PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA W KALISZU	LABORATORIUM Z ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI
Nazwisko i imię: Aleksander Michał Jaśkiewicz Sonia Góral Piotr	TEMAT ĆWICZENIA: Badanie wzmacniaczy operacyjnych – wzmacniacz różnicowy
Wydział politechniczny M i BM	Grupa: 1A
Data wykonania: 26.11.2012	Data oddania: 10.12.2012

1. Wprowadzenie

2. Wykaz przyrządów pomiarowych i schemat stanowiska pomiarowego

3. Tabele pomiarowe, obliczenia i wykres

4. Wnioski i objaśnienia

1. Wprowadzenie:

• Wzmacniacz jest to urządzenie elektroniczne, którego podstawową funkcją jest wzmocnienie sygnału bez zmiany jego kształtu. Wzmocnieni odbywa się kosztem energii doprowadzonej z zewnątrz, pomocniczego źródła napięcia stałego.

• Wzmacniacz operacyjny jest wielostopniowym, scalonym wzmacniaczem prądu stałego, mającym dwa wejścia i jedno niesymetryczne wyjście. Charakteryzuje się go podając zewnętrzne parametry, zdefiniowane jednakowo dla wszystkich rozwiązań technologicznych. Dzięki temu wzmacniacz operacyjny można traktować jako pojedynczy element układu, pomimo złożonej struktury wewnętrznej.

• Wzmacniacze operacyjne, jako układy uniwersalne mogą pracować w różnych konfiguracjach. Powszechnie stosowany jest układ z zamkniętą pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Sprzężenie zwrotne zmniejsza nieliniowość charakterystyk, poszerza pasmo (kosztem wzmocnienia), umożliwia dobór wzmocnienia napięciowego, zmniejsza niezrównoważenie.

• Podstawowe układy pracy wzmacniacza operacyjnego to:

• jednowejściowe układy: odwracający i nieodwracający

• dwuwejściowy układ różnicowy.

Możliwe są też inne układy realizujące różnorodne funkcje.

Uproszczony schemat zastępczy wzmacniacza operacyjnego

• Idealny wzmacniacz operacyjny powinien mieć następujące cechy:

1. Nieskończenie wielki wzmocnienie napięciowe w układzie z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego K_OR→∞ (w rzeczywistych układach K_OR = 10⁴÷10⁶ V/V; 80÷130 dB).

2. Nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia (w rzeczywistych układach od 1MHz do ponad 1000 MHz).

3. Nieskończenie dużą impedancję wejściową różnicową (między wejściami odwracającymi (-) i nieodwracającymi (+)) oraz impedancję wejściową sumacyjną (miedzy jednym z wejść i masą) – do 50 MΩ dla stopni wejściowych z tranzystorami bipolarnymi i do 10⁴MΩ z tranzystorami unipolarnymi.

4. Impedancję wyjściową równą zero (w rzeczywistości układach średnio kilkadziesiąt omów).

5. Prądy wejściowe równe zeru (w rzeczywistych układach od ułamka nanoamperów do kilku mikroamperów).

6. Nieskończenie duży współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (w rzeczywistych układach 70÷120 dB).

• Wzmacniacz różnicowy jest układem stosowanym do budowy wielu rodzajów układów analogowych. Ze względu na znacznie większą niż w tranzystorowych układach OE stałość parametrów w funkcji temperatury, wykorzystuje się go powszechnie jako układ wzmacniający w scalonych wzmacniaczach operacyjnych i komparatorach oraz jako stopień napięciowy we wzmacniaczach mocy a także wielu innych.

• Wzmacniacz różnicowy jest układem dwuwejściowym wzmacniającym różnicę napięć doprowadzonych do obu wejść. Napięcie wyjściowe ma postać;

U_o = K_UR(U₁ - U₂)

U₁ – napięcie podane na wejście 1 ,,-” odwracające

U₂ – napięcie podane na wejście 2 ,,+” nieodwracające

K_UR – Wzmocnienie napięciowe układu dla sygnału różnicowego

Sygnał różnicowy – sygnał stanowiący różnicę miedzy sygnałami podanymi na oba wejścia.

• Wzmacniacz różnicowy może pracować w różnych konfiguracjach. Ze względu na sposób podania na wejście sygnału wzmacnianego rozróżnia się wzmacniacze z wejściem:

• symetrycznym - wzmacniacz pracuje z wejściem symetrycznym wówczas gdy wykorzystywane są oba wejścia wzmacniacza. Układ wzmacnia wtedy różnicę napięć wejściowych, silnie tłumiąc wspólna część sygnału.

• Niesymetrycznym - można również wykorzystać wzmacniacz różnicowy jako zwykły wzmacniacz, wzmacniający jedno napięcie wejściowe. Sygnał który ma być wzmacniany, jest podawany na jedno z wejść układu, a drugie wejście jest polaryzowane napięciem stałym ( jeśli wzmacniacz jest zasilany napięciem symetrycznym ±Ec, to drugie wejście jest połączone z masą). Przy takiej konfiguracji sterowania wzmacniacz pracuje z wejściem niesymetrycznym.

• Sygnał wyjściowy uzyskuje się z obciążenia przyłączonego miedzy oba wyjścia wzmacniacza wówczas układ będzie pracował z wyjściem symetrycznym;

• Można również przyłączyć obciążenie między jedno z wyjść a masę. Tak konfiguracja wyjścia jest nazywana wyjściem niesymetrycznym;

Wybór wyjścia, z którego ma być pobierany sygnał w układzie z wyjściem niesymetrycznym zależy od tego, czy wzmacniacz ma być układem odwracającym fazę, czy też nie.

• W jakiej konfiguracji ma pracować wzmacniacz różnicowy, decyduje rodzaj wzmacnianego sygnału oraz sposób, w jaki zostało podane napięcie wzmacniające. Układ wzmacniający sygnał różnicowy pracuje z wejściem symetrycznym. Badając pracę różnicową wzmacniacza stosuje się źródła napięcia symetrycznego. Cechą tych źródeł jest to, że na obu zaciskach wyjściowych panują zmienne potencjały, czyli na obu występują napięcia np. sinusoidalne, będące w przeciw fazie. W tym celu stosuje się układy wytwarzające napięcia symetryczne np. z tranzystorem lub wzmacniaczem operacyjnym;

• Praktyczny układ wzmacniacza różnicowego;

• Parametry wzmacniacza różnicowego zależą od układu pracy. Jeżeli wzmacniacz będzie pracował z wyjściem symetrycznym, to napięcie wyjściowe będzie dwukrotnie większe niż w układzie z wyjściem niesymetrycznym. Zatem wzmocnienie w układzie z wyjściem symetrycznym jest dwukrotnie większe niż w układzie z wyjściem niesymetrycznym. Podobnie jest w przypadku wejścia symetrycznego. Napięcie wejściowe o stałej amplitudzie, podane symetrycznie ( na obu zaciskach wejściowych panują napięcia przeciwne w fazie), spowoduje na wyjściu dwukrotnie większe napięcie nuż podane napięcie niesymetryczne (miedzy jeden z zacisków wejściowych a masę). Więc wzmocnienie w układzie z wejściem symetrycznym jest dwukrotnie większe niż z wejściem niesymetrycznym przy danym układzie wyjścia.

• W zależności od tego czy wzmacniacz pracuje z wejściem symetrycznym czy nie symetrycznym wyznacza się następujące parametry :

  • Wzmocnienie Ku (różnicowe/sumacyjne)

  • Rezystancje wejściową/wyjściową

  • Wejściowe/wyjściowe napięcie niezrównoważenia

  • Współczynnik tłumienia sygnału CMRR

  • Wejściowy prąd polaryzacji

  • Pasmo przenoszenia

  • Szybkość narastania sygnału wyjściowego

• Charakterystyki wzmacniacz różnicowego – kształt charakterystyk jest zależny od układu pracy;

• Przejściowa;

• Amplitudowa – pasmo przenoszenia wzmacniacza zawiera się od częstotliwości równej 0 do częstotliwości przy której wartość wzmocnienia spadnie do wartości 0,707 wzmocnienia maksymalnego.

1. Wykaz przyrządów i schemat stanowiska pomiarowego;

1. Zasilacz symetryczny +/- Ec (Ec=15 V)

2. Wzmacniacz różnicowy

3. Zasilacz regulowany 1 i 2

4. Woltomierze V1, V2, V3

5. Rezystory R1 = 10 [kΩ], R2 = 30 [kΩ], R3 = 10 [kΩ], R4=5 [kΩ],

Schemat stanowiska pomiarowego:

1. Tabele pomiarowe, obliczenia, wykresy

• Tabele pomiarowe;

• Na wejściu 1 utrzymywane jest odpowiednio napięcie

1 [V] i –1 [V]

L.P.	U1 [V]	U2[V]	Uw [V]	KU	Uwy*[V]	L.P.	U1 [V]	U2 [V]	Uw [V]	KU	Uwy*[V]
1.	1	-4	-8,34	1,69	-8,32	1.	-1	4	-2,402	0,80	-2,32
2.	1	-3	-7,00	1,75	-6,99	2.	-1	3	-1,017	0,51	-0,99
3.	1	-2	-5,65	1,88	-5.66	3.	-1	2	0,321	0,32	0,34
4.	1	-1	-4,31	2,16	-4,33	4.	-1	1	1,661	0	1,67
5.	1	0	-2,993	2,99	-3,00	5.	-1	0	3,006	3,00	3,00
6.	1	1	-1,670	0	-1,67	6.	-1	-1	4,32	2,16	4,33
7.	1	2	-0,316	0,32	--0,34	7.	-1	-2	5,65	1,88	5,66
8.	1	3	1,023	0,51	0,99	8.	-1	-3	6,99	1,74	6,99
9.	1	4	2,380	0,79	2,32	9.	-1	-4	8,35	1,67	8,32

*Napięcie wyjściowe z obliczeń

• Na wejściu 2 utrzymywane jest odpowiednio napięcie

1 [V] i –1 [V]

L.P.	U1 [V]	U2[V]	Uwy[V]	KU	Uwy*[V]	L.P.	U1 [V]	U2 [V]	Uwy [V]	KU	Uwy* [V]
1.	-3,7	1	12,40	2,63	12,43	1.	-3,87	-1	10,26	3,57	10,28
2.	-3	1	10,30	2,56	10,33	2.	-3	-1	7,65	3,83	7,67
3.	-2	1	7,32	2,44	7,33	3.	-2	-1	4,64	4,64	4,67
4.	-1	1	4,33	2,17	4,33	4.	-1	-1	1,673	0	1,67
5.	0	1	1,345	1,34	1,33	5.	0	-1	-1,340	1,34	-1,33
6.	1	1	-1,656	0	-1,67	6.	1	-1	-4,31	2,16	-4,33
7.	2	1	-4,64	4,64	-4,67	7.	2	-1	-7,30	2,43	-7,33
8.	3	1	-7,63	3,81	-7,67	8.	3	-1	-10,30	2,58	-10,33
9.	3,85	1	-10,54	3,69	-10,22	9.	3,85	-1	-12,08	2,49	-12,88

*Napięcie wyjściowe z obliczeń

• Obliczenia:

• Obliczenie wzmocnienia napięciowego ( wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą – wzmocnienie różnicowe ) ze wzoru:

K_U = $\frac{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{wy}}}}{\mathbf{U}_{\mathbf{we\ 1}}\mathbf{- \ }\mathbf{U}_{\mathbf{\text{we}}\mathbf{2}}}$

Przykład:

|K_U| = $\left| \frac{\mathbf{7,65\ \lbrack V\rbrack}}{\mathbf{- 3\ \lbrack V\rbrack - (\ - 1\ )\lbrack V\rbrack}} \right|\mathbf{=}$ 3,83

• Obliczenie napięcia wyjściowego ze wzoru:

U_wy = $\mathbf{- \ }\frac{\mathbf{R}_{\mathbf{2}}}{\mathbf{R}_{\mathbf{1}}}$ x U_we1 +[ $\frac{\mathbf{R}_{\mathbf{1}}\mathbf{+ \ }\mathbf{R}_{\mathbf{2}}}{\mathbf{R}_{\mathbf{3}}\mathbf{+ \ }\mathbf{R}_{\mathbf{4}}}$]$\mathbf{\ }\frac{\mathbf{R}_{\mathbf{4}}}{\mathbf{R}_{\mathbf{1}}}$ x U_we2

Przykład:

U_wy = $\mathbf{- \ }\frac{\mathbf{30\ \lbrack K\Omega\rbrack}}{\mathbf{10\ \lbrack K\Omega\rbrack}}$ x (-3) [V] +[ $\frac{\mathbf{10\ \lbrack K\Omega\rbrack + \ 30\ \lbrack K\Omega\rbrack}}{\mathbf{10\ \lbrack K\Omega\rbrack + \ 5\ \lbrack K\Omega\rbrack}}$]$\mathbf{\ }\frac{\mathbf{5\ \lbrack K\Omega\rbrack}}{\mathbf{10\ \lbrack K\Omega\rbrack}}$ x 1 [V] = 10,33

• Wykresy – przedstawiają fragment charakterystyki przejściowej wzmacniacza różnicowego gdy:

• U1 = 1 [V]

• U1 = -1 [V]

• U2 = 1 [V]

• U2 = -1 [V]

1. Wnioski i objaśnienia:

• Większość uwag, parametrów i charakterystycznych spostrzeżeń którymi wyróżnia się wzmacniacz różnicowy zostały zawarte w sprawozdaniu w punkcie ,, I Wprowadzenie’’

• Wzmacniacz różnicowy jest bardzo popularnym układem, stosowanym do wzmocnienia różnicy napięć dwóch sygnałów wejściowych.

• Wzmacniacze różnicowe są niezastąpione w zastosowaniach, w których na słabe sygnały nakładają się zakłócenia zewnętrzne oraz rozmaite inne szumy. Np. sygnały cyfrowe przekazywane za pomocą długich kabli, sygnały akustyczne

• Budując wzmacniacze różnicowe dąży się do uzyskania dużego wzmocnienia różnicowego, dużego współczynnika tłumienia sygnału sumacyjnego, dużej rezystancji wejściowej oraz małych sygnałów niezrównoważenia i ich dryftów – stosuje się układ Darlingtona.

• Porównując wyniki pomiarów napięcia wyjściowego z wynikami obliczonymi tego napięcia stwierdza się zgodność tych wyników. Na niewielkie różnice mogą mieć wpływ błędy przyrządów pomiarowych.

• Charakterystyka przejściowa idealnego wzmacniacza z wyjściem symetrycznym przechodziła by przez środek układu współrzędnych. W przypadku rzeczywistego wzmacniacza, w którym występuje pewna niesymetria, charakterystyka jest przesunięta poziomo wzdłuż osi napięć wejściowych o wartości wejściowego napięcia niezrównoważenia

• Wykresy przedstawiają tylko fragment charakterystyki przejściowej z zakresu liniowego

• Wzmacniacz ma pewien zakres liniowy charakterystyki po przekroczeniu którego wchodzi w stan przesterowania

• Nachylenie charakterystyki ( α – kat nachylenia ) świadczy o wartości wzmocnienia dynamicznego wzmacniacza tgα = K_U

• Charakterystyka wzmacniacza operacyjnego nieodwracającego przechodzi przez I i III ćwiartkę układu współrzędnych, a odwracającego przez II i IV

Analiza budowy i zasady działania wzmacniacza różnicowego:

Wzmacniacz różnicowy jest układem dwuwejściowym zbudowanym z dwóch tranzystorów pracujących w układzie OE mających wspólny obwód emiterowy (w najprostszym przypadku rezystor RE). We wzmacniaczach różnicowych stosowane są tranzystory NPN lub PNP. Powinny mieć one jednakowe parametry, celem zapewnienia symetrii charakterystyk w zakresie liniowym ( osiągane w układach scalonych) i duże wzmocnienie prądowe

Schemat zasadniczy

Zadaniem wzmacniacza różnicowego jest wytworzenie na wyjściu napięcia (napięciem wyjściowym może być U_C1, U_C2 lub ich różnica), którego wartość jest proporcjonalna do różnicy napięć między jego wejściami ( U_B1 – U_B2).

Wzmacniacz różnicowy może być sterowany z dwóch źródeł, które dołącza się do baz obu tranzystorów – sterowanie symetryczne albo z jednego źródła sterowanie asymetryczne. W tym przypadku źródło sygnału dołącza się do bazy jednego z tranzystorów a bazę drugiego zwiera się do masy. Wyjście układu może być symetryczne z kolektorów obu tranzystorów, albo asymetryczne między kolektorem jednego z tranzystorów a masą.
Układ umożliwia więc asymetryczne lub symetryczne WE i WY w dowolnych kombinacjach. Przy stosowaniu każdej z tych kombinacji uzyskuje się różne parametry. We wzmacniaczu różnicowym oba tranzystory pracują w stanie aktywnym

Zasada działania - zakładamy, że napięcie U_B2 tranzystora T₂ nie ulega zmianie (np. jest równe zeru). Sygnał wejściowy jest podawany na bazę tranzystora T₁. Wzrost napięcia U_b1 powoduje wzrost napięcia U_e1 a tym samym zmniejszenie napięcia U_be2 Skutkiem tego następuje zmniejszenie prądu i_e2 i prądu i_c2 tranzystora T ₂ oraz zwiększenie prądu i_el i prądu i_cl tranzystora T _l. W wyniku tego zmniejsza się napięcie u_c1 tranzystora T₁. Zatem napięcie u_c1 jest odwrócone w fazie względem napięcia wejściowego U_bl.
Zmniejszenie wartości prądu płynącego przez kolektor tranzystora T₂ (i₀ = i_cl + i_c2), powoduje z kolei wzrost napięcia u_c2 na kolektorze tego tranzystora. Napięcie u_c2 jest zgodne w fazie z napięciem wejściowym u_b2.