Kurs Podstaw Elektroniki cz. 8

26 września 
Zaszufladkowany do: Edukacyjne
Tagi: kurs elektroniki, projektowanie, wzmacniacz

Komentarze (4) 

Po wielu miesiącach przekładania i zwlekania postanowiłem dokończyć i opublikować ostatnią już cześć kursu podstaw elektroniki. Zajmiemy się w niej wzmacniaczami operacyjnymi.

Aby móc dobrze zrozumieć zasadę działania wzmacniaczy operacyjnych, niezbędne jest poznanie pojęcia sprzężenia zwrotnego. Cóż to takiego?

Sprzężenie zwrotne

Sprzężenie zwrotne polega na oddziaływaniu sygnału wyjściowego na sygnał wejściowy.  Sygnał ten może oddziaływać na dwa sposoby - może dodawać się do niego lub odejmować. Dlatego wyróżniamy dwa typy sprzężenia:

• Sprzężenie dodatnie – sygnał wejściowy i wyjściowy się sumują. Znajduje zastosowanie np. w generatorach.

• Sprzężenie ujemne – sygnał z wyjścia jest odejmowany od wejściowego. Przydatne gdy chcemy uzyskać dobre parametry podczas wzmacniania sygnału.

Powyżej dokonałem pewnego uproszczenia, ponieważ zwykle nie jest dodawana lub odejmowana całość sygnału wyjściowego, a jedynie jego część.

Działanie wzmacniacza operacyjnego

Symbol wzmacniacza operacyjnego

Wzmacniacz operacyjny to element o trzech wyprowadzeniach (+zasilanie, najczęściej symetryczne). Dwa z nich to wejścia, jedno to wyjście. Działanie wzmacniacza operacyjnego jest proste, choć na początku może się wydawać skomplikowane  i nieco dziwne, ale spokojnie. Uporamy się z tym.

Wejście wzmacniacza operacyjnego to wejście różnicowe. Posiada on dwa wyprowadzenia wejściowe - jedno z nich jest wejściem odwracającym (oznaczone znakiem “-”),  drugie nieodwracającym (dla odmiany ze znaczkiem “+”). Wejście to działa w sposób następujący:

Zwiększanie napięcia na wejściu nieodwracającym (“+”) prowadzi do zwiększania napięcia na wyjściu. Zwiększanie napięcia na wejściu odwracającym (“-”) powoduje zmniejszanie się napięcia wyjściowego i odwrotnie – zmniejszanie napięcia na tym wejściu skutkuje wzrostem napięcia na wyjściu.  W przypadku gdy podamy na oba wejścia to samo napięcie, na wyjściu wystąpi napięcie 0V, ponieważ napięcia te zrównoważą się; różnica między nimi wyniesie 0V.

Następnie napięcie z wejścia różnicowego jest wzmacniane… jakieś kilka – kilkaset tysięcy razy (nawet do miliona, w zależności od modelu wzmacniacza). Szybko nasuwa się pytanie – jak to ma działać ? Przecież gdy różnica napięcia wyniesie nawet 0,5V, wywoła ono na wyjściu różnicę o np. 50000V (dla wzmocnienia równego 100000x) ! Co prawda, z przyczyn konstrukcyjnych, takie napięcie nie wystąpi na wyjściu układu scalonego, będzie tam za to  tyle, ile się da, czyli prawie pełne napięcie zasilania. Nie ułatwi to jednak sprawy.

Tutaj wkracza do akcji sprzężenie zwrotne – dzięki niemu jest możliwe wystąpienie na wyjściu układunapięć innych niż bliskie napięciom zasilania. Zastanówmy się jaki warunek trzeba spełnić aby na wyjściu wystąpiło napięcie np. 3V przy wzmocnieniu 10000 razy). Wystarczy wykonać proste działanie:
3V/10000 =  0,0003V = 300µV
Niewiele, co? Wniosek jest prosty – na obu wejściach musi występować prawie identyczne napięcie. Da się to osiągnąć poprzez zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego, o którym więcej powiemy sobie przy okazji wtórnika napięciowego i innych praktycznych zastosowań wzmacniaczy operacyjnych.

Wtórnik napięciowy

Wtórnik to najprostsza rzecz jaką można zrobić z użyciem wzmacniacza operacyjnego – wystarczy podawać sygnał na wejście nieodwracające i połączyć wejście odwracające z wyjściem, a na wyjściu będą występować praktycznie te same sygnały, co na wejściu.

Schemat wtórnika napięciowego

Zgodnie z tym, co ustaliliśmy wcześniej, różnica napięć wejściowych musi być bardzo niewielka aby układ był zdolny do wiernego przetwarzania sygnału. Dzięki podawaniu pełnego napięcia wyjściowego na wejście odwracające, różnica między nim i sygnałem wyjściowym zawsze zmierza do zera. Jeśli na wyjściu napięcie jest za duże, napięcie na wejściu różnicowym zmaleje i tym samym stan na wyjściu będzie odpowiedni. Tak właśnie działa pętla sprzężenia zwrotnego, pozwala na korekcję sygnału, tak aby był jak najwierniejszy oryginalnemu.

Dobrze, ale do czego się taki wtórnik może przydać? Wejścia wzmacniacza operacyjnego pobierają bardzo niewielki prąd lub nie pobierają go wcale (zależy do budowy jego stopni wejściowych), za to z jego wyjścia można pobierać znacznie większe ilości elektronów. Wtórnik może posłużyć do odciążenia źródła sygnału o niewielkiej wydajności prądowej lub “podkradania” jego stanu bez wprowadzania znaczących zmian spowodowanych poborem prądu.

Wzmacniacz nieodwracający

Wzmocnienie większe niż 1 (jak było w przypadku wtórnika napięciowego) można uzyskać przez zmniejszenie części sygnału wracającego na wejście poprzez pętlę sprzężenia zwrotnego. W praktyce robi się to z pomocą dzielnika rezystorowego wg. schematu:

Schemat wzmacniacza nieodwracającego

Dzięki sprzężeniu zwrotnemu, napięcie na wejściu odwracającym (“-”) będzie dążyć do zrównania się z napięciem wejściowym, występującym na wejściu nieodwracającym. Pętlą nie wraca jednak pełne napięcie wyjścia, a jedynie jego część. Nadal występuje różnica na tyle duża, aby napięcie na wyjściu dalej rosło (przyjmijmy, że wzmacniamy sygnał o dodatnim napięciu względem masy). Napięcie to będzie rosło aż do czasu zmniejszenia się różnicy między wejściami wzmacniacza operacyjnego do zera.

Skutek tego jest następujący: na wyjściu wystąpi sygnał praktycznie identyczny kształtem do sygnału wejściowego, ale o większej amplitudzie. Wzmocnienie jest równe:

G = 1+R2/R1

Jak widać ze wzoru,  wzmocnienie nie może być mniejsze niż 1. Wzmacniacz równie dobrze sobie radzi z napięciami stałymi jak i zmiennymi. Posiada również zaletę wspomnianą podczas omawiania wtórnika – pobiera niewielki, wręcz zerowy prąd.

Wzmacniacz odwracający

Tym razem weźmy na warsztat inny układ, choć działający podobnie do poprzedniego. Tym razem dołączmy wyjście nieodwracające do masy, a dzielnik rezystorowy zastosujmy wprost na wejściu wg. schematu z rysunku poniżej:

Schemat wzmacniacza odwracającego

Przyjmijmy, że znów wzmacniamy dodatnie napięcie. Popłynie ono przez rezystor R1 i trafi na wejście odwracające. Wzrost napięcia na tym wyjściu poskutkuje powstaniem na wejściu różnicowym napięcia o wartości ujemnej. Zostanie ono wzmocnione bardzo dużo razy i podane na wyjście wzmacniacza operacyjnego. Stamtąd trafi z powrotem do wejścia odwracającego przez rezystor R2 i obniży potencjał na nim panujący. Dzięki temu sytuacja po chwili ustabilizuje się i na wyjściu układu zapanuje napięcie wzmocnione o:

G = -R2/R1

Ten minus to nie pomyłka – na wyjściu wystąpi napięcie odwrócone w fazie. Dla przykładu 3V wzmocnione -2 razy da na wyjściu -6V. Jak można wywnioskować, dlatego ten wzmacniacz nazwano wzmacniaczem odwracającym.  Z wzoru można również wywnioskować, że wzmacniacz ten może  nie tylko wzmacniać, ale i osłabiać sygnał – wzmocnienie może być mniejsze od 1 (a właściwie -1).

Na zakończenie

Wygląda na to,  że to już ostatni odcinek kursu podstaw elektroniki. Jeśli ktoś do tego czasu dotrwał, to gratuluje - przez czas trwania kursu strona zmieniła adres (kto jeszcze pamięta jak znajdowała się pod diy.duu.pl?), dwa razy system zarządzania treścią i przeszła niezliczone modyfikacje. Nie zawsze byłem zbyt terminowy, na niektóre odcinki trzeba było czekać po kilka miesięcy (tak jak na ten). Podczas tych ośmiu odcinków omówiliśmy podstawowe pojęcia, elementy i rozwiązania stosowane w elektronice.

Koniec kursu nie oznacza końca artykułów o elektronice na tej stronie. Po prostu będą się inaczej nazywać i nie będą omawiać wszystkiego na raz. Niedawno wystartowały dwie serie po kilka artykułów o zasilaczach oraz zastosowaniach układu NE555. Zapraszam do czytania.

Osoby, którym czytanie kursu elektroniki pomogło w wykonaniu własnych urządzeń zachęcam do wrzucenia ich opisów na forum – zawsze chętnie publikuję materiału użytkowników w wortalu – macie na to szansę!

Jak zwykle, jest kilka prostych pytań dla powtórzenia:

Pytania:

1. Co to jest sprzężenie zwrotne?

2. Jakie są rodzaje sprzężenia zwrotnego?

3. Ile i jakich wyprowadzeń posiada wzmacniacz operacyjny?

4. Jakie napięcie znajduje się na wyjściu wtórnika napięciowego?

5. Czym różni się wzmacniacz odwracający od nieodwracającego?

Odpowiedzi:

1. Sprzężenie zwrotne to oddziaływanie na sygnał wejściowy przez sygnał wyjściowy układu.

2. Dodatnie i ujemne.

3. Wzmacniacz  operacyjny posiada dwa wejścia (odwracające i nieodwracające) oraz jedno wyjście. Można jeszcze wspomnieć o końcówkach zasilających.

4. Takie samo (lub przynajmniej bardzo podobne) jak na wejściu.

5. Fazą napięcia wyjściowego (wzmacniacz odwracający zgodnie z nazwą ją odwraca) oraz możliwością uzyskania wzmocnienia mniejszego niż 1 (wzmacniacz nieodwracający nie może mieć wzmocnienia mniejszego niż 1).