Ćwiczenie nr 2
PARAMETRY I PODSTAWOWE UKŁADY PRACY WZMACNIACZA OPERACYJNEGO
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:
układach analogowych, gdzie wykonują operacje: dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia, całkowania i różniczkowania,
wzmacniaczach logarytmicznych,
generatorach sygnałów: prostokątnych, trójkątnych i sinusoidalnych,
filtrach,
detektorach liniowych i detektorach wartości szczytowej,
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
Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych
Wzmacniacz odwracający fazę sygnału wejściowego,
Wzmacniacz nieodwracający,
Wzmacniacz sumujący i odejmujący,
Wzmacniacz całkujący,
Wzmacniacz różniczkujący,
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 RR powinna być równa rezystancji wynikającej z równoległego połączenia rezystorów R1, R2, ... Rn 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, do kształtowania przebiegu liniowego, trójkątnego i 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
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 elementów umieszczonych w podstawkach (rezystor, kondensator, zwierka) można uzyskać konfiguracje podstawowych układów pracy wzmacniacza operacyjnego.
3.1 Pomiar charakterystyki częstotliwościowej wzmacniacza
Wybrać układ wzmacniacza odwracającego fazę. Za pomocą rezystorów ustalić wartość sprzężenia zwrotnego, aby wzmocnienie wynosiło 10 (rezystor szeregowy o wartości 1 kΩ, rezystor w pętli sprzężenia zwrotnego o wartości 10 kΩ).
Dla wybranego układu wzmacniacza podać na wejście sygnał sinusoidalny z generatora.
Za pomocą oscyloskopu mierzyć amplitudę sygnału wejściowego i wyjściowego.
Pomiary wykonać również dla wzmocnienia 1 (inwerter).
Charakterystykę przenoszenia wzmacniacza wykreślić w skali liniowo logarytmicznej
(lin KU - log f).
KU [V/V] = UWY/UWE lub KU [dB]
Zaobserwować wpływ wzmocnienia na pasmo przenoszenia wzmacniacza.
Wyznaczyć pasmo wzmacniacza dla obu przypadków wzmocnienia.
3.2. Obserwacja na oscyloskopie działania wzmacniacza całkującego
Połączyć obwód zgodnie z rys. 7a, używając kondensatora C=1nF 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 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).
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.
3.3. Obserwacja na oscyloskopie działania wzmacniacza różniczkującego
Połączyć obwód zgodnie z rys. 8, używając kondensatora C=100 pF i rezystora R=10 kΩ.
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 i sinusoidalnym.
3.4. Obserwacja na oscyloskopie działania wzmacniacza odwracającego fazę sygnału wejściowego
Połączyć obwód zgodnie z rys. 2, używając rezystora szeregowego R1=1kΩ i rezystora w pętli sprzężenia zwrotnego R2=10kΩ.
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 wzmocnienia równego 1 - inwertera (R1=10kΩ i R2=10kΩ).
3.5. Obserwacja na oscyloskopie działania wzmacniacza nie odwracającego fazy sygnału wejściowego
Połączyć obwód zgodnie z rys. 3, używając rezystora szeregowego R1=1kΩ i rezystora w pętli sprzężenia zwrotnego R2=10kΩ.
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.
Porównać obserwacje dla wzmocnienia równego 1 - wtórnika napięcia (100% sprzężenie zwrotne, R2=10kΩ).
3.6. 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 za pomocą rezystora R1=1kΩ z masą układu. 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.
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 wzmacniacza operacyjnego.
4 Omówić parametry rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego.
5. Co to jest napięcie niezrównoważenia, wymienić sposoby kompensacji „zera”.
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
Uwe2
Uwe1
Wy
Uwy
C
R1
R2
R3
Uwy
Uwe
C
R1
R2
Uwy
Uwe
I1
I
Uwe
C
R2
R1
Uwy
Ic
I