Ćwiczenie nr 2

PARAMETRY I PODSTAWOWE UKŁADY PRACY WZMACNIACZA OPERACYJNEGO

1. Wprowadzenie

Wzmacniacze operacyjne stanowią największą grupę analogowych układów scalonych. Charakteryzują się następującymi właściwościami:

• bardzo dużym wzmocnieniem napięciowym (powyżej 10000 V/V czyli 80dB),

• wzmacniają prąd stały,

• odwracają fazę sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału podawanego na wejściu odwracające (oznaczenie „ - „) lub zachowują zgodność w fazie jeżeli sygnał wejściowy jest podawany na wejście nieodwracające (oznaczenie „ + „),

• dużą rezystancję wejściową (MΩ),

• małą rezystancję wyjściową (Ω).

Rys. 1. Symbol wzmacniacza operacyjnego.

Podział wzmacniaczy ze względu na przeznaczenie:

• ogólnego przeznaczenia,

• szerokopasmowe,

• stosowane w urządzeniach dokładnych, gdzie wymagana jest duża rezystancja wejściowa, mały współczynnik cieplny i małe szumy,

• do zastosowań specjalnych.

Parametry wzmacniacza operacyjnego idealnego

Idealny wzmacniacz operacyjny powinien wykazywać następujące właściwości:

• nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (K → ∞);

• nieskończenie szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości;

• nieskończenie dużą impedancję wejściową (między wejściami oraz między wejściami a masą);

• impedancję wyjściową równą zeru;

• napięcie wyjściowe równe zeru przy sterowaniu sygnałem nieróżnicowym (wspólnym);

• wzmocnienie idealne różnicowe, a więc nieskończenie duże tłumienie sygnału nieróżnicowego;

• niezależność parametrów od temperatury.

Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych.

Stosowane są głównie w:

1. układach analogowych, gdzie wykonują operacje: dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia, całkowania i różniczkowania,

2. wzmacniaczach logarytmicznych,

3. generatorach sygnałów: prostokątnych, trójkątnych i sinusoidalnych,

4. filtrach,

5. 
   detektorach liniowych i detektorach wartości szczytowej,

6. układach próbkujących z pamięcią.

Schemat elektryczny (a) i blokowy (b) wzmacniacza operacyjnego μA741.

PODSTAWOWE CHARAKTERYSTYKI WZMACNIACZA OPERACYJNEGO

Charakterystyki częstotliwościowe przykładowych wzmacniaczy operacyjnych

Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego

Szybkość zmian napięcia wyjściowego dla różnych wzmacniaczy operacyjnych

Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych

1. Wzmacniacz odwracający fazę sygnału wejściowego,

2. Wzmacniacz nieodwracający,

3. Wzmacniacz sumujący i odejmujący,

4. Wzmacniacz całkujący,

5. Wzmacniacz różniczkujący,

6. Wtórnik napięciowy,

7. Komparator napięć

WZMACNIACZ ODWRACAJĄCY FAZĘ SYGNAŁU WEJŚCIOWEGO

Rys.2. Schemat wzmacniacza odwracającego.

Schemat wzmacniacza przedstawiono na rysunku 2.

Napięcie na wyjściu równe:

;

a wzmocnienie układu wynosi:

;

przy czym znak „ - „ oznacza odwrócenie fazy napięcia wyjściowego względem napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa układu jest równa R₁, ponieważ punkt A jest punktem masy pozornej (wirtualnej). Rezystancję wyjściową określa się zgodnie z zależnością obowiązującą dla układu ze sprzężeniem zwrotnym napięciowym równoległym.

W celu uzyskania kompensacji błędu (napięcia niezrównoważenia), wartość rezystancji R₃ powinna być równa wartości rezystancji wynikającej z równoległego połączenia rezystorów R₁ i R₂.

Jeżeli rezystory te będą miały jednakową rezystancję, to otrzymuje się inwerter (wzmocnienie równe - 1).

WZMACNIACZ NIEODWRACAJĄCY FAZY

Rys. 3. Schemat wzmacniacza nieodwracającego.

Sygnał wejściowy jest podawany na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego.

Napięcie na wyjściu wynosi:

;

natomiast wzmocnienie wynosi

;

Rezystancja wejściowa jest bardzo duża i w praktyce wynosi 10¹⁰ ÷ 10¹³ Ω.

WTÓRNIK NAPIĘCIOWY

Wtórnik napięciowy uzyskuje się we wzmacniaczu nieodwracającym przy zastosowaniu rezystora o nieskończonej wartości. Wartość rezystancji R powinna być równa wartości rezystancji źródła sygnału wejściowego. Taki układ charakteryzuje się bardzo dużą rezystancją wejściową i małą rezystancją wyjściową.

;

Rys. 4. Schemat wtórnika napięciowego.

WZMACNIACZ ODEJMUJĄCY

Wzmacniacz odejmujący jest często zwany również różnicowym.

Realizuje on odejmowanie napięć wejściowych w odpowiednim stosunku zależnym od wartości rezystorów znajdujących się w układzie. Schemat wzmacniacza odejmującego przedstawiony jest na rysunku 5.

Rys. 5. Schemat wzmacniacza różnicowego.

;

jeśli spełniony będzie warunek

;

to

;

Rezystancja wejściowa dla wejścia odwracającego, przy U₂ = 0 jest równa R₁ + R₃, a dla wejścia nieodwracającego R₂ + R₄. Kompensacje błędu spowodowanego wejściowymi prądami polaryzującymi uzyskuje się w wyniku zastosowania rezystorów spełniających warunek R₁ || R₃ = R₂ || R₄.

WZMACNIACZ SUMUJĄCY

Za pomocą tego wzmacniacza łatwo można zrealizować dodawanie.

Rys. 6. Schemat wzmacniacza sumującego (odwracającego fazę sygnału).

Zależność na napięcie wyjściowe:

;

Wartość rezystancji R_R powinna być równa rezystancji wynikającej z równoległego połączenia rezystorów R₁, R₂, ... R_n i R.

W wyniku połączenia wzmacniacza różnicowego i sumującego otrzymujemy układ realizujący jednocześnie sumowanie i odejmowanie napięć.

W celu uniknięcia błędów należy pamiętać, aby rezystancje „widzialne” między wejściem wzmacniacza operacyjnego a masą były jednakowe dla obu wejść wzmacniacza operacyjnego.

WZMACNIACZ CAŁKUJĄCY - INTEGRATOR

Integrator otrzymuje się poprzez włączenie kondensatora C w obwód sprzężenia zwrotnego.

Napięcie wyjściowe wyraża się zależnością:

;

U₀ - wartość początkowego napięcia w chwili początkowej t = 0.

Stąd też nazwa układu jako całkujący.

a) b)

Rys.7. Schematy integratora:

a) układ podstawowy, b) układ z obwodem RC w pętli sprzężenia zwrotnego

Zastosowanie układów całkujących.

Układy całkujące stosujemy przede wszystkim:

• w generatorach przebiegu liniowego, trójkątnego piłokształtnego,

• w filtrach,

• w układach wyznaczania wartości średniej, przetwarzania sygnału z czujników.

WZMACNIACZ RÓŻNICZKUJĄCY

Wzmacniacz różniczkujący uzyskuje się przez zastąpienie rezystora, włączonego na wejściu odwracającego wzmacniacza operacyjnego, kondensatorem C (rys. 8).

Rys. 8. Schemat wzmacniacza różniczkującego.

;

Jest to zależność napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego w funkcji czasu.

Wzmacniacz różniczkujący ma wiele wad m.in. jest wrażliwy na szumy sygnału o wielkiej częstotliwości oraz skłonności do oscylacji.

PRZERZUTNIK SCHMITTA

Wzmacniacze operacyjne mogą być wykorzystywane do budowy układów przerzutnikowych. Przekształcenie wzmacniacza na przerzutnik bistabilny polega na wprowadzeniu pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego (rys 9).

Rys. 9 Przerzutnik Schmitta

2. PROGRAM ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zrozumienie zasady działania wzmacniacza operacyjnego jak również poznanie jego podstawowych układów pracy.

• Opis stanowiska pomiarowego

Schemat stanowiska pomiarowego do badania wzmacniacza operacyjnego przedstawiono na rysunku poniżej.

Za pomocą przewodów można połączyć różne elementy zewnętrzne i uzyskać konfiguracje podstawowych układów pracy wzmacniacza operacyjnego.

3.1. Obserwacja na oscyloskopie działania wzmacniacza odwracającego fazę sygnału wejściowego

Połączyć obwód zgodnie z rysunkiem, używając rezystora szeregowego R₁=5,6 kΩ i R₁=56Ω oraz rezystora w pętli sprzężenia zwrotnego R₂=5,6 kΩ.

Ustawić częstotliwość generatora w przedziale 500 Hz do 5 kHz, sygnał wejściowy z generatora o przebiegu prostokątnym doprowadzić do wejścia układu wzmacniacza i równocześnie do pierwszego kanału oscyloskopu (CH 1). Sygnał wyjściowy natomiast doprowadzić do drugiego kanału oscyloskopu (CH 2).

Zaobserwować i zarejestrować przebieg czasowy oraz fazę sygnału wyjściowego w tej konfiguracji pracy dla sygnału wejściowego o przebiegu prostokątnym i sinusoidalnym i trójkątnym. Określić górną częstotliwość sygnału wejściowego przy której pojawiają się zniekształcenia. Porównać obserwacje dla różnych wzmocnień.

3.2. Obserwacja na oscyloskopie działania wzmacniacza nie odwracającego fazy sygnału wejściowego

Połączyć obwód zgodnie z rysunkiem, używając rezystora szeregowego R₁=5,6 kΩ i rezystora w pętli sprzężenia zwrotnego R₂=5,6 kΩ.

Ustawić częstotliwość generatora w przedziale 500 Hz do 5 kHz, sygnał wejściowy z generatora o przebiegu prostokątnym doprowadzić do wejścia układu wzmacniacza. Zaobserwować i zarejestrować przebieg czasowy oraz fazę sygnału wyjściowego w tej konfiguracji pracy dla sygnału wejściowego o przebiegu prostokątnym i sinusoidalnym i trójkątnym. Określić górną częstotliwość sygnału wejściowego przy której pojawiają się zniekształcenia i obniżenie amplitudy sygnału wyjściowego.

Porównać obserwacje dla wzmocnienia równego 1 - wtórnika napięcia (100% sprzężenie zwrotne, R₂=5,6 kΩ).

3.3. Obserwacja na oscyloskopie działania wtórnika napięcia

Połączyć obwód zgodnie z rysunkiem, używając dowolnego rezystora w pętli sprzężenia zwrotnego. Ustawić częstotliwość generatora w przedziale 500 Hz do 5 kHz, sygnał wejściowy z generatora o przebiegu prostokątnym doprowadzić do wejścia układu wzmacniacza. Zaobserwować i zarejestrować przebieg czasowy oraz fazę sygnału wyjściowego w tej konfiguracji pracy dla sygnału wejściowego o przebiegu prostokątnym i sinusoidalnym i trójkątnym. Określić górną częstotliwość sygnału wejściowego przy której pojawiają się zniekształcenia.

3.4. Kompensacja zera wzmacniacza operacyjnego

Połączyć obwód zgodnie z rysunkiem używając rezystora szeregowego R₁=51 Ω i rezystora w pętli sprzężenia zwrotnego R₂=5,6 kΩ. Zmierzyć wartość napięcia niezrównoważenia i wyzerować wzmacniacz operacyjny.

3.5. Obserwacja na oscyloskopie działania komparatora

(wzmacniacza porównującego dwa napięcia)

Sygnał z generatora o przebiegu sinusoidalnym doprowadzić do wejścia nieodwracającego, natomiast wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego połączyć z potencjometrem zadającym składową stałą o różnym poziomie napięcia i biegunowości. Ustawić częstotliwość generatora w przedziale 500 Hz do 5 kHz.

Zaobserwować i zarejestrować przebieg czasowy sygnału wejściowego i wyjściowego w tej konfiguracji pracy. Porównać obserwacje dla sygnału wejściowego o przebiegu trójkątnym.

3.6. Obserwacja na oscyloskopie działania wzmacniacza odejmującego

Połączyć obwód zgodnie z rysunkiem, używając rezystora szeregowego R₁=10 kΩ, R₂=10kΩ i rezystora w pętli sprzężenia zwrotnego R₃=10 kΩ.

Ustawić częstotliwość generatora w przedziale 500 Hz do 5 kHz, sygnał wejściowy z generatora o przebiegu prostokątnym doprowadzić do wejścia układu wzmacniacza. Zaobserwować i zarejestrować przebieg czasowy oraz fazę sygnału wyjściowego w tej konfiguracji pracy dla sygnału wejściowego o przebiegu prostokątnym i sinusoidalnym i trójkątnym.

3.7. Obserwacja na oscyloskopie działania wzmacniacza całkującego

Połączyć obwód zgodnie z rysunkiem, używając kondensatora C=190 pF i rezystora R=10kΩ.

Ustawić częstotliwość generatora na wartość około 5 kHz, sygnał wejściowy z generatora o przebiegu prostokątnym doprowadzić do wejścia układu całkującego i równocześnie do pierwszego kanału oscyloskopu (CH 1). Sygnał wyjściowy natomiast doprowadzić do drugiego kanału oscyloskopu (CH 2) - wejście AC.

Zaobserwować i zarejestrować przebieg czasowy sygnału wyjściowego układu całkującego dla sygnału wejściowego o przebiegu prostokątnym, sinusoidalnym i trójkątnym.

Przebiegi czasowe napięć wejściowych i wyjściowych można obserwować za pomocą analogowego oscyloskopu firmy TEKTRONIX lub przystawki oscyloskopu cyfrowego (opis działania przystawki PCS500 firmy VELLMAN w załączniku).

Ustawienia oscyloskopu TEKTRONIX model 463:

VERT MODE - ALT, wzmocnienie kanałów oscyloskopu: CH 1 - 0,5V/dz. ,

CH 2 - 2V/dz., DISPLAY - MIX, TRIG MODE - AUTO (CH 1), Level - 0.

3.8. Obserwacja na oscyloskopie działania wzmacniacza różniczkującego

Połączyć obwód zgodnie z rysunkiem, używając kondensatora C=150 pF i rezystora R=10kΩ.

Ustawić częstotliwość generatora na wartość około 5 kHz, sygnał wejściowy z generatora o przebiegu prostokątnym doprowadzić do wejścia układu całkującego i równocześnie do pierwszego kanału oscyloskopu (CH 1). Sygnał wyjściowy natomiast doprowadzić do drugiego kanału oscyloskopu (CH 2) - wejście AC.

Zaobserwować i zarejestrować przebieg czasowy sygnału wyjściowego układu różniczkującego dla sygnału wejściowego o przebiegu prostokątnym i sinusoidalnym.

Przebiegi czasowe napięć wejściowych i wyjściowych można obserwować za pomocą analogowego oscyloskopu firmy TEKTRONIX lub przystawki oscyloskopu cyfrowego (opis działania przystawki PCS500 firmy VELLMAN w załączniku).

3.9. Obserwacja na oscyloskopie działania filtru dolnoprzepustowego

Połączyć obwód zgodnie z rysunkiem, używając kondensatora C=100 nF i rezystorów R=10kΩ.

Badać częstotliwość z generatora od 100Hz do 5 kHz, sygnał wejściowy z generatora o przebiegu prostokątnym doprowadzić do wejścia filtru dolnoprzepustowego i równocześnie do pierwszego kanału oscyloskopu (CH 1). Sygnał wyjściowy natomiast doprowadzić do drugiego kanału oscyloskopu (CH 2) - wejście AC.

Zaobserwować i zarejestrować przebieg czasowy sygnału wyjściowego filtru dolnoprzepustowego dla sygnału wejściowego o przebiegu sinusoidalnym i prostokątnym.

3.10. Obserwacja na oscyloskopie działania filtru górnoprzepustowego

Połączyć obwód zgodnie z rysunkiem, używając kondensatora C=100 pF i rezystora R=10kΩ.

Badać częstotliwość z generatora od 200Hz do 5 kHz, sygnał wejściowy z generatora o przebiegu prostokątnym doprowadzić do wejścia filtru górnoprzepustowego i równocześnie do pierwszego kanału oscyloskopu (CH 1). Sygnał wyjściowy natomiast doprowadzić do drugiego kanału oscyloskopu (CH 2) - wejście AC.

Zaobserwować i zarejestrować przebieg czasowy sygnału wyjściowego filtru górnoprzepustowego dla sygnału wejściowego o przebiegu prostokątnym i sinusoidalnym.

3.11. Obserwacja na oscyloskopie działania filtru pasmowego

Połączyć obwód zgodnie z rysunkiem, używając kondensatora C=150 pF i rezystora R=10kΩ.

Badać częstotliwość z generatora od 200Hz do 5 kHz, sygnał wejściowy z generatora o przebiegu prostokątnym doprowadzić do wejścia filtru pasmowego i równocześnie do pierwszego kanału oscyloskopu (CH 1). Sygnał wyjściowy natomiast doprowadzić do drugiego kanału oscyloskopu (CH 2) - wejście AC.

Zaobserwować i zarejestrować przebieg czasowy sygnału wyjściowego filtru pasmowego dla sygnału wejściowego o przebiegu prostokątnym i sinusoidalnym.

3.11. Obserwacja na oscyloskopie działania przerzutnika Schmitta

Przekształcić wzmacniacz na przerzutnik bistabilny poprzez wprowadzenie pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego jak pokazano na rysunku.

Przerzutnik Schmitta ma w obwodzie wejściowym dwa progi przełączania, przy których wyjście zmienia stan na przeciwny. Osiągnięcie przez napięcie wejściowe określonego progu zależy od kierunku zmiany tego napięcia. Dla napięcia narastającego obowiązuje próg górny, dla opadającego - dolny. Odległość między progami określa się mianem szerokości pętli histerezy.

Przerzutniki Schmitta wykorzystują histerezę w celu ochrony przed szumem, który w przeciwnym wypadku mógłby powodować ciągłe przełączanie między dwoma przeciwnymi stanami w sytuacji, gdy sygnał wejściowy oscyluje wokół poziomu progowego.

W układzie komparatora zbudowanym na wzmacniaczu operacyjnym, napięcie na wyjściu przyjmuje poziom zbliżony do dodatniego napięcia zasilania tylko wtedy, gdy potencjał występujący na wejściu nieodwracającym (+) przekracza (co najmniej o wartość tzw. napięcia niezrównoważenia) potencjał wejścia odwracającego (-). Szybkość przełączania pomiędzy szynami napięcia określa szybkość narastania (opadania) napięcia wyjściowego. Wyjście może być dwu- lub trójstanowe i przystosowane do współpracy z układami cyfrowymi.

4. Pytania kontrolne

1. Omówić parametry i właściwości idealnego wzmacniacza operacyjnego.

2. Omówić podstawowe konfiguracje pracy wzmacniacza operacyjnego, podać zależności na napięcie wyjściowe wzmacniacza w poszczególnych układach pracy.

3. Omówić charakterystykę częstotliwościową i przejściową wzmacniacza operacyjnego.

4. Co to jest napięcie niezrównoważenia, wymienić sposoby kompensacji „zera”.

5. Literatura

A. Guziński , Liniowe elektroniczne układy analogowe, WNT 1992

Z. Kulka, M. Nadachowski, Liniowe układy scalone i ich zastosowania , WKŁ

Z. Szpakowski, Układy scalone w zastosowaniach, WKŁ, 1977

W. Golde, L. Śliwa, Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania, WNT 1982

Górecki P. „Wzmacniacze operacyjne - podstawy, aplikacje, zastosowania”. Wydawnictwo BTC. Warszawa 2004.

Kaźmierkowski M. Wójciak A. ”Układy sterowania i pomiarów w automatyce przemysłowej”. WKiŁ.

Praca zbiorowa „Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków”. WNT. W-wa 2004.

Polowczyk M. Jurewicz A. „ Elektronika dla mechaników”. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej. Gdańsk 2003.

Widelski K. „Spotkania z elektroniką”. WkiŁ. W-wa 2001.

Watson J. „Elektronika” WKiŁ.

Wawrzyński W. „Podstawy współczesnej elektroniki”. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. W-wa 2003.

Wawrzyński W. „Podstawy elektroniki”. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. W-wa 1996.

Tietze U., Schenk Ch. „Układy półprzewodnikowe”. WNT.

Porębski Jan. „Podstawy elektroniki cz. 1 i 2”. Skrypt AGH nr 1073. Kraków 1986.

Koziej E., Sochoń B. „Elektrotechnika i elektronika”. PWN.

Selly S. „Układy elektroniczne”. WNT.

Horowitz P. Hill W. „Sztuka elektroniki”. Cz. 1 i 2. WKiŁ.

Borczyński J. „Podzespoły elektroniczne - Półprzewodniki. Poradnik”. WKiŁ

Pawlina W. „Laboratorium elektrotechniki i elektroniki”. Wyższa Szkoła Inżynierska w Koszalinie. Skrypt.

Praca zbiorowa pod red. Pietrzyka W. „Laboratorium z elektroniki”. Politechnika Lubelska 2002.

Praca zbiorowa pod red. Barglika J. „Laboratorium z elektroniki dla wydziałów nieelektrycznych”. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Skrypt 1850.

Bojarska M. I inni „Laboratorium elektroniki”. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej w Gliwicach.

We1

We2

U_we2

U_we1

W_y

U_wy

C

R₁

R₂

R₃

U_wy

U_we

C

R₁

R₂

U_wy

U_we

I₁

I

U_we

C

R₂

R₁

U_wy

I_c

I

---