Budowa i zasada działania wzmacniacza operacyjnego?

Wzmacniaczem operacyjnym nazywa się wzmacniacz o bardzo dużym wzmocnieniu, bezpośrednim sprzężeniu pomiędzy stopniami wzmacniającymi (dla prądu stałego), który umożliwia kształtowanie swoich właściwości przez przyłączenie zewnętrznego obwodu sprzężenia zwrotnego. Posiada on dwa wejścia, oraz przeważnie jedno wyjście. Jedno wejście jest nazywane odwracającym (oznaczone "-"), i odwraca ono sygnał wyjściowy o 180o. Drugie wejście jest wejściem nieodwracającym (oznaczone "+"), sygnał podany na nie jest wzmacniany bez zmiany fazy.

Uwyj=(Uwe1-Uwe2)*Ku

Sygnał doprowadzony pomiędzy te dwa wejścia nazywa się różnicowym. Na rysunku poniżej przedstawiono charakterystykę przejściową wzmacniacza operacyjnego. Nachylenie charakterystyki odpowiada wzmocnieniu wzmacniacza.

Wyjaśnić na przykładzie ujemne sprzężenie zwrotne.

Sprzężeniem zwrotnym nazywamy układ, za pomocą którego część energii z obwodu wyjściowego wzmacniacza przenosi się do obwodu wejściowego tego samego wzmacniacza.

Sprzężenie zwrotne obejmować może wszystkie, albo jeden tylko lub dwa stopnie wzmocnienia wzmacniacza. W zależności od fazy, jaką mają zwrotne przebiegi elektryczne w stosunku do przebiegów doprowadzonych z zewnątrz do obwodu wejściowego wzmacniacza, następuje zwiększenie lub zmniejszenie stopnia wzmocnienia układu.

Ujemnym sprzężeniem zwrotnym nazywamy takie sprzężenie zwrotne, które powoduje zmniejszenie stopnia wzmocnienia układu wzmacniacza. Przez zastosowanie sprzężenia zwrotnego tracimy zatem zawsze na wzmocnieniu, w zamian jednak za to zyskujemy na jakości wzmacniacza.

Mamy wzmacniacz o wzmocnieniu 10-krotnym. Do zacisków wejściowych dołączamy źródło napięcia zmiennego (np. adapter gramofonowy) o napięciu skutecznym U1 = 1V. Na wyjściu wzmacniacza otrzymamy napięcie 10-krotnie większe, czyli U2 = 10V (rys.1).

Załóżmy jeszcze, że wzmacniacz nasz przy 10 woltach napięcia na zaciskach wyjściowych wywołuje zniekształcenia nieliniowe (czyli wytwarza częstotliwości harmoniczne) w ilości 10% (h = 10%). Prócz tego wzmacniacz nasz wytwarza napięcie zakłócające w postaci przydźwięku sieci wskutek złego wygładzenia napięcia wyprostowanego przez zasilacz sieciowy. Napięcie to (oznaczmy je przez Usz) jest niezależne od wielkości napięcia sterującego i równe np. 0,1V (czyli Usz = 0,1V). Przy wysterowaniu wzmacniacza napięciem 1V, tj. przy napięciu wyjściowym U2 = 10V, stosunek napięcia zakłócającego do napięcia użytecznego sygnału jest równy:

Przypuśćmy, że wzmacniacz nasz zasilać ma głośnik, który do pełnego swego wysterowania potrzebuje tylko 5V. Zachodzi wobec tego konieczność zredukowania napięcia wyjściowego o połowę, czyli z 10 woltów do 5 woltów.

Możemy zastosować jeszcze inny sposób w celu zmniejszenia napięcia wyjściowego, mianowicie za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego. W tym celu doprowadźmy jedną dziesiątą napięcia wyjściowego wzmacniacza, czyli Uz = 0,5V, do wejścia wzmacniacza i połączmy je szeregowo z napięciem źródła U1 = 1V w ten sposób, aby wypadkowe napięcie na zaciskach wejściowych wzmacniacza było równe różnicy między napięciem źródła a napięciem zwrotnym (rys.4)

Us = U1- Uz = 1 - 0,5 = 0,5V

Otrzymujemy w ten sposób taką samą redukcję napięcia wejściowego jak w przypadku drugim, lecz bez zastosowania potencjomierza.

Schemat elektroniczny i funkcja przejścia wzmacniacza nieodwracającego fazy.

Uwy=((R1+R2)/R1)*Uwe

Schemat elektroniczny i funkcja przejścia wzmacniacza operacyjnego połączonego jako sumator sygnałów.

Porównanie parametrów wzmacniaczy operacyjnych idealnego i rzeczywistego.

Idealny	Rzeczywisty
nieskończona rezystancja wejściowa RWE zerowa rezystancja wyjściowa RWY nieskończone wzmocnienie KU nieskończone pasmo częstotliwości zerowy dryft	b. duża rezystancja wejściowa b. duże wzmocnienie b. duże pasmo częstotliwości

Co to jest nasycenie wzmacniacza i z czym się wiąże?

można wyróżnić 3 zakresy pracy WO: zakres pracy liniowej i 2 zakresy nasycenia. W zakresie pracy liniowej napięcie wyjściowe jest określone wzorem:

W zakresie nasycenia napięcie wyjściowe przyjmuje dodatnią, albo ujemną wartość napięcia nasycenia, które jest zwykle mniejsze co do wartości bezwzględnej, o 1 do 2V od napięcia zasilania. Zakres liniowości WO pracującego bez sprzężenia zwrotnego jest bardzo mały. Przykładowo, gdy WO ma napięcie nasycenia rzędu 10V, a wzmocnienie A_U wynosi 100000V/V, wówczas zakres liniowości napięcia wejściowego znajduje się w przedziale 0,1mV.

Po przekroczeniu zakresu liniowości WO przechodzi do stanu nasycenia. Napięcie wyjściowe WO powinno być równe zeru przy zerowej różnicy napięć wejściowych (U_WE=0).

W rzeczywistości występuje w tej sytuacji pewne napięcie, nazywane wyjściowym napięciem niezrównoważenia

2

---