1. Właściwości idealnego WO. Ogólny symbol WO z oznaczeniem wyprowadzeń. WO z zaznaczeniem napięć wejściowych i wyjściowych oraz napięcia zasilania

Wzmacniacz operacyjny to wielostopniowy, wzmacniacz różnicowy prądu stałego, charakteryzujący się bardzo dużym różnicowym wzmocnieniem napięciowym rzędu stu kilkudziesięciu decybeli i przeznaczony zwykle do pracy z zewnętrznym obwodem sprzężenia zwrotnego, który decyduje o głównych właściwościach całego układu.

Idealny wzmacniacz:

• nieskończenie dużym różnicowym wzmocnieniem napięciowym

• zerowym wejściowym napięciem niezrównoważenia

• nieskończenie dużą impedancją wejściową,

• zerową impedancją wyjściową,

• nieskończenie szerokim pasmem przenoszonych częstotliwości,

• nieskończenie dużym zakresem dynamicznym sygnału.

Rzeczywisty wzmacniacz:

• wzmocnienie napięciowe sygnału różnicowego nie jest nieskończenie wielkie

• tłumienie wejściowego napięcia niezrównoważenia nie jest nieskończone; podaje się współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego CMRR który w decybelach określa o ile mniejsze jest wzmocnienie sygnału wspólnego od wzmocnienia różnicowego

• impedancja wejściowa nie jest nieskończenie wielka

• impedancja wyjściowa nie jest równa zeru

• pasmo przenoszenia sygnałów nie jest nieograniczone, powyżej częstotliwości granicznej wzmocnienie zaczyna spadać

• wejścia wzmacniacza nie są idealnie symetryczne, ze względu na ich asymetrię definiuje się tzw. wejściowe napięcie niezrównoważenia - jest to napięcie różnicowe, jakie trzeba podać na wejścia, aby napięcie wyjściowe było równe zero.

3. Wzmacniacz nieodwracający (schemat, wyprowadzenie wzmocnienia napięciowego, impedancja wejściowa i wyjściowa, przebiegi wejściowe i wyjściowe, ch-ka przejściowa). Wtórnik napięciowy.

1. Schemat + wyprowadzenie wzmocnienia napięciowego

W konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego sytuacja ma się podobnie jak w przypadku wzmacniacze odwracającego: jednakowy prąd płynie przez oba rezystory. Napięcia na wejściach wzmacniacza jest równe .

Prąd płynący przez dany jest wzorem , a dla wzór ma postać . Po przyrównaniu otrzymujemy:

1. Impedancja wejściowa i wyjściowa

Układ wzmacniacza nieodwracającego charakteryzuje się bardzo dużą wartością impedancji wejściowej, praktycznie równą impedancji wejściowej zastosowanego wzmacniacza operacyjnego oraz zerową wartością impedancji wyjściowej.

1. przebiegi wejściowe i wyjściowe,

1. ch-ka przejściowa

Charakterystyka przejściowa idealnego wzmacniacza (1) oraz rzeczywistego (2), przesunięta w wyniku istnienia napięcia niezrównoważenia U_N.

Charakterystyka przejściowa (inaczej dynamiczna) wzmacniacza operacyjnego przedstawia zmianę napięcia wyjściowego Uo wzmacniacza w funkcji zmian napięcia na jego wejściach. W przypadku wzmacniacza nieodwracającego charakterystyka przechodzi przez pierwszą i trzecią ćwiartkę, a dla układu odwracającego przez drugą i czwartą ćwiartkę.

Wtórnik napięciowy

Wtórnik napięciowy jest specjalnym przypadkiem wzmacniacza nieodwracającego, w którym , co powoduje, że wzmocnienie napięciowe układu jest równe 1. Wtórnik nie pobiera prądu z układu dołączonego do jego zacisków wejściowych (nie obciąża tego układu) i powtarza napięcie wejściowe na zaciskach wyjściowych, bez względu na obciążenie dołączone do tych zacisków. Wtórnik spełnia, zatem rolę bufora (separatora, transformatora impedancji), oddzielającego układy dołączone do jego zacisków wejściowych i wyjściowych

4. Wzmacniacz odwracający (schemat, wyprowadzenie wzmocnienia napięciowego, impedacje wejściowa i wyjściowa, przebiegi wejściowe i wyjściowe, charakterystyka przejściowa). Masa pozorna.

1. schemat, wyprowadzenie wzmocnienia napięciowego,

Ponieważ wzmacniacz operacyjny nie pobiera prądu, toteż jednakowy prąd płynie przez obydwa rezystory. Z kolei potencjały obu wejść są jednakowe (bo ), skąd wynika, że oba wejścia wzmacniacza operacyjnego są na potencjale masy. Dlatego napięcie na rezystorze jest równe , skąd . Podobnie napięcie na rezystorze jest równe i tutaj również prąd . Przyrównując prądy:

Gdzie k_u­ jest poszukiwanym przez nas wzmocnieniem napięciowym.

1. impedacje wejściowa i wyjściowa

Wzmacniacz odwracający fazę ma małą wartość impedancji wejściowej która równa jest rezystancji R₁. Jest to niekorzystną cechą tego układu.

1. przebiegi wejściowe i wyjściowe

1. charakterystyka przejściowa

Statyczna charakterystyka przejściowa opisuje, jak zmienia się napięcie wyjściowe wzmacniacza w funkcji napięcia wejściowego przy f=const. Na rysunku przedstawiono w sposób dchematyczny charakterystykę przejściową wzmacniacza odwracającego dla stałego napięcia wejściowego. Maksymalna wartość napięcia na wyjściu wzmacniacza jest ograniczona przez napięcie zasilania. Zaznaczone na wykresie napięcie niezrównoważenia (offsetu) jest kolejnym parametremrzeczywistego wzmacniacza, wynikającym z jego niedoskonałości.

1. Masa pozorna

Zakłada się, że różnica napięć na wejściach wzmacniacza jest prawie równe zeru, a co za tym idzie potencjał w punkcie A (U_A) jest równy potencjałowi w punkcie B (U_B). U_B nazywamy masą pozorną lub „wirtualną” ziemią.

5. Wzmacniacz całkujący (schemat, transmitancja w zapisie operatorowym i czasowym, przebiegi wejściowe i wyjściowe).

1. schemat, transmitancja w zapisie operatorowym i czasowym

Integrator otrzymuje się przez włączenie kondensatora C w obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego(rysunek obok).

Układ podstawowy:

Analiza tak jak w przypadku układu wzmacniacza odwracającego:

1) I₁ + I₂ = 0 (w punkcie A)

2) U_A = 0

Na podstawie 1) i 2) :

Układ z obwodem RC w pętli sprzężenia zwrotnego

Wzmocnienie integratora zależy od częstotliwości sygnału. Jeżeli powyższy układ zostanie zmodyfikowany przez dołączenie rezystora R₂ równolegle do kondensatora to nastąpi ograniczenie wzmocnienia dla małych częstotliwości – otrzymuje się człon inercyjny. Wzmocnienie tego układu oblicza się ze wzoru:

$$k_{u} = - \frac{R_{2}}{R_{1}}*\frac{1}{sR_{2}C}$$

Dopiero powyżej dolnej częstotliwości granicznej , człon ten działa jako integrator.

1. przebiegi wejściowe i wyjściowe

6. Sumator (schemat, transmitancja, przykładowe przebiegi wejściowe i wyjściowe)

1. schemat

Wzmacniacz sumujący wyznacza ważoną sumę napięć wejściowych (wejść może być więcej niż 2). Jest to wariant wzmacniacza odwracającego.

Prąd jest sumą prądów wejściowych ; napięcia na wejściach wzmacniacza operacyjnego są równe zero. Stąd napięcie wyjściowe:

Jeśli wówczas wzór upraszcza się do postaci:

1. transmitancja

b) przykładowe przebiegi wejściowe i wyjściowe

7. Parametry WO (wejściowy prąd polaryzacji, wejściowy prąd niezrównoważenia, wmocnienie sygnału różnicowego, wzmocnienie sygnałów wspólnych, różnicowa rezystancja wejściowa, rezystancja wyjściowa, 3-dB górna częstotliwość graniczna, szybkość narastania napięcia wyjściowego SR). Rola sprzężenia zwrotnego w pracy WO.

1. Wejściowe prądy polaryzacji

Do wyprowadzeń wejść wzmacniacza operacyjnego wpływa niewielki prąd, nazywany prądem polaryzacji, który jest definiowany jako połowa prądu wpływającego do obu wejść zwartych ze sobą (oba prądy wejściowe są w przybliżeniu jednakowe; są to po prostu prądy baz lub bramek tranzystorów wejściowych), W przypadku wzmacniacza z tranzystorami bipolarnymi przy czym IB1, IB2 są prądami baz wejściowej pary różnicowej.

Ogólnie rzecz biorąc, można zaniedbać wpływ prądu polaryzacji na pracę układu ze wzmacniaczem operacyjnym, jeśli jest to wzmacniacz z tranzystorami polowymi w stopniu wejściowym, lecz nie można tego zrobić, jeśli stopień wejściowy wzmacniacza operacyjnego wykonano z użyciem tranzystorów bipolarnych.

Znaczenie wejściowego prądu polaryzacji polega na tym, że jego przepływ powoduje powstawanie spadku napięcia na rezystorach sprzężenia zwrotnego, na rezystorach ustalających punkt pracy tranzystorów wejściowych oraz na rezystancji źródła sygnału. Stopień, w jakim wpływa to na ograniczenie wartości rezystancji stosowanych rezystorów zależy od wartości wzmocnienia układu dla napięć stałych oraz od wartości dopuszczalnej zmiany napięcia wyjściowego układu.

1. Wejściowy prąd niezrównoważenia

Zgodnie z definicją prąd niezrównoważenia In wejść wzmacniacza operacyjnego jest to różnica pomiędzy wartością prądu I1 polaryzacji wejścia nieodwracającego i prądu I2 polaryzacji wejścia odwracającego In = I1 - I2, inaczej mówiąc prąd niezrównoważenia In jest równy różnicy prądów wejściowych (prądów polaryzacji) wzmacniacza, które trzeba wprowadzić na wejście wzmacniacza, aby napięcia na jego wyjściach były jednakowe

1. Wzmocnienie sygnału różnicowego

Wzmocnienie sygnału różnicowego k_ud, nazywane również wzmocnieniem otwartej pętli, jest stosunkiem sygnału wyjściowego (u₀) do wejściowego sygnału różnicowego (u_d), przy zerowej wartości sygnału wspólnego (u_c­=(U_we1+U_we2)/2=0) czyli: k_ud =u₀/u_d przy u_c=0. Typowa wartość k_ud wynosi ok. 100 dB dla wzmacniaczy bipolarnych i ok. 70 dB dla wzmacniaczy unipolarnych. Inaczej mówiąc wzmocnienie różnicowe k_ud, wyraża stosunek składowej różnicowej napięcia wyjściowego do wejściowego napięcia różnicowego.

1. wzmocnienie sygnałów wspólnych

Wzmocnienie sygnałów wspólnych jest stosunkiem sygnału wyjściowego do składowej wspólnej u_c czyli k_uc = u₀ /u_c , przy u_d = 0. Wzmocnienie k_uc jest na tyle małe że zamiast wartości kuc podaje się zwykle współczynnik tłumienia sygnału wspólnego

CMRR = 20 log (k_ud/k_uc). Współczynnik CMRR dla u_c wzmacniaczy bipolarnych ma najczęściej wartość większą niż 100 dB, a dla wzmacniaczy unipolarnych większą niż 60 dB.

1. Różnicowe rezystancja wejściowa

Różnicowa rezystancja wejściowa jest definiowana jako stosunek małosygnałowego różnicowego napięcia wejściowego do małosygnałowego prądu wejściowego, przy założeniu, że napięcie sumacyjne U1= 0. Różnicowa rezystancja wejściowa Rind zawiera się w granicach 0,2-3 Mohm dla wzmacniaczy bipolarnych. We wzmacniaczach unipolarnych R_ind jest bardzo duża i nawet nie jest specyfikowana jako parametr wzmacniacza.

1. Rezystancja wyjściowa

Rezystancja występująca między zaciskiem wyjściowym a masą we wzmacniaczu zrównoważonym z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego. Rezystancja wyjściowa R₀ wzmacniaczy bipolarnych jest mniejsza niż 100Ω, zaś dla wzmacniaczy unipolarnych jest dużo większa. Rezystancja wyjściowa wzmacniacza idealnego jest równa 0.

1. 3-dB górna cz. graniczna

Właściwości częstotliwościowe wzmacniaczy operacyjnych określa się najczęściej w zakresie małosygnałowym trzydecybelową, górną częstotliwością graniczną (czyli częstotliwością bieguna dominującego) oraz częstotliwością odcięcia określaną też jako pole wzmocnienia. Trzydecybelową częstotliwość graniczna ma znikome znaczenie praktyczne, ponieważ we wzmacniaczach skompensowanych zawiera się w granicach od kilku do kilkuset herców. Częstotliwość odcięcia (tj. częstotliwość, przy której wzmocnienie przy otwartej pętli jest równe jedności) ma wartość l-20MHz dla przeciętnych wzmacniaczy bipolarnych i 2-20MHz dla przeciętnych wzmacniaczy

1. Szybkość narastania nap. wyjściowego SR.

Podstawowym parametrem definiowanym w zakresie wielko sygnałowym jest szybkość narastania napięcia wyjściowego - SR (slew rate). Wielkość tę definiuje się jako pochodną czasową napięcia wyjściowego.

Współczynnik SR podaje się w V/us. Zawiera się on w granicach l-100V/us dla przeciętnych wzmacniaczy bipolarnych i unipolarnych, przy czym wzmacniacze bipolarne mają mniejsze SR.

1. Rola sprzężenia zwrotnego w WO

Sprzężenie zwrotne polega na doprowadzeniu sygnału z wyjścia układu z powrotem do jego wejścia w taki sposób aby „skasować” część sygnału wejściowego, co powoduje zmniejszenie wzmocnienia wzmacniacza. Wynika to z faktu, iż w układzie z ujemnym sprzężeniem zwrotnym doprowadzona na wejście część sygnału wyjściowego ma przeciwną fazę niż napięcie wejściowe, a więc odejmuje się od napięcia wejściowego.

Prawdą jest, że ujemne sprzężenie zwrotne powoduje zmniejszenie wzmocnienia, ale w zamian otrzymuje się poprawę innych parametrów, a w szczególności:

- poprawia się stabilność wzmocnienia (układ jest mniej wrażliwy np. na wahania napięć zasilających i zmianę temperatury),

- zmniejszają się szumy i zniekształcenia (tak liniowe, jak i nieliniowe),

- zwiększa się górna częstotliwość graniczna (czyli ulega poszerzeniu pasmo),

- możliwe jest kształtowanie charakterystyki częstotliwościowej,

- możliwa jest modyfikacja impedancji wejściowej i wyjściowej.

1. Parametry charakterystyczne stabilizatorów.

Najważniejsze parametry stabilizatorów liniowych to:

• Nominalne napięcie wyjściowe U_out

• Maksymalny prąd wyjściowy I_out.

• Zakres dopuszczalnych zmian napięcia wejściowego od U_inmin do U_inmax.

• Minimalny spadek napięcia pomiędzy wyjściem a wejściem stabilizatora, potrzebny do właściwej stabilizacji napięcia wyjściowego

• Współczynnik stabilizacji napięciowej:  . Im mniejsza jego wartość, tym lepiej.

• Współczynnik stabilizacji prądowej, który jest wyrażony jako stosunek zmiany prądu wyjściowego do zmiany prądu wejściowego. Im mniejsza jego wartość, tym lepiej.

• Rezystancja wyjściowa

• Moc strat – jest to maksymalna moc, która może być rozproszona przez stabilizator w postaci ciepła.

• Sprawność energetyczna – stosunek mocy oddawanej do odbiornika do mocy pobieranej ze źródła zasilania .

• Prąd spoczynkowy stabilizatora – prąd pobierany przez sam stabilizator.

2. Podział stabilizatorów na parametryczne i kompensacyjne

Stabilizator parametryczny - urządzenie wykorzystujące nieliniowe charakterystyki prądowo-napięciowe elementów użytych do ich budowy. Zmiana określonego parametru elementu stabilizującego daną wielkość wyjściową przeciwdziała czynnikom destabilizującym. Jako elementy stabilizujące stosuje się powszechnie: diody stabilizacyjne (diody Zenera), warystory, termistory, baretery, diody polowe i karrektory, czyli specjalne układy dwukońcówkowe stabilizujące prąd przy zmianie napięcia. Cechą charakterystyczną wszystkich stabilizatorów parametrycznych jest brak zewnętrznego obwodu sprzężenia zwrotnego, który zapewniałby porównanie napięcia lub prądu wyjściowego z napięciem lub prądem wzorcowym. W związku z tym parametry tych stabilizatorów zależą głównie od właściwości elementów stabilizujących, przy czym w stabilizatorach napięcia elementy te są włączone do obciążenia równolegle, a w stabilizatorach prądu - szeregowo. Nie najlepsza jakość stabilizatorów parametrycznych ogranicza ich zastosowanie. Stabilizator z diodą Zenera jest najprostszym układem stabilizacji napięcia, stosowanym w prostych zasilaczach lub jako źródło napięcia odniesienia.

Zasada działania stabilizatorów kompensacyjnych polega na zmianie rezystancji statycznej regulatora, który sterowany jest różnicą napięć (tzw. sygnałem błędu), uzyskiwaną na drodze ciągłego porównywania wartości napięcia (lub jego części) wyjściowego Uo z wartością napięcia źródła odniesienia. W układach stabilizatorów kompensacyjnych wyższej jakości stosuje się zawsze wzmacniacz prądu stałego, którego wartość wzmocnienia wpływa w sposób decydujący na wartości współczynników stabilizacji. Najczęściej stosowane są następujące rozwiązania:

- stabilizatory z prostymi wzmacniaczami tranzystorowymi

- stabilizatory z tranzystorowymi wzmacniaczami różnicowymi

- stabilizatory ze wzmacniaczami operacyjnymi

3. Schematy 3 układów stabilizatorów: z diodą Zenera i rezystorem, z diodą Zenera i wzmacniaczem prądu, z diodą Zenera i ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Zalety i wady każdego z układów

Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ z wykorzystaniem diody Zenera, pokazany na rysunku obok. Takie i podobne układy nazywane są również stabilizatorami parametryczny mi.
Z charakterystyk widać że zmiany napięcia wejściowego ΔU_we pociągają za sobą zmiany prądu diody ΔI_D, to jednak nie pociąga za sobą dużych zmian napięcia wyjściowego ΔU_wy i można przyjąć, że pozostaje ono stałe i równe napięciu zenera U_Z.
Aby uzyskać dobrą stabilizację, a więc mały współczynnik S_u, to rezystancja R powinna być znacznie większa w stosunku do R_D. Dla większości diod Zenera wartość rezystancji R_D wynosi od kilku do kilkudziesięciu W i do tego jeszcze zależy od prądu płynącego przez tą diodę czyli I_D. Zwiększając rezystancję R poprawi się współczynnik stabilizacji ale jednocześnie zmniejszeniu ulegnie wartość prądu wyjściowego, co mocno ogranicza praktyczne zastosowanie układu jako stabilizatora. Układy takie mają więc zastosowanie jako źródła napięcia referencyjnego.

Stabilizator 2

Lepszym rozwiązaniem układu poprzedniego jest jego modyfikacja przedstawiona na rysunku obok. Jest to układ wzbogacony o tranzystor T pracujący w jako wtórnik emiterowy. Na wyjściu tego układu pojawia się napięcie równe U_wy=U_Z- U_BE. Korzyścią z zastosowania tranzystora jest to, że można zwiększyć rezystor R nie powodując zmniejszenia prądu wyjściowego, ponieważ nawet przy bardzo małym prądzie bazy I_B, który jest dla diody D prądem obciążenia, prąd wyjściowy I_wy jest duży i można go przedstawić wzorem I_wy=I_B· (b + 1) Układ ten jak widać jest trochę lepszym układem niż ten poprzedni, lecz jego zastosowanie ogranicza się również do prostych i nie wymagających układów.

Stabilizator 3

Na rysunku obok przedstawiony jest schemat blokowy stabilizatora liniowego ze sprzężeniem zwrotnym. Tego typu stabilizatory są chyba najbardziej rozpowszechnionymi układami zasilającymi urządzenia małej i średniej mocy. Wszystkie stabilizatory liniowe ze sprzężeniem zwrotnym, zarówno w postaci scalonej jak i budowane z elementów dyskretnych muszą składać się z następujących bloków:

- elementu regulacyjnego

- wzmacniacza błędu

- źródła napięcia odniesienia (lub inaczej - źródła referencyjnego)

Oprócz wymienionych bloków stabilizatory wyposażane są również w różnego rodzaju układy zabezpieczające. Istotą działania stabilizatorów ze sprzężeniem zwrotnym jest to, że układ dzięki mechanizmowi sprzężenia zwrotnego śledzi zmiany napięcia wyjściowego i przeciwdziała im w taki sposób aby napięcie wyjściowe pozostało niezmienne. Wadą tych stabilizatorów jest brak zabezpieczenia układu regulacyjnego przed przeciążeniem lub zwarciem na wyjściu. Zmusza to do stosowania dodatkowych elementów zabezpieczających.

4. Przykładowe zadanie: Stabilizator z diodą Zenera i rezystorem. Dane jest UZ i rZ diody. Napięcie wejściowe niestabilizowane wynosi Uwe. Prąd obciążenia Iobc. Rezystor na wejściu stabilizatora R1. Wyznaczyć prąd wejściowy stabilizatora Iwe, prąd płynący przez diodę Zenera IZ oraz współczynnik stabilizacji napięciowej Su.