

u

u

u

i

−

−

+

=

2

1

g

R

u

u

i

1

2

−

−

=

g

g

a

b

R

u

u

R

R

u

u

1

2

1

2

−

=

+

−

(

)

1

2

1

2

1

u

u

R

R

u

u

g

a

b

−















+

=

−

(

)

1

2

1

2

3

2

1

u

u

R

R

R

R

u

g

o

−















+

=

(

)

1

2

1

3

2

2

1

u

u

R

R

u

R

R

g

o

−















+

=

=

W

z

m

a

c

n

ia

c

z

 p

o

m

ia

ro

w

y

(

)

a

b

o

u

u

R

R

u

−

=

2

3

(

)

b

g

a

u

R

R

i

u

+

+

=

1

2

(

)

g

a

b

R

R

i

u

u

+

−

=

−

1

2

g

a

b

R

R

u

u

i

+

−

=

−

1

2

g

S

S

R

u

u

u

u

i

−

−

+

=

2

1

g

R

u

u

i

1

2

−

−

=

g

g

a

b

R

u

u

R

R

u

u

1

2

1

2

−

=

+

−

(

)

1

2

1

2

1

u

u

R

R

u

u

g

a

b

−















+

=

−

(

)

1

2

1

2

3

2

1

u

u

R

R

R

R

u

g

o

−















+

=

(

)

1

2

1

3

2

2

1

u

u

R

R

u

R

R

g

o

−















+

=

=

Wzmacniacz pomiarowy - przykład

Elektrokardiografia – system pomiarowy

UKŁADY  FORMOWANIA  IMPULSÓW

+12V

-12V

GND

US1 B

LM 393 B  

6

5

7

R1

R2

33k

D1

US1 A

LM 393 A  

2

3

8

4

1

-12V

+12V

R3

4,7k

R4

R5

4,7k

UKŁAD GENERUJ

Ą

CY NAPI

Ę

CIE PIŁOKSZTAŁTNE

DETEKTOR PRZEJ

Ś

CIA NAPI

Ę

CIA PRZEZ ZERO

PROSTOWNIK DWUPOŁÓWKOWY

UKŁAD CAŁKUJ

Ą

CY 

UKŁAD  RÓ

ś

NICZKUJ

Ą

CY

LM393  

PRZERZUTNIK MONOSTABILNY

CD4047  

Q

Q

OSC

(+)TRI

(-)TRI

6

8

R

RC

C

3

2

1

AST

Vcc

4

14

10

11

13

5

9

12

7

AST CLR REtri Vss

CD4047  

+12V

t

 = 1,38 R C  

OSC

t  = 2,48 R C  

Q

C4  

KOMPARATOR Z HISTEREZ

Ą

7

8

2

3

4

1

-12V

+12V

4,7k

7

8

2

3

4

1

-12V

+12V

R9

P2
470k

R8

4,7k

R10

10k

R11

10k

LM311  

LM311  

US4

LM311  

US3

LM311  

LM317

2

1

3

+12V

C2

100n

P3

4,7k

C2

240

C3

100n

+12V

US2

TL081  

2

3

7

4

6

-12V

+12V

R6

10k

P1
200k

-12V

C1

10n

D2

D3

T1

BF245

R7

20k

TL081  

US5

US6