POLITECHNIKA ZIELONOGÓRSKA
INSTYTUT METROLOGII ELEKTRYCZNEJ
ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z PODSTAW ELEKTRONIKI
ĆWICZENIE NR 6:
BADANIE WA
AŚCIWOŚCI WZMACNIACZY OPERACYJNYCH
OPRACOWAA
:
Jan Jagielski
1
9. Ćwiczenie nr 6. WZMACNIACZE OPERACYJNE
Wzmacniaczem operacyjnym nazywamy wzmacniacz prądu stałego o dużym wzmocnie-
niu napięciowym przeznaczony zwykle do pracy z zewnętrznym układem silnego sprzężenia
zwrotnego.
9.1. Budowa wzmacniaczy operacyjnych
Współczynnik wzmocnienia napięciowego wzmacniacza z silnym ujemnym sprzężeniem
zwrotnym dla warunku Ku >>1 wynosi:
K = -1/ Ks gdzie:
Ks  współczynnik sprzężenia zwrotnego,
Ku  współczynnik wzmocnienia układu z otwartą sprzężenia zwrotnego.
Wartość współczynnika wzmocnienia napięciowego wzmacniacza z silnym ujemnym
sprzężeniem zwrotnym zależy wyłącznie od parametrów pętli sprzężenia zwrotnego. Zdecy-
dowana większość wzmacniaczy operacyjnych wykonana jest w postaci monolitycznych
układów scalonych (Rys. 9.1)
Rys. 9.1. Schemat blokowy wzmacniacza operacyjnego
2
Wzmacniacz posiada symetryczne wejście różnicowe oraz niesymetryczne wyjście. Na-
pięcie wyjściowe odniesione jest do wspólnego potencjału masy, do którego przyłączone są
także zaciski z
ródeł symetrycznego zasilania Uza+, Uza-. Wejście ( - ) nazywa się wejściem
odwracającym ( inwertującym ) co oznacza, że napięcie wyjściowe będzie w przeciwfazie w
stosunku do napięcia wejściowego z wejścia ( - ). Wejście ( + ) nazywa się wejściem nieod-
wracającym ( nieinwertujacym) co oznacza, że napięcie wyjściowe i wejściowe z wejścia ( + )
są w fazie.
W analizie wzmacniaczy operacyjnych korzysta się z idealnego modelu o parametrach:
" Współczynnik wzmocnienia napięciowego z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego Kur
= "
" Rezystancja wejściowa różnicowa Rwer = "
" Rezystancja wyjściowa Rwy = 0,
" Nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia (fd = 0 Hz, fg = " )
W rzeczywistym wzmacniaczu operacyjnym podane wyżej parametry są następujące:
Kur = 10000  1000000 V / V,
Rwer = 0,5  1000 M ,
Rwy = 50  20 ,
Fg = 1  100 MHz.
Rys. 9.2. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego z otwartą pętlą sprzę-
żenia zwrotnego
3
Na rys. 9.2 przedstawiono charakterystykę przejściową wzmacniacza operacyjnego przy
otwartej pętli sprzężenia zwrotnego.
Jeżeli napięcie różnicowe Ur = U1(-)  U1(+) = 0, to napięcie na wyjściu wzmacniacza
U2 = 0. Na charakterystyce przejściowej można wyróżnić zakres pracy liniowej i dwa zakresy
nasycenia. W zakresie pracy liniowej :
U2 = Kur Ur
( 9-1)
W zakresie nasycenia napięcia wyjściowego U2 przyjmuje wartość stałą, nieco mniejszą
co do bezwzględnej wartości napięcia zasilania Uz.
9.2. Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych
Wzmacniacze operacyjne są powszechnie stosowane w układach liniowych i często wy-
korzystywane w układach nieliniowych. Poniżej omówiono podstawowe układy ze wzmac-
niaczami operacyjnymi
9.2.1. Wzmacniacz odwracający fazę
Schemat wzmacniacza operacyjnego odwracającego fazę przedstawia rys.9.3.
Rys. 9.3. Schemat ideowy wzmacniacza odwracającego fazę
Rezystor R2 łączy wyjście wzmacniacza z jego wejściem odwracającym wprowadza
ujemne sprzężenie zwrotne napięciowe równoległe. Uwzględniając dla wzmacniacza
operacyjnego idealnego Ur = 0, Ir = 0 można zapisać:
U1 = R1" I1
( 9  2 )
4
U2 = -R2 " I2
( 9  3 )
I1 = I2
Współczynnik wzmocnienia napięciowego wzmacniacza wynosi :
R2
Ku = -
R1 ( 9  4 )
Rezystancja wejściowa wynosi:
RWE = R1
( 9  5 )
Szczególnym przypadkiem wzmacniacza odwracającego fazę jest inwerter ( odwracacz
fazy ) . W układzie inwertera R1 = R2 = R i współczynnik wzmocnienia napięciowego wyno-
si (-1).
9.2.2. Wzmacniacz sumujący
Wzmacniacz sumujący jest też odmianą wzmacniacza odwracającego, w którym efekt
sumowania prądów wejściowych w węz
le masy pozornej pozwala na wygodne dodawanie
wielu sygnałów wejściowych bez ich wzajemnego oddziaływania. Schemat ideowy sumatora
przedstawia rys. 9.4.
Rys. 9.4. Schemat ideowy sumatora
5
Napięcie wyjściowe wzmacniacza sumującego wynosi:
U11 U12 U1n
U2 = -R2( + +...+ )
( 9  6 )
R11 R12 R1n
Po podstawieniu
R
2
( 9  7 )
K = -
k
R1 k
Na wyjściu wzmacniacza otrzymamy sumę ważoną napięć wejściowych co zapisujemy:
( 9  8 )
U2 = k1U11+k2U12 +...+knU1n
Dla przypadku równości wszystkich rezystancji wejściowych R napięcie wyjściowe bę-
dzie wynosić:
R2
U2 = - (U11 +U12 + ... +U1n)
( 9  9 )
R
Sumator stosowany jest m. In. Na wyjściu przetworników A / C przy czym rezystory
wejściowe tworzą układ drabinki R  2R
9.2.3. Wzmacniacz nieodwracający fazy
Układ wzmacniacza nieodwracającego fazy przedstawia rys. 9.5.
Rys. 9.5. Schemat ideowy wzmacniacza nieodwracającego fazy
Napięcie wejściowe podane jest na wejście nieodwracające. Napięcie wyjściowe wynosi:
R1 R2
U2 = U2 = (1+ )U1
( 9  10 )
R1 +R2 R1
6
Układ nie odwraca fazy i ma bardzo dużą dynamiczną rezystancję wejściową zbliżoną do
teoretycznie nieskończenie wielkiej jak we wzmacniaczu idealnym.
Szczególnym przypadkiem wzmacniacza nieodwracającego jest wtórnik (Rys. 9.6).
-
+
U1 U2
Rys. 9.6. Schemat ideowy wtórnika
Wtórnik jest wzmacniaczem nieodwracającym o nieskończenie dużej rezystancji R1 i
wzmocnieniu napięciowym Ku = 1. Wtórnik ma dużą rezystancję wejściową, małą rezystan-
cję wyjściową i szerokie pasmo przenoszenia częstotliwości. Stosowany jest jako separator i
transformator impedancji.
9.2.4. Wzmacniacz różnicowy
Rys. 9.7. Schemat ideowy wzmacniacza różnicowego
Wzmacniacz różnicowy stanowi superpozycję wzmacniacz odwracającego i nieodwra-
cającego. Wzmacnia on tylko sygnał różnicowy o przeciwnych fazach, natomiast sygnał
wspólny o tej samej fazie jest całkowicie tłumiony. Warunek taki jest spełniony gdy
R1 / R2 = R3 / R4
( 9  11 )
7
Napięcie wyjściowe wzmacniacza opisane jest zależnością:
R2
U2 = (U ''-U ')
( 9  12 )
R1
9.2.5. Układ całkujący
Układ całkujący jest odmianą wzmacniacz odwracającego, w którym w pętli sprzężenia
zwrotnego zamiast rezystora R2 występuje kondensator C (rys. 9.8).
C
-
R +
U1 U2
Rys. 9.8. Schemat ideowy integratora
Napięcie wyjściowe integratora U2 jest wprost proporcjonalne do całki napięcia wej-
ściowego U1:
t
( 9  13 )
1
U = -
2 1
R1C
+"u dt
0
Kondensator jest ładowany prądem wejściowym układu przez węzeł masy pozornej.
9.2.6. Realizacja układów wzmacniaczy operacyjnych
Rzeczywisty wzmacniacz operacyjny jest aktywnym układem o kilku wyprowadzeniach (
rys. 9.9) zawierającym:
" Wejściowy wzmacniacz różnicowy , optymalizowany dla uzyskania małych prądów
wejściowych, dużej impedancji wejściowej, dużego tłumienia składowej sumacyjnej
sygnału i małych dryftów,
" Wtórnikowy i zwykle niesymetryczny stopień wyjściowy o małej impedancji wyj-
ściowej oraz możliwie dużych napięciach wyjściowych i prądach obciążenia,
" Stopień lub stopnie pośrednie, odmienne dla różnych typów wzmacniaczy.
Spotykane rozwiązane realizacyjne przedstawia rys. 9.10.
8
Rys. 9.10. Wzmacniacze operacyjne zgodne z typem 741: a) schemat układu zasilania i
kompensacji napięcia niezrównoważenia (10 k dla uA 741, b) widok obudowy mini-DIP,
c) widok obudowy metalowej zaokrąglonej
Parametry układu rzeczywistego odbiegają od właściwości idealnego wzmacniacza ope-
racyjnego a ich wartości decydują o wyborze wzmacniaczy , odpowiednich do konkretnych
zastosowań. Produkowane wzmacniacze operacyjne dzieli się najczęściej na:
" Ogólnego przeznaczenia ( standardowe),
" Szerokopasmowe (szybkie),
" Precyzyjne ( dokładne)
" Do innych zastosowań specjalnych .
Wzmacniacze do zastosowań specjalnych obejmują :
" wzmacniacze pomiarowe,
" wzmacniacze izolujące z izolacją elektromagnetyczną, pojemnościową, optyczną,
" wzmacniacze próbkująco  pamietające
9
9.3. Parametry wzmacniaczy operacyjnych
9.3.1. Parametry charakterystyczne
Poniżej podano definicje najważniejszych parametrów wzmacniaczy operacyjnych
" Napięciowe wzmocnienie różnicowe z otwartą pętlą Kur
Jest to stosunek zmiany napięcia wyjściowego do wywołującego je przyrostu różnicowe-
go napięcia wejściowego:
"U0
KUR = ( 9  14 )
"UR
" Współczynnik tłumienia sygnału wspólnego CMRR (Commom Mode Rejection Ratio)
Jest to stosunek przyrostu wspólnego napięcia wejściowego "Us ( napięcia przyłożone do
wejść połączonych razem) do przyrostu różnicowego napięcia wejściowego "Ur, który wy-
wołuje taki sam przyrost napięcia wyjściowego "Uo:
"U
S
( 9  15 )
CMRR = przy"U = const
o
"U
R
"U "U0 KUR
S
CMRR = � =
"U0 "U KUS
R
( 9  16 )
Kus jest wzmocnieniem napięciowym dla sygnału wspólnego
" Wejściowe napięcie niezrównoważenia Uos
Jest to stałe napięcie różnicowe niezbędne do sprowadzenia do zera wartości napięcia
wyjściowego przy otwartej pętli :
UOS =UP -UN przyU0 = 0
( 9  17 )
" Dryf cieplny wejściowego napięcia niezrównoważenia
Jest to zmiana wejściowego napięcia niezrównoważenia przypadającą na jednostkową
zmianę temperatury "Uos/"T
" Wejściowa rezystancja różnicowa Rr (input differential resistance)
Jest to rezystancja widziana miedzy dwoma wejściami wzmacniacza:
"U
"UN
p
Rr = dlaUN = 0iRr = dlaUp = 0 ( 9  18 )
"I "IN
p
" Rezystancja wejściowa dla sygnału sumacyjnego Rs (input common mode resistace)
10
Jest to rezystancja widziana między jednym z wejść wzmacniacza i masą układu:
"Up "UN
Rs = = dlaUp =UN =US ( 9  19 )
"Ip "IN
" Częstotliwość graniczna
Jest to częstotliwość ft, przy której moduł wzmocnienia różnicowego jest równy jedności.
" Szybkość narastania napięcia wyjściowego SR (slew rate)
Jest to pochodna napięcia wyjściowego względem czasu po podaniu sygnału skoku jed-
nostkowego na wejście wzmacniacza pracującego ze wzmocnieniem równym jedności ( układ
wtórnika napięciowego)
9.3.2. Parametry graniczne
" Maksymalny prąd wyjściowy
Jest to największa wartość prądu, jaką może dostarczyć wyjście wzmacniacza.
" Zakres dopuszczalnych zmian wejściowego napięcia różnicowego Ufmax,
" Zakres dopuszczalnych zmian wejściowego napięcia różnicowego Urmax,
" Impedancja wyjściowa,
" Zakres wysterowania wyjścia,
" Napięcie zasilania,
" Moc pobierana,
" Zakres temperatur pracy.
Dopuszczalne napięcie wejściowe Ufmax i napiecie różnicowe Urmax są uwzględniane
w celu zabezpieczenia rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego przed zmianami
wzmocnienia, przesterowaniem, trwałym pogorszeniem parametrów lub uszkodzeniem.
11
9.4. Program ćwiczenia
Układ pomiarowy zawiera monolityczny wzmacniacz operacyjny uA 741 zasilany napię-
ciem symetrycznym 15 V
9.4.1. Badanie wzmacniacza odwracającego
Po połączeniu układu pomiarowego wg rys 9.11. wyznaczyć charakterystykę U2 = f(U1)
dla wzmacniacza w stanie jałowym i stanie obciążenia rezystancją Ro:
Otwartej pętli sprzężenia zwrotnego
Przy zmiennych rezystancjach pętli sprzężenia zwrotnego dla R2 = R1 (inwertor), R2
= 10R1, R2 = 100R1. R1 = 1 k&!
Na wejście podać stałe napięcie z zasilacza Z. Z kolei na wejście wzmacniacza podać na-
pięcie sinusoidalne o częstotliwości f = 1 KHz i regulowanej amplitudzie.. Mierzyć na-
pięcie na wejściu i wyjściu wzmacniacza, aż do momentu zaobserwowania na ekranie
oscyloskopu zjawiska nasycenia.
Rys. 9.11. Układ pomiarowy wzmacniacza odwracającego
12
9.4.2. Badania wzmacniacza odwracającego
Układ pomiarowy przedstawia rys. 9.12. Po połączeniu układu pomiarowego wyznaczyć
charakterystykę U2 = f ( U1 ) dla przypadków:
R2 = 0 ( wtórnik),
R2 = 10 R1, R1 = 1 k&!
R2 = 100 R1,
Na wejście wzmacniacza doprowadzić napięcie stałe z zasilacza i sinusoidalnie zmienne
o częstotliwości f = 1 KHz z generatora.
Rys. 9.12. Układ pomiarowy wzmacniacza nieodwracającego
13
9.4.3. Badanie wzmacniacza różnicowego
Po połączeniu układu pomiarowego według rysunku 9.13 podać na wejście inwertujące i
nieinwertujące wzmacniacza napięcie stałe z zasilaczy Z1, Z2 mierząc i nastawiając róż-
ne wartości. Zmierzyć napięcia na wejściach i wyjściach wzmacniacza różnicowego.
Rys. 9.13. Układ pomiarowy wzmacniacza różnicowego
Wykreślić zależność U2 = f ( Ur ).
9.4.4. Badanie wzmacniacza sumującego
Połączyć układ wzmacniacz operacyjnego jako sumatora według rysunku 9.14. Na wej-
ście sumatora podać napięcia stałe z zasilaczy Z1 i Z2 w różnych kombinacjach. Od-
czytywać napięcie na wyjściu przy tak ustawianych różnych kombinacjach napięć wej-
ściowych.
14
Rys. 9.14. Układ pomiarowy sumatora
9.5. Tematy sprawdzające
1. Co to jest wzmacniacz operacyjny?
2. Określić warunek, przy którym wzmacniacz objęty pętlą ujemnego sprzężenia
zwrotnego, posiada wzmocnienie, określone wyłącznie przez parametry tego sprzęże-
nia.
3. Czym charakteryzuje się idealny wzmacniacz operacyjny?
4. Na czym polega różnica między pojęciami  wzmocnienie sygnału różnicowego i
 wzmocnienie sygnału wspólnego ?
5. Co to jest wejściowe napięcia niezrównoważenia i jak się je kompensuje?
6. Zdefiniować rezystancje wejściowe wzmacniacza operacyjnego i jak się je definiuje?
7. Jakimi napięciami i jak jest zasilany układ wzmacniacza operacyjnego?
8. Podać parametry rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego.
9. Wyjaśnić pracę układu inwertującego.
10. Wyjaśnić zasadę pracy wzmacniacz nieinwertującego
11. Wyjaśnić pracę wzmacniacza różnicowego.
12. Wyjaśnić pracę sumatora.
15
9.6. Opis ćwiczenia
Ćwiczenie nr 6.BADANIE WA
AŚCIWOŚCI WZMACNIACZY OPERACYJNYCH W
RÓŻNYCH UKA
ADACH PRACY
Cel ćwiczenia:
Zapoznanie z możliwościami zastosowania wzmacniacza operacyjnego w różnych konfigura-
cjach pracy. Wzmacniacz traktowany jest jak element.
Przebieg ćwiczenia.
Pomiary wykonywane są na układzie pomiarowym ze wzmacniaczem operacyjnym uA 741
zasilanym napięciem +- 15 V.
Badanie układu inwertującego według schematu na rys. 9.11.
1. Wyznaczyć charakterystykę U2 = f ( U1 ) dla otwartej pętli sprzężenia zwrotnego oraz
R2 = R1 (inwertor), R2 = 10 R1, R2 = 100R1. R1 przyjąć 1k&!. Pomiary wykonać dla sta-
nu jałowego i obciążenia rezystancją Ro podając na wejście wzmacniacza napięcie stałe.
2. Podać na wejście wzmacniacza napięcie zmienne o częstotliwości f=1 kHz i regulowanej
amplitudzie. Mierzyć napięcie wejściowe i wyjściowe do momentu zaobserwowania na
oscyloskopie zjawiska nasycenia.
Pomiary wzmacniacza nieinwertującego według schematu na rys. 9.12.
1. Wyznaczyć charakterystykę U2 = f ( U1 ) dla przypadków: R2 =0 (wtórnik), R2 = 10R1,
R2 = 100R1. R1 przyjąć 1k&!. Na wejście wzmacniacza podawać napięcie stałe z zasila-
cza i napięcie sinusoidalnie zmienne o częstotliwości f = 1 kHz z generatora GS. Porów-
nać napięcia dla stanu jałowego wzmacniacza i obciążenia rezystancją Ro.
Pomiary wzmacniacza różnicowego opartego na pojedynczym wzmacniaczu operacyjnym
według schematu na rys. 9.13.
1. Na wejście wzmacniacza podać napięcie stałe z zasilaczy Z1 i Z2. Mierzyć napięcie wyj-
ściowe dla różnych nastaw napięć wejściowych. Wykreślić charakterystykę U2 = f ( Ur ).
Uzasadnić jak należy dobrać wartość dzielnika R3, R4 aby zapewnić poprawne działanie
wzmacniacza.
Pomiary wzmacniacza sumującego według schematu na rys. 9.14.
16
LITERATURA
1. Miłek M.: Elektronika analogowa. Zielona Góra 1990
2. Marciniak W.: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone. WNT Warszawa 1985
3. Titze U., Schenk Ch.: Układy półprzewodnikowe. WNT Warszawa 1997
4. Filipkowski A.: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT Warszawa 1995
5. Nosal Z., Baranowski J.: Układy elektroniczne. Cz. I. Układy analogowe liniowe. WNT
Warszawa 1993
6. Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektroniki. T 1. WKiA
Warszawa 1997
17