Podstawowe zastosowania wzmacniaczy
operacyjnych  wzmacniacz odwracający
i nieodwracający
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest praktyczne poznanie właściwości wzmacniaczy operacyjnych i ich
podstawowych zastosowań. Zakres ćwiczenia obejmuje projektowanie oraz pomiary analogowych
układów ze wzmacniaczami operacyjnymi.
2. Budowa układu.
Na rys.1a przedstawiono schemat układu, w którym możliwe jest realizowanie podstawowych
zastosowań wzmacniaczy operacyjnych (wzmacniacz: odwracający, nieodwracający, różnicowy,
całkujący, różniczkujący). Rys.1b przedstawia widok płytki drukowanej według schematu z rys.1a.
a)
+VCC
Z4
C1 C2
100n 47u
J1 J4
Z1 Z3
1 1
2 2
+VCC
3
WE-
C4
VCC
C3 47u
100n
2 US1 J3
IN-
6
OUT 1
3
IN+ 2
TL061 -VCC
J2 WY
Z2
1
2
-VCC J5
Z5
WE+
1
GND
b)
1 2
0 2 1
0
2 1
2
1
1
1 8
0 1
2
2 7
0
0
2 1
3 6
4 5
1
0
2 1 2 1
0
2
1
4 1
2 2
0
2 10 1 2 9 1
2
3
0
1
c)
8 7 6 5
VCC 1  regulacja offsetu 1
2  wejście odwracające
3  wejście nieodwracające
4   VCC
TL 061
5  regulacja offsetu 2
6  wyjście
7  +VCC
VCC 8  N.C.
1 2 3 4
Rys.1. Układ podstawowych zastosowań wzmacniacza operacyjnego: a) schemat zastępczy układu, b) widok płytki
z rozmieszczeniem elementów, c) wzmacniacz operacyjny TL061  wyprowadzenie pinów; kondensatory C1-C4 służą
odprzęganiu zasilania.
Tab.1. Podstawowe parametry wzmacniacza operacyjnego TL 061
Warunki Wartości
Symbol Parametr Jedn.
pomiaru Min Typ Max
VCC Napięcie zasilania ą18 V
VI Maksymalne napięcie wejściowe ą15 V
VIO Wejściowe napięcie niezrównoważenia UO = 0V 3 15 mV
IIO Wejściowy prąd niezrównoważenia 5 100 pA
RL = 2k&!,
KUR Różnicowe wzmocnienie napięciowe 105 V/V
f = 10Hz
GB Pole wzmocnienia (gain bandwidth) RL = 10k&! 1 MHz
RI Rezystancja wejściowa 1012 &!
RO Rezystancja wyjściowa 60
&!
CMRR współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego 80 86 dB
VI = 10mV,
SR szybkość zmian napięcia wyjściowego 1.5 3,5 V/�s
RL = 10k&!, Ku = 1
2.1. Wzmacniacz odwracający
Na rys.2 przedstawiono układ wzmacniacza odwracającego realizowanego w strukturze układu
z rys.1.
Rys.2. Wzmacniacz odwracający
2
Przy założeniu, że we wzmacniaczu operacyjnym KUR ", wzmocnienie napięciowe układu
wzmacniacza odwracającego opisane jest zależnością:
R2
KU = - , (1)
R1
Rezystancja wejściowa wzmacniacza odwracającego jest równa:
UWE
RWE = H" R1 , (2)
IWE
natomiast rezystancja wyjściową w przybliżeniu można wyznaczyć z zależności:
KU
RWY H" RO , (3)
KUR
ponieważ RO przyjmuje niewielkie wartości (dziesiątki omów) a KUR bardzo duże (105), rezystancja
wyjściowa wzmacniacza odwracającego jest pomijalna i układ zachowuje się w przybliżeniu jak idealne
sterowane z
ródło napięciowe.
Górną częstotliwość układu wzmacniacza odwracającego można przybliżyć zgodnie z zależnością:
�ł �ł
R1 �ł
�ł
fg H" fp1�ł1+ KUR , (4)
R1 + R2 �ł
�ł łł
gdzie:
fp1  pierwszy biegun częstotliwości wzmacniacza operacyjnego (GB = fp1KUR  pole wzmocnienia),
Poprzez równoległe dołączenie kondensatora do rezystora R2, można zmieniać wartość górnej
częstotliwości granicznej wzmacniacza odwracającego. Wówczas górna częstotliwość graniczna układu
będzie w przybliżeniu równa:
1
fg 'H" . (5)
2ĄR2C
2.2. Wzmacniacz nieodwracający
Na rys.3 przedstawiono układ wzmacniacza odwracającego realizowanego w strukturze układu
z rys.1.
Rys.3. Wzmacniacz nieodwracający
3
Przy założeniu, że we wzmacniaczu operacyjnym KUR ", wzmocnienie napięciowe układu
wzmacniacza nieodwracającego opisane jest zależnością:
R2
KU = 1 + , (6)
R1
Rezystancja wejściowa wzmacniacza nieodwracającego jest równa:
RWE = 2RI , (7)
natomiast rezystancja wyjściowa w przybliżeniu jest równa:
RO
RWY H" . (8)
KUR
Górną częstotliwość układu wzmacniacza nieodwracającego można przybliżyć zgodnie
z zależnością (4). Natomiast poprzez dodatkowy kondensator łączony równolegle do R2. można
kształtować wartość tej częstotliwości zgodnie z zależnością (5).
3. Przygotowanie do zajęć.
3.1. Materiały z
ródłowe
[1] Materiały Laboratorium i Wykładów Zespołu Układów Elektronicznych.
[2] U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa, 1996, s. 141-185, 343-352.
[3] P. Horowitz, W. Hill, Sztuka elektroniki, WKiA
, Warszawa, 2003, s. 189-194.
[4] Z. Kulka, M. Nadachowski, Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania, cz.2, WNT, Warszawa,
1982, s. 73-79, 110-119.
3.2. Pytania kontrolne
1. Omów podstawowe parametry idealnego wzmacniacza operacyjnego.
2. Wyjaśnij pojęcie  masy pozornej ?
3. W jaki sposób realizowane jest zasilanie symetryczne wzmacniacza operacyjnego?
4. Narysuj schemat i opisz zasadę działania układu wzmacniacza odwracającego.
5. Narysuj schemat i opisz zasadę działania układu wzmacniacza nieodwracającego.
6. Co to jest zakres liniowej pracy wzmacniacza?
7. Kiedy w układzie wzmacniacza nieodwracającego możliwe jest do uzyskanie wzmocnienie
napięciowe równe 1?
8. Jakiego rodzaju sprzężenia zwrotne stosowne są w układach wzmacniacza odwracającego
i nieodwracającego?
4. Przebieg ćwiczenia.
4.1. Wzmacniacz odwracający
Dla kilku zadanych wartości wzmocnienia napięciowego układu, należy:
1. Złożyć układ wzmacniacza odwracającego zgodnie z rys.2.
2. Zasilić wzmacniacz operacyjny napięciem ą 15 V.
3. Do WE podłączyć zasilacz prądu stałego. Równolegle do wejścia i wyjścia układu podłączyć
woltomierze.
4
4. Zmierzyć charakterystykę liniowości UWY = f(UWE). Pomiary przeprowadzić w zakresie napięć
wejściowych od  14V do +14V. Wyznaczyć zakres linowej pracy układu oraz wzmocnienie w tym
zakresie.
5. Do WE podłączyć generator przebiegu sinusoidalnego. Równolegle do wejścia i wyjścia układu
podłączyć sondy oscyloskopu.
6. Zmieniając częstotliwość generowanego sygnału, wyznaczyć trzydecybelową górną częstotliwość
graniczną wzmacniacza.
7. Podłączyć równolegle do rezystancji R2 (pole Z4 na płytce rys.1b) kondensator o dowolnej wartości
pojemności (np. 1n) i przeprowadzić ponownie pomiary zgodnie z pkt.6.
4.2. Wzmacniacz nieodwracający
Dla kilku zadanych wartości wzmocnienia napięciowego układu, należy:
1. Złożyć układ wzmacniacza nieodwracającego zgodnie z rys.3.
2. Zasilić wzmacniacz operacyjny napięciem ą 15 V.
3. Do WE+ podłączyć zasilacz prądu stałego oraz równolegle do wejścia i wyjścia układu
woltomierze.
4. Zmierzyć charakterystykę liniowości UWY = f(UWE). Pomiary przeprowadzić w zakresie napięć
wejściowych od  14V do +14V. Wyznaczyć zakres linowej pracy układu oraz wzmocnienie w tym
zakresie.
5. Do WE+ podłączyć generator przebiegu sinusoidalnego. Równolegle do wejścia i wyjścia układu
podłączyć sondy oscyloskopu.
6. Zmieniając częstotliwość generowanego sygnału, wyznaczyć trzydecybelową górną częstotliwość
graniczną wzmacniacza.
7. Podłączyć równolegle z rezystancją R2 (pole Z4 na płytce rys.1b) kondensator o dowolnej wartości
pojemności (np. 1n) i przeprowadzić ponownie pomiary zgodnie z pkt.6.
5. Wnioski.
1. Wyznaczyć zakresy liniowej pracy wzmacniaczy. Omówić wpływ wzmocnienia KU na ten zakres.
2. Porównać uzyskane wyniki wzmocnienia i fg z wartościami obliczonymi ze wzorów.
3. Ocenić wpływ dodatkowego kondensatora w układzie.
5