Ćwiczenie nr 6

Badanie wzmacniaczy operacyjnych

Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości wzmacniacza operacyjnego oraz nabycie umiejętności wykonywania pomiarów podstawowych jego parametrów.

Zagadnienia do samodzielnego przygotowania :

• podstawowa budowa wzmacniacza operacyjnego,

• zasada działania wzmacniacza operacyjnego,

• parametry wzmacniacza,

• podstawowe charakterystyki wzmacniacza,

• wzmacniacz idealny a rzeczywisty,

• zastosowania sprzężenia zwrotnego w wzmacniaczach,

• układy pracy wzmacniacza operacyjnego.

Literatura:

• A.Świt, Przyrządy półprzewodnikowe, WNT Warszawa 1968 (1407-1411)

• W. Marciniak, Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone, (15105-15109)

• W.Golde, L.Śliwa, Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania, (6425-6428)

Wiadomości wstępne:

Wzmacniacz operacyjny (WO) jest analogowym scalonym wzmacniaczem umożliwiającym wzmacnianie napięć stałych i zmiennych. Charakteryzuje się bardzo dużym wzmocnieniem napięciowym przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Najczęściej pracuje z zewnętrznym obwodem silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego, decydującym o jego stopniu wzmocnienia i innych własnościach wzmacniacza. Typowy wzmacniacz operacyjny posiada wejście symetryczne (tzw. różnicowe) i w większości przypadków wyjście asymetryczne. Wejście oznaczone znakiem minus (-) jest wejściem odwracającym (odwraca na wyjściu fazę sygnału wejściowego), natomiast w przypadku podania sygnału na wejście oznaczone znakiem plus (+) ulega wzmocnieniu bez odwrócenia fazy.

Wzmacniacz operacyjny zasadniczo zasilany jest stałym napięciem symetrycznym, tzn. dodatnim i ujemnym względem masy. Symbol wzmacniacza (bez zacisków zasilania

i masy) oraz schemat zastępczy przedstawia rys.1.

a) b)

Rys.1. Wzmacniacz operacyjny; a) symbol schematowy; b) schemat zastępczy.

Sygnał wejściowy doprowadzony do wejścia + i − wzmacniacza jest nazywany sygnałem różnicowym U_d. I jest równy różnicy napięć na obu wejściach U_d = U_I1 - U_I2 Napięcie wyjściowe U_o jest proporcjonalne do wartości sygnału różnicowego.

Idealny wzmacniacz operacyjny posiada następujące właściwości :

• nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego,

• nieskończenie dużą impedancję wejściową, zarówno różnicową jak i pomiędzy oddzielnymi wejściami i masą,

• impedancję wyjściową równą zero,

• nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia częstotliwości,

• napięcie wyjściowe równe zero przy jednakowych napięciach wejściowych,

• zerowy prąd wejściowy,

• niewrażliwość na zmiany temperatury,

• brak zniekształceń.

Parametry produkowanych obecnie WO można traktować jedynie jako zbliżone do wzmacniaczy idealnych. Wszystkie te wspomniane właściwości idealnego wzmacniacza w rzeczywistych WO nie są osiągalne. Istotniejsze parametry wzmacniaczy rzeczywistych, to:

• wzmocnienie napięciowe z pętlą sprzężenia zwrotnego otwartą - 10⁴ - 10⁶ V/V,

• pasmo przenoszenia - od 1 MHz do ponad 1000 MHz,

• impedancja wejściowa - do 50 MΩ dla stopni wejściowych z tranzystorami bipolarnymi i do 10⁴ MΩ z tranzystorami unipolarnymi,

• impedancja wyjściowa - kilka - kilkadziesiąt omów,

• prądy wejściowe - od ułamka nA do kilku μA,

• wyjściowe napięcie niezrównoważenia - rzędu kilku mV.

Współczynnik wzmocnienia napięciowego K_U rzeczywistego wzmacniacza jest funkcją częstotliwości. Dla częstotliwości równej zero wartość współczynnika wzmocnienia jest zwykle wartością maksymalną (rys.3).

Wzmacniacze operacyjne mogą pracować w różnych konfiguracjach. Podstawowe układy pracy WO to jednowejściowe (asymetryczne) układy: odwracające lub nieodwracające albo jako dwuwejściowy układ różnicowy. Możliwe są też i inne ich aplikacje realizujące różne funkcje, np. całkowanie, różniczkowanie, generowanie, porównywanie sygnałów, detekowanie sygnałów, itd.

Dla potrzeb realizacji ćwiczenia wyjaśnijmy dodatkowo podstawowe zagadnienia:

- wejściowe napięcia niezrównoważenia:

Okazuje się, że w wzmacniaczach rzeczywistych, napięcie wyjściowe nie jest równe zeru dla dwóch identycznych napięć wejściowych (np. przy zwarciu obu wejść do masy). Powstaje ono rezultacie nieidentycznych parametrów tranzystorów wejściowego układu różnicowego wzmacniacza operacyjnego (rozrzuty produkcyjne). To niewielkie napięcie jest wzmacniane, powodując występowanie na wyjściu napięcia niezróważenia U_N, które staje się źródłem błędów wnoszonych do układu przez WO, np. powodując przesunięcie charakterystyki przejściowej (rys.2). Przez wprowadzenie do obwodu wejściowego wzmacniacza, napięcia stałego o przeciwnym znaku o określonej wartości, za pomocą układu regulacji potencjometrycznej, jest możliwe skompensowanie wyjściowego napięcia niezrównoważenia. W katalogach zwykle podaje się je jako wartość napięcia jakie należy włączyć między wejścia, aby na wyjściu wzmacniacza otrzymać napięcie równe zeru, wielkość ta nosi nazwę wejściowego napięcia niezrównoważenia.

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

Wejściowe napięcie niezrównoważeni zależy od temperatury. Wartości napięć niezrównoważenia odniesione do wejścia zawierają się zwykle w granicach od 0,1 - 2 mV.

- charakterystyki wzmacniacza operacyjnego:

a. charakterystyka przejściowa (inaczej dynamiczna) wzmacniacza operacyjnego (rys. 2) przedstawia zmianę napięcia wyjściowego U_o wzmacniacza w funkcji zmian napięcia na jego wejściach U_o = f(U_d = U_I1 - U_I2). W przypadku wzmacniacza nieodwracającego charakterystyka przechodzi przez pierwszą i trzecią ćwiartkę, a dla układu odwracającego przez drugą i czwartą ćwiartkę. W niewielkim zakresie napięć wejściowych wzmacniacz pracuje w obszarze liniowym, a nachylenie charakterystyki w tym zakresie jest równe wzmocnieniu wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego:

Rzeczywista charakterystyka przejściowa nie przechodzi przez środek układu współrzędnych, bowiem ulega ona przesunięciu o wartość wejściowego napięcia niezrównoważenia U_N. Po przekroczenie wejściowego napięcia przesterowania U_p, następuje zagięcie charakterystyki dynamicznej, w końcowej części przebiega ona równolegle do osi napięć wejściowych. Jeżeli do wejścia WO zostanie doprowadzone przemienne napięcie wejściowe o amplitudzie przekraczającej amplitudę napięcia przesterowania, to wystąpią zniekształcenia sygnału wyjściowego, polegające na ograniczeniu amplitudy przebiegu na poziomie wartości nieco mniejszej od napięcia zasilania. Taką sytuację nazywamy stanem nasycenia.

b) charakterystyka amplitudowo- częstotliwościowa K_u=f (f) Wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego zależy od częstotliwości sygnału wejściowego. Graficzną zależność modułu współczynnika wzmocnienia sygnału wejściowego w funkcji częstotliwości (przy U_we=const.) przedstawia charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa (rys.3). WO nie należą do układów odznaczających się szerokopasmowością, ich charakterystyka częstotliwościowa ma kształt typowy dla wzmacniaczy dolnoprzepustowych. Dla większości z nich wzmocnienie zaczyna się zmniejszać przy częstotliwościach rzędu 10 - 50 kHz.

Stromość zmniejszania się wzmocnienia ze wzrostem częstotliwości wynosi 20 dB na dekadę.

Rys .3. Charakterystyki amplitudowe wzmacniacza WO o różnym wzmocnieniu

Częstotliwość sygnału przy której wzmocnienie WO wynosi K_U = 1 (w skali logarytmicznej jest to 0 dB) nazywa się częstotliwością graniczną f₁ . Wiadomo, że iloczyn wzmocnienia przez częstotliwość, wyznaczony w zakresie liniowego opadania wykresu K_u(f) jest nazywany polem wzmocnienia f_T. W granicznym przypadku, dla K_U= 1:

f₁ = f_T

Istnieje możliwość regulowania pasma przenoszenia B wzmacniacza poprzez zmianę rezystancji obwodu sprzężenia zwrotnego. Im silniejsze jest sprzężenie zwrotne, tym mniejsze jest wzmocnienie, a szersze pasmo przenoszonych przez układ częstotliwości.

Pasmo przenoszenia wzmacniacza wzmacniającego sygnały od częstotliwości f = 0, jest liczbowo równe górnej częstotliwości granicznej f_g .

2. Pomiary:

Makietę badanego układu wzmacniacza przedstawia rys.4. Badany układ wzmacniacza operacyjnego μA 741 zasilany jest napięciem symetrycznym ±15V. Przełącznik czerwony na płytce pomiarowej umożliwia wybór układu odwracającego lub nieodwracającego, zaś przełącznik niebieski, poprzez zmianę wartości rezystancji w pętli sprzężenia zwrotnego (R_f - 100kΩ lub 1MΩ), umożliwia wybór współczynnika wzmocnienia.

2.1. pomiar charakterystyki przejściowej stałoprądowej U_wy = f (U_we)

W celu dokonania pomiaru charakterystyki przejściowej stałoprądowej należy:

• zasilić badany układ napięciem symetrycznym ±15V z zasilacza np. NDN 1701 wybierając za pomocą przycisków na jego płycie czołowej tryb pracy z połączeniem szeregowym zasilaczy (SERIES).

• pomiędzy zaciski „Wej” i masę dzielnika wejściowego makiety podłączyć regulowane napięcie stałe z drugiego zasilacza (np. urządzenia MS - 9150 - zaciski wyjściowe 0 - 30V/1A );

• woltomierze napięcia stałego podłączyć: do zacisków gniazda A i masę - w celu pomiaru napięcia wejściowego wzmacniacza oraz do zacisków „Wyj” i masę, w celu pomiaru napięcia wyjściowego;

• dokonywać regulacji napięcia wejściowego i odczytywać wskazania obu woltomierzy;

• pomiary charakterystyki przejściowej (zazwyczaj wystarczy pomiar tylko jej połowy) wykonać dla wzmacniacza odwracającego i nieodwracającego i dla obu wzmocnień wzmacniacza.

• 
  na podstawie otrzymanych wyników wykreślić charakterystyki przejściowe dla badanych wersji wzmacniacza.

Rys.4. Schemat makiety z badanym wzmacniaczem operacyjnym

2.2. pomiar napięcia niezrównoważenia:

Pomiar wejściowego napięcia niezrównoważenia odbywa się poprzez pomiar wartości napięcia wyjściowego przy zerowej wartości napięcia wejściowego. W celu pomiaru napięcia niezrównoważenia należy:

• odłączyć od makiety zasilacz napięcia wejściowego oraz woltomierz mierzący napięci wejściowe (podłączony do punktu A),

• zewrzeć przewodem do masy rezystor 1 kΩ punkt A w dzielniku wejściowym,

• wybrać za pomocą przełącznika niebieskiego wzmocnienie K_u = 100,

• odczytać na woltomierzu wartość napięcia wyjściowego U_o.

• wyliczyć wartość wejściowego napięcia niezrównoważenia z zależności:

2.3. Pomiar charakterystyki częstotliwościowej

Pomiar charakterystyki częstotliwościowej przeprowadzić dla dwóch dostępnych wzmocnień układu pomiarowego w następujący sposób :

• podać z generatora do zacisków „Wej” dzielnika makiety sygnał wejściowy sinusoidalny,

• pomiędzy punkt A i masę badanego układu podłączyć jeden kanał oscyloskopu, do wyjścia układu pomiarowego podłączyć drugi kanał,

• przy częstotliwości 1 kHz na generatorze dobrać wartość amplitudy sygnału wejściowego tak, by wzmacniacz pracował w zakresie liniowym, czyli bez zniekształceń sygnału wyjściowego,

• podczas pomiarów utrzymywać stałą wartość napięcia wejściowego wzmacniacza,

• należy je kontrolować każdorazowo po zmianie częstotliwości,

• częstotliwość zmieniać w zakresie od 20 Hz do częstotliwości przy, której wzmocnienie zmaleje poniżej jedności,

• w trakcie pomiarów dokonać wyznaczenia częstotliwości f₁ (wówczas K_u= 1),

• na podstawie wyników pomiarów wykreślić charakterystykę amplitudową (w układzie log K_u - log f) i wyznaczyć pasmo przenoszenia wzmacniacza (dla obu wzmocnień badanego układu).

Rys.5. Przykładowa siatka do wykresu ze skalą logarytmiczną częstotliwości

Laboratorium przyrządów półprzewodnikowych

1

k_u

+

U_d

U_N

U_o

2

1

Wyj

+15 V 0 −15 V

wy

10 kΩ

U_p

k_u2

k_u1

k_u3

| k_u |

dB

f₁ ≈ f_T

f_g1

f_g2 f_g3

f (log)

μA 741

+

we +

_

_

we −

Wej

100 kΩ

1 kΩ

10 kΩ

2

+

3

A

−

częstotliwość [Hz]

100000

10000

1000

100

10

7

4

6

100 kΩ

1MΩ MM

470 Ω

W

−

−

+

−

U_I2

U_I1

K_uU_d

R_Id

U_d

U_o

---