INSTYTUT AUTOMATYKI POLITECHNIKI ŁÓDZKIEJ

Laboratorium Elementów Automatyki (A i M)

Laboratorium Elektronicznych Elementów Automatyki (A i R)

Ćwiczenie nr 2

Wzmacniacze operacyjne

UWAGA na potrzeby sprawozdania drukować bez załącznika D.

Data wykonania ...............................

Osoby wykonujące ćwiczenie

.............................................................................

.............................................................................

.............................................................................

.............................................................................

Ćwiczenie nr 2

Wzmacniacze operacyjne

1. Widok stanowiska do badania WO:

Brak rysunku (pojawi się w czwartek, gdyby się nie pojawił należy wydrukować instrukcję bez tej strony)

2. Zadania do realizacji:

Przedstawiono w załącznikach A) i B)

3. Wymagane zagadnienia teoretyczne przy wykonywaniu pomiarów:

Zagadnienia teoretyczne zostały omówione w załączonych materiałach pomocniczych

(Załącznik D).

A) .Podstawowe konfiguracje układów z W.O.

1. Wykreślić charakterystykę przejściową W.O. z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego.

2. Wykreślić charakterystykę przejściową W.O. z zamkniętą pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego.

3. Wykreślić charakterystykę przejściową W.O. z zamkniętą pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego (wtórnik).

4. Wykreślić charakterystykę przejściową układu z W.O. w konfiguracji wzm. odwracającego.

5. Wykreślić charakterystykę przejściową układu z W.O. w konfiguracji wzm. nieodwracającego.

Lp.	UWE [V]	UWY [V](otw.)	UWy [V] (+)	UWy [V] (-)	UWy(odwr.)	UWy (nieodwr)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Wnioski:

B) .Wybrane parametry W.O.

1. Współczynnik wzmocnienia dla sygnałów wolnozmiennych A_o ∼ 10⁵ do 10⁶, malejący ze wzrostem częstotliwości.

Typ W.O.	f= Hz	f= Hz	f= Hz	f= Hz
„741”
LF356
OP07

2. Napięcie niezrównoważenia U_I0. Pomiaru dokonać w układzie nieodwracającym (załącznik D, rys.1b. wzmocnienie 1000)

3. Prądy wejściowe I_B. Pomiaru dokonać w układzie odwracającym (załącznik D, rys.1a. R1=∞ , R2=110MΩ oraz rsy3 a dla Rp1=110 MΩ)

Typ W.O.	UIO [V]	IB+ [A]	IB- [A]
„741”
LF356
OP07

4. Zakres zmian napięć wejściowych U_IR , U_IW oraz ograniczenie prądu wyjściowego.

Poniższą tabelę należy wypełnić w oparciu o załączone noty aplikacyjne i dokumentację wzmacniaczy.

Typ W.O.	UIR	UIW	Ogr. prądu wyjściowego
„741”
LF356
OP07

Wnioski:

D) .Materiały pomocnicze.

Wzmacniacze proporcjonalne ze wzmacniaczami operacyjnymi (WO).

Wzmacniacz operacyjny jest to szerokopasmowy wzmacniacz o wielkim współczynniku wzmocnienia przeznaczony do pracy z elementami zewnętrznego ujemnego sprzężenia zwrotnego. Parametry wynikowego układu ze sprzężeniem zwrotnym zależą jedynie od elementów sprzężenia zwrotnego a nie od WO. Układ kosztem zmniejszenia współczynnika wzmocnienia zapewnia podwyższoną dokładność i stabilność realizacji założonego współczynnika wzmocnienia.







Rys. 1 a) układ połączeń typowego wzmacniacza operacyjnego (numery wyprowadzeń dla

obudowy DIP 8)

b) wyidealizowana charakterystyka wzmacniacza zasilanego napięciem ± E

c) charakterystyka typowego wzmacniacza zasilanego napięciem ±E=±15V(A∼10⁵,
U_I0 ≈ 0,2 m V - U_I0M ≤ U_I0 ≤ + U_I0M = 0,6 m V ± U_m  ∼ 12 - 13 V.

Wyidealizowany wzmacniacz charakteryzuje następujące parametry :

1. Współczynnik wzmacniacza A→ ∞ (odcinek pionowy charakterystyki) przy U₊ = U₋

2. Rezystancja wejściowa R_we → ∞

3. Prądy wejściowe równe zeru

4. Zakres zmian U_wy ≤ E

5. Zakres zmian napięć wejściowych U₊ , U− ≤ E

Rzeczywisty WO charakteryzuje następujące parametry :

1. Współczynnik wzmocnienia dla sygnałów wolnozmiennych A_o ∼ 10⁵ do 10⁶, malejący ze wzrostem częstotliwości.

2. Napięcie niezrównoważenia U_I0 czyli wartość (U₊ - U₋), przy której U_wy = 0 zależnie od budowy wzmacniacza od kilkudziesięciu μ V do kilku m V.

3. Prądy wejściowe I_B+ , I_B− zależnie od budowy od kilkunastu pA do pojedynczych μ A.

4. Zakres zmian U_wy ≤ U_m < E zależny od budowy WO i prądu obciążenia.

5. Zakres zmian napięć wejściowych może zawierać kilka ograniczeń np.

U₊ - U₋  ≤ U_IR np. 5 V

U₊ , U₋  ≤ U_IW zależny od napięcia zasilania np. 10 V przy E = 15 V

Ograniczenia mogą dotyczyć zakresu poprawnej pracy albo zakresu nie powodującego uszkodzeń.

6. Rezystancja wejściowa R_we zależnie od budowy wzmacniacza od ułamka MΩ do setek
MΩ.

Przeanalizujmy wpływ sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu odwracającym fazę oraz we wzmacniaczu napięciowym przedstawionych na rys. 2 na wartość napięcia (U₊ - U₋) przy skończonej wartości współczynnika A :




Rys. 2 Schematy ideowe a) wzmacniacza odwracającego fazę i b) wzmacniacza
nieodwracającego fazy z WO

We wzmacniaczu odwracającym fazę U₊ = O i wobec tego U_wy = − AU₋ . Jeżeli założymy, że R_we → ∞ , to dla węzła połączonego z We - mamy na podstawie I prawa Kirchnoffa

Po przekształceniach

We wzmacniaczu nie odwracającym fazy U₊ = U_we a

Po przekształceniach

Wnioski :

1. Ujemne sprzężenie zwrotne zmniejsza sygnał wejściowy w stosunku A / K_U (K_U - współczynnik wzmocnienia ze sprzężeniem zwrotnym).

2. Przy A → ∞ (U₊ - U₋) → 0. Warunek ten wykorzystuje się do wyznaczenia współczynnika wzmocnienia układu.

3. O dokładności zależności U_wy = f (U_we) decyduje zapas współczynnika wzmocnienia A / K_U. Ze wzrostem częstotliwości zapas ten maleje.

Przeanalizujmy następnie wpływ napięcia niezrównoważenia U_I0 na napięcie wyjściowe w obu układach zakładając A → ∞. Jeżeli napięcie U_I0 wyprowadzimy na zewnątrz wzmacniacza to otrzymamy wzmacniacz idealny, w którym U₋ = U₊ .

Dla wzmacniacza odwracającego U₋ = U₊ = U_I0 i dla węzła połączonego z We - mamy

Po przekształceniach

Dla wzmacniacza nieodwracającego U₊ = U_we + U_I0, zaś U₋ = U_wy

a więc mamy

Wnioski :

1. Wpływ napięcia niezrównoważenia U_I0 na napięcie wyjściowe U_wy jest nieodróżnialny od wpływu napięcia użytecznego U_we.

2. Możliwa jest zewnętrzna kompensacja wartości początkowej napięcia niezrównoważenia. Jest to celowe jedynie w układach o napięciach wejściowych porównywalnych z U_I0, a więc o dużych współczynnikach wzmocnienia.

Skrajnym przypadkiem wzmacniacza nieodwracającego jest wtórnik napięciowy (w którym R₁ → ∞ R₂ → 0) przedstawiony na rys. 3 razem z wtórnikami na tranzystorze bipolarnym (BJT) i tranzystorze polowym złączowym.




Rys. 3 Schematy ideowe : a) wtórnika ze wzmacniaczem operacyjnym, b) wtórnika z
tranzystorem bipolarnym, c) wtórnika z tranzystorem polowym złączowym. R_p1, R_p2,
R_p3 - rezystory polaryzacji wejść zapewniające poprawną pracę bez przyłączonego
źródła sygnału.

Podstawowe zalety wtórnika na wzmacniaczu operacyjnym w porównaniu z pozostałymi to :

1. pomijalnie małe przesunięcie napięciowe między wejściem a wyjściem,

2. pomijalnie mała rezystancja wyjściowa,

3. duża obciążalność zarówno przy napięciach dodatnich jak i ujemnych,

4. możliwość łatwej zmiany parametrów w szerokim zakresie poprzez wymianę wzmacniacza o tym samym rozstawieniu wyprowadzeń.

Jeżeli pomierzy się we wtórniku napięcie wyjściowe przy wejściu zwartym z masą
i wejściu rozwartym to różnica obu tych wartości będzie równa spadkowi napięcia na rezystorze polaryzacji R_p od prądu wejściowego wtórnika, pozwoli więc na wyznaczenie prądu wejściowego.

Wzmacniacz odwracający fazę może być wykorzystany do zsumowania sygnałów z różnymi wagami jak to przedstawiono na rys. 4.




Rys. 4 Schemat ideowy sumatora sygnałów.

Wychodząc z zależności U₋ = U₊ = 0 możemy napisać dla węzła przyłączonego do We -

skąd otrzymujemy

Wzmacniacz różnicowy przedstawiony na rys. 5 łączy w sobie cechy wzmacniacza odwracającego i nieodwracającego.




Rys. 5 Schemat ideowy wzmacniacza różnicowego.

Dla węzłów połączonych z We - i We + możemy napisać :

Przyjmując R₁₁ = R₁₂ = R₁ i R₂₁ = R₂₂ = R₂ na podstawie U₋ = U₊ otrzymujemy zależność na U_wy

Poprawność działania łatwo sprawdzić przykładając do zwartych wejść falę sinusoidalną lub do trójkątną - napięcie wyjściowe powinno pozostać równe zeru. Sposób ten można wykorzystać do strojenia wzmacniacza.

Jeżeli korzystamy z jednego tylko wejścia, to drugie powinno być połączone z masą, gdyż to odpowiada U_we = 0 (a nie otwarte wejście ! ).

Jeżeli potrzebna jest płynna zmiana współczynnika wzmocnienia w zakresie od wartości ujemnych do dodatnich, jak np. w niektórych układach korekcyjnych, można zastosować układ przedstawiony na rys. 6.




Rys. 6 Schemat ideowy układu o płynnej zmianie współczynnika wzmocnienia w zakresie ± 1.

Napięcie na We +

Dla węzła połączonego z We - mamy (U₋ = U₊ = k U_we)

Przyjmując R₁₁ = R₁₂ po przekształceniach otrzymujemy

U_wy = (2 k - 1) U_we

Układ zapewnia więc liniową zmianę współczynnika wzmocnienia od -1 przy k = 0 do + 1 przy k = 1.

Wzmacniacze proporcjonalne mogą także być wykorzystane do budowy źródeł napięcia odniesienia o dostrojonej wartości, niezłej dokładności, małej rezystancji wyjściowej i obciążalności do kilkunastu mA. Schematy źródeł napięcia dodatniego i ujemnego przedstawiono na rys.7.




Rys. 7 Schematy ideowe źródeł zasilania z W0.

Oba układy pracują z mieszanym sprzężeniem zwrotnym. Na to by były stabilne siła ujemnego sprzężenia zwrotnego powinna być większa niż siła dodatniego sprzężenia zwrotnego tzn. część napięcia wyjściowego U_wy podawana przez dzielnik rezystancyjny na We- powinna być większa od części podawanej na We+. W przypadku nieprzewodzącej diody Zenera rezystancja jest bardzo duża i oba układy są niestabilne. Gdy dioda Zenera przewodzi jej rezystancja dynamiczna spada do kilkudziesięciu omów co zapewnia stabilność obu układom. By uniknąć pracy przy diodzie polaryzowanej w kierunku przewodzenia, zastosowano unipolarne zasilanie wzmacniaczy operacyjnych (+ E dla U_wy > 0, -E dla U_wy < 0.

Wartości R₁ i R₂ dobieramy z zależności

Wartość R₃ wynika z optymalnego prądu polaryzacji diody I_p

---