AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA

im. Stanisława Staszica w Krakowie

WYDZIAŁ INŻYNIERII

MECHANICZNEJ I ROBOTYKI

KATEDRA ROBOTYKI I

MECHATRONIKI

Elektronika w mechatronice

Sprawozdanie 8. Wzmacniacz operacyjny –

podstawowe układy pracy

Opracowali: Marek Miodunka, Tomasz Strzałka

Cel ćwiczenia:

Celem tego ćwiczenia było poznanie wzmacniaczy operacyjnych oraz ich

podstawowego wykorzystania w układach elektronicznych.

Zadanie 1. Wzmacniacz odwracający i nieodwracający

Zbudowano układ wzmacniacza odwracającego z wykorzystaniem wzmacniacza

operacyjnego LT1001:

Założono współczynnik wzmocnienia 5. Wzmacniacz operacyjny nie pobiera prądu,

więc jednakowy prąd I płynie przez oporniki 𝑅

𝑖𝑛

oraz

𝑅

𝑓

. Z kolei potencjały obu wejść są

jednakowe

𝑈

𝐴𝐵

= 0, stąd wynika, że oba wejścia wzmacniacza operacyjnego są na potencjale

masy. Dlatego napięcie na rezystorze 𝑅

𝑖𝑛

jest równe

𝑈

+

− 𝑢

𝑤𝑒

= −𝑢

𝑤𝑒

, stąd: 𝐼 = −

𝑢

𝑤𝑒

𝑅

𝑖𝑛

.

Analogicznie napięcie na rezystorze 𝑅

𝑓

jest równe

𝑢

𝑤𝑦

i prąd jest równy

𝐼 =

𝑢

𝑤𝑦

𝑅

𝑓

.

Porównując prądy otrzymujemy:

−

𝑢

𝑤𝑒

𝑅

𝑖𝑛

=

𝑢

𝑤𝑦

𝑅

𝑓

Czyli wzmocnienie jest równe:

𝑘

𝑢

=

𝑢

𝑤𝑦

𝑢

𝑤𝑒

= −

𝑅

𝑓

𝑅

𝑖𝑛

Na tej podstawie dobrano

𝑅

𝑓

= 5000Ω, 𝑅

𝑖𝑛

= 1000Ω. (Minus świadczy jedynie o

odwracaniu sygnału.) Następnie przeprowadzono symulację w domenie czasu:

Na wejściu wzmacniacza użyto sygnały sinusoidalnego o amplitudzie 50mV.

Jak można zauważyć amplituda sygnały wyjściowego wynosi 250mV, a sygnał został

odwrócony czyli wzmocnienie wyniosło 5. Sygnał wyjściowy nie został zniekształcony.

Następnie postanowiono zbudować układ z wzmacniaczem nieodwracającym o takim

samym wzmocnieniu równym 5. W wzmacniaczu nieodwracającym wzmocnienie wyrażone

jest wzorem:

1 +

𝑅

𝑓

𝑅

𝑖𝑛

, więc dobrano wartości 𝑅

𝑓

= 4000Ω, 𝑅

𝑖𝑛

= 1000Ω.

Przeprowadzono symulację w dziedzinie czasu:

Amplituda sygnału wejściowego jest równa 50mV, a wyjściowego 250mV czyli zostało

osiągnięte założone wzmocnienie równe 5. Sygnał nie został zniekształcony.

Zadanie 2. Wzmacniacz sumujący i różnicowy

Wzmacniacz sumujący jest szczególnym przypadkiem wzmacniacza odwracającego.

Analizując układ analogicznie jak w przypadku wzmacniacza odwracającego:

𝐼

1

+ 𝐼

2

+ 𝐼

3

+ ⋯ + 𝐼

𝑛

= 𝐼

𝑓

oraz

𝑈

𝐴𝐵

= 0

Z tego wynika:

𝑈

1

𝑅

1

+

𝑈

2

𝑅

2

+

𝑈

3

𝑅

3

+ ⋯ +

𝑈

𝑛

𝑅

𝑛

+

𝑈

𝑤𝑦

𝑅

𝑓

= 0

Stąd:

𝑈

𝑤𝑦

= −𝑅

𝑓

(

𝑈

1

𝑅

1

+

𝑈

2

𝑅

2

+

𝑈

3

𝑅

3

+ ⋯ +

𝑈

𝑛

𝑅

𝑛

)

Postanowiono skonstruować układ z trzema sygnałami wejściowymi, gdzie sygnał wyjściowy
będzie sumą tych sygnałów z wagami odpowiednio 1, 2 i 3. Dlatego dobrano: 𝑅

𝑓

=

6000Ω, 𝑅

𝑖𝑛1

= 6000Ω, 𝑅

𝑖𝑛2

= 3000Ω, 𝑅

𝑖𝑛3

= 2000Ω.

Przeprowadzono symulację w dziedzinie czasu:

Sygnał wyjściowy jest odwróconą sumą sygnałów wejściowych ( z założonymi wagami
poszczególnych sygnałów).

Następnie zbudowano układ odejmujący, nazywany również różnicowym.

Napięcie wyjściowe takiego układu wynosi:

𝑈

𝑤𝑦

=

𝑅

1

+ 𝑅

2

𝑅

1

𝑅

4

𝑅

3

+ 𝑅

4

𝑈

2

−

𝑅

2

𝑅

1

𝑈

1

Sprawdzono poprawność układu poprzez podanie sygnałów wejściowych 𝑈

1

= 𝑈

2

oraz

ustawienie takich samych wartości na wszystkich rezystorach.

Zgodnie z oczekiwaniami sygnał wyjściowy jest stały i wynosi 0:

Następnie założono sygnał wyjściowy równy 𝑈

𝑤𝑦

= 4(𝑈

2

− 𝑈

1

). W tym celu dobrano wartości

rezystancji:

𝑅

1

= 𝑅

3

= 1000Ω, 𝑅

2

= 𝑅

4

= 4000Ω.

Skonstruowano następujący układ:

Następnie przeprowadzono symulację w dziedzinie czasu:

Sygnał wyjściowy jest czterokrotnie wzmocnioną różnicą sygnałów wejściowych,

Zadanie 3. Wzmacniacz całkujący i różnicujący

Zbudowano wzmacniacz całkujący i na wejście podano sygnał prostokątny:

Przeprowadzono symulację w dziedzinie czasu:

Następnie zmieniono parametry 𝑅

1

= 𝑅

2

= 2000000Ω i przeprowadzono ponownie

symulację:

Następnie zmieniono C=200pF i przeprowadzono symulację ponownie:

Przeprowadzono jeszcze jedną symulację dla C=25pF:

Następnie zbudowano układ wzmacniacza różniczkującego:

I przeprowadzono symulację w dziedzinie czasu:

Następnie zmieniono parametry: 𝑅

1

= 𝑅

2

= 2000000Ω oraz C=100pF i przeprowadzono

symulację:

Zmieniono C=25pF i ponownie przeprowadzono symulację:

Ostatnią symulację przeprowadzono dla C=500pF.

Wnioski



Wzmacniacze operacyjne mogą pracować w wielu różnych konfiguracjach układowych

– spośród nieomawianych podczas zajęć można wymienić układy prostownika
liniowego czy ogranicznika napięcia.



Sygnał wyjściowy jest wynikiem działań matematycznych na sygnale wejściowym
(sygnałach wejściowych). Dlatego też wzmacniacze operacyjne znajdują szerokie
zastosowanie przy realizacji układów scalonych służących do np. dodawania i
odejmowania napięć i prądów.



Dla wzmacniacza operacyjnego idealnego rezystancja wejściowa dąży
nieskończoności, a wyjściowa do zera. Z praktyce nie jest możliwe osiągnięcie takich
wartości.



Poza rezystancjami ważnym parametrem opisującym wzmacniacz jest współczynnik
wzmocnienia prądowego i napięciowego określający ile razy sygnał wejściowy jest
zwiększony



Sygnał wyjściowy jest zawsze wzmacniany kosztem zużycia energii pobieranej z

innego źródła prądu



Istnieje specjalny typ wzmacniaczy służący do regeneracji sygnału analogowego bądź
cyfrowego do określonego poziomu, pozwalający zniwelować utraty energii podczas
przesyłu i jednocześnie zwiększając zasięg