P8. WZMACNIACZ OPERACYJNY (WO) I JEGO ZASTOSOWANIE

A. Jaki zestaw cech uznajesz za najważniejszy dla wzmacniacza operacyjnego?

B. Dlaczego współczesne wzmacniacze operacyjne mają tak bardzo rozbudowaną strukturę wewnętrzną?

Aby kompensować wyjściowe napięcie niezrównoważenia poprzez doprowadzenie do wejścia różnicowego odpowiedniej wartości napięcia - takiego, aby uzyskać zerową wartość napięcia na wyjściu.

C. Jakie właściwości ma charakterystyka częstotliwościowa wzmocnienia WO z wewnętrzną kompensacją częstotliwościową?

Wzmocnienie rzeczywistego WO jest ograniczone i zależne od częstotliwości. Dla napięć stałych i bardzo wolno zmiennych wynosi ono typowo ok. 10⁶ V/V. wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału wejściowego szybko maleje współczynnik wzmocnienia. Charakterystyka modułu wzmocnienia jest prostą o nachyleniu –20 dB/dek. Dla f>10⁶Hz nachylenie chrakterytyki jest bardziej strome i wynosi –40 dB/dek4

D. W czym przeszkadza ci parametr SR w WO?

Parametr ten określa szybkość zmian napięcia wyjściowego. Jest podstawowym parametrem wyrażającym dynamiczne właściwości wzmacniacza operacyjnego w zakresie wielkosygnałowym

parametr SR ogranicza zakres częstotliwości, przy których można uzyskać pełną amplitudę napięcia wyjściowego

E. Dlaczego zaleca się, aby rezystancje zewnętrzne, „widziane” przez wejścia WO były jednakowe? Kiedy próba spełnienia tego warunku nie ma za bardzo sensu?

W celu uzyskania kompensacji błędu (napięcia niezrównoważenia) spowodowanego, różnymi pod względem wartości, prądami polaryzującymi (I_we+ ≠ I_we- ≠ 0),  przepływ prądu polaryzacji powoduje powstawanie spadku napięcia na rezystorach sprzężenia zwrotnego, na rezystorach ustalających punkt pracy tranzystorów wejściowych oraz na rezystancji źródła sygnału

Próba spełnienia tego warunku nie ma za bardzo sensu, kiedy potrzebna jest zmiana wartości rezystorów, np. w celu zmiany wzmocnienia?

F. Czy właściwość „pozornej (wirtualnej) masy” w układach na WO jest pożądana. Czy w jakiś przetwornikach sygnałów jest ona wręcz konieczna?

Tak, jest pożądana ponieważ pozwala uniknąć wejściowych prądów polaryzacji, które powodują powstawanie spadku napięcia na rezystorach sprzężenia zwrotnego, na rezystorach ustalających punkt pracy tranzystorów wejściowych oraz na rezystancji źródła sygnału

Jest konieczna w przetwornikach prąd-napięcie. w napięciowych wzmacniaczach odwracających., dzięki masie pozornej U_i jest przetwarzane na I_i przez R_i

G. Po co WO musi mieć tzw. kompensację (korekcję) częstotliwościową, wewnętrzną lub zewnętrzną?

W celu zapewnia stabilności wewnętrznego ujemnego sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu,

przesunięcia wewnętrzne, fazowe kompensowane są poprzez pojemności zewnętrzne tj. człony RC. Najczęściej jest to układ rezystora i kondensatora połączonych z masą. Natomiast w kompensacji wewnętrznej, kompensator jest wbudowany wewnątrz.

H. Czego można się spodziewać po zastosowaniu WO bez kompensacji częstotliwościowej w układzie
o silnym USZ?

Od pewnej częstotliwości USZ może zamienić się w dodtnie SZ i ze wzmacniacza zrobi się generator, ponieważ każde załamanie charakterystyki amplitudowej o 20dB/dek to zmiana przesunięcia fazowego o 90^o.

Kompensacja taka powoduje zmniejszenie wzmocnienia w tych zakresach częstotliwości, w których przesunięcie fazy jest duże, lub zmniejszenie przesunięcie fazowego.

I. Narysuj układ najprostszego wzmacniacza napięciowego, odwracającego na WO. Jakie ma on cechy?

układ z masą pozorną

 Sygnał wejściowy przez rezystor R₁ zostaje doprowadzony do wejścia odwracającego. Do tego samego wejścia przez rezystor R₂ doprowadza się z wyjścia napięcie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Wejście nieodwracające zostaje uziemione.

Wejście wzmacniacza operacyjnego nie pobiera żadnego prądu (jego impedancja wejściowa jest bardzo duża). Dlatego prąd o natężeniu I₁ płynący przez opornik R₁ musi być kompensowany prądem I₂ płynącym przez opornik R₂:

J. Podaj warunek symetrii I-go rodzaju w prostym wzmacniaczu różnicowym. Czy to wystarczy do dobrej pracy? Jak poprawić wady tego układu?

warunek równości ilorazów rezystancji R₄/R₃=R₂/R₁

_{Ale nawet idealne spełnienie warunku nie da wzmocnienia wspólnego kucf = 0 oraz CMRRf ⇒ ∞, bo jeszcze sam WO ma swój CMRRWO i jego wartość jest praktyczną granicą osiągalną w rzeczywistym układzie:}

Niedoskonałości układu można wyeliminować w tzw. Wzmacniaczu instrumentalnym, tzn. precyzyjnym wzmacniaczu różnicowym o zmienianym wzmocnieniu (z układem DIDO).

K. Jakie są cechy wzmacniacza różnicowego z układem wejściowym DIDO? Co to jest DIDO?

Dido –stopień wejściowy na wzmacniaczu instrumentalnym, tzn. precyzyjnym wzmacniaczu różnicowym o zmienianym wzmocnieniu. Jest to pierwszy stopień na wzmacniaczach WO1 i WO2 o różnicowym wejściu i wyjściu (differential input, differential output) który umożliwia zmianę wzmocnienia różnicowego za pomocą jednego rezystora RG. Drugi stopień na WO3 to precyzyjny wzmacniacz różnicowy z jednym

wyjściem, o wzmocnieniu różnicowym 1. Ten stopień zapewnia dużą wartość CMRR całości, dzięki bardzo małemu wzmocnieniu wspólnemu, którego nie powiększa ewentualna asymetria rezystorów Rf

Rezystancje wejściowe są bardzo duże, równe praktycznie wejściowej rezystancji wspólnej RicWO wzmacniaczy WO1, WO2.