Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Elblągu IIS

Instytut Politechniczny

Laboratorium Elektroniki

Ćwiczenie nr 5

Wzmacniacz operacyjny

1. Wstęp

Pojęcie sprzężenie zwrotnego stało się tak dobrze znane, że termin ten wszedł do powszechnego słownictwa. W systemach sterowania sprzężenie zwrotne polega na porównaniu sygnału występującego na wyjściu systemu z pożądanym sygnałem wyjściowym i dokonania odpowiedniej korekcji. Słowo „system” może oznaczać wszystko, np. proces kierowania jadącym drogą samochodem, w którym sygnał wyjściowy (pozycja
i prędkość samochodu) jest analizowany przez kierowcę, porównywany z jego własnymi oczekiwaniami
i korygowany od strony wejścia (kierownica, pedał przyspieszenia, pedał hamulca). W układach wzmacniających sygnał wyjściowy powinien być wielokrotnością sygnału wejściowego, wobec czego, we wzmacniaczu ze sprzężeniem zwrotnym porównuje się sygnał wejściowy ze stłumionym sygnałem wyjściowym.

Ujemne sprzężenie zwrotne jest działaniem polegającym na doprowadzeniu sygnału z wyjścia układu
z powrotem do jego wejścia w taki sposób, aby skasować część sygnału wejściowego. Takie postępowanie powoduje zmniejszenie wzmocnienia wzmacniacza, lecz w zamian uzyskujemy poprawę innych parametrów,
w szczególności bardzo znaczące zmniejszenie zniekształceń i nieliniowości, rozszerzenie płaskiego odcinka charakterystyki amplitudowej, jak również możliwość przewidzenia zachowania się układu w różnych sytuacjach.

Sprzężenie zwrotne może być również dodatnie. Ten typ sprzężenia zwrotnego wykorzystuje się np. przy konstruowaniu generatorów. Jakkolwiek może to brzmieć obiecująco, dodatnie sprzężenie zwrotne nie jest tak ważne jak sprzężenie ujemne.

2. Wzmacniacze operacyjne

Ćwiczenie laboratoryjne oparto o wzmacniacz operacyjny, czyli różnicowy wzmacniacz prądu stałego
o bardzo dużych wzmocnieniach i niesymetrycznych wyjściach. Rzeczywiste wzmacniacze operacyjne mają wzmocnienie rzędu 10⁵ V/V do 10⁶ V/V. Na schematach oznaczone są uniwersalnym symbolem przedstawionym na rys. 1.

Rysunek 1.

Wejścia (+) i (-) funkcjonują tak, jak można by się spodziewać: na wyjściu pojawia się napięcie dodatnie, jeśli potencjał wejścia nieodwracającego (+) jest większy od potencjału wejścia nieodwracającego (-)
i odwrotnie.

Symbole (+) i (-) nie oznaczają konieczności doprowadzenia do jednego wejścia napięcia dodatniego względem drugiego lub też czegoś podobnego. Informują one o fazie sygnału wejściowego ( ma to istotne znaczenie, gdy chcemy, aby sprzężenie zwrotne w zaprojektowanym układzie było sprzężeniem ujemnym). Stosowanie terminów „nieodwracające” i „odwracające” zamiast „plus” i „minus” pozwala uniknąć nieporozumień. Na graficznym symbolu wzmacniacza operacyjnego bardzo często nie oznacza się wyprowadzeń napięć zasilających. Zarówno we wzmacniaczu operacyjnym jak i jego symbolu nie istnieje wyprowadzenie masy.

Produkowane są dosłownie setki różnych wzmacniaczy operacyjnych o rozmaitych zestawach parametrów. Najczęściej stosowanym wzmacniaczem operacyjnym jest μA 741 (rysunek 2).

Rysunek 2.

Dla uproszczenia analizy działania wzmacniacza operacyjnego należy przyjąć kilka założeń.

Po pierwsze wzmocnienie napięciowe wzmacniacza operacyjnego jest tak duże, że zmiana różnicy napięć między jego końcówkami wejściowymi o ułamek miliwolta powoduje zmianę napięcia wyjściowego
w zakresie możliwych zmian tego napięcia. Stąd można napisać, że obwód wejściowy wzmacniacza stara się zrobić wszystko, co jest konieczne, aby różnica napięć między jego wejściami była równa zeru.

Po drugie, wartości prądów stałych wpływających do wejść wzmacniacza operacyjnego są bardzo małe ( 0,2 nA), stąd można napisać, że wejścia wzmacniacza operacyjnego nie pobierają żadnego prądu z obwodów zewnętrznych.

3. Wzmacniacz nieodwracający

Analiza tego układu jest prosta, jeśli oprzemy się o ww. założenia. Schemat układu przeznaczonego do analizy podano na rysunku 3.

Rysunek 3.

Przeprowadźmy analizę układu.

U_A=U_we

Lecz U_A jest napięciem wyjściowym dzielnika napięcia:

Gdy podstawimy U_A=U_we, otrzymamy wyrażenie na wzmocnienie napięciowe układu:

Jest to wzmacniacz nieodwracający. Ze względu na przyjęty uproszczony model wzmacniacza operacyjnego, impedancja wejściowa układu jest nieskończenie duża ( jej wartość równa jest co najmniej 10¹² Ω). Impedancja wyjściowa jest nadal ułamkiem oma.

4. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza operacyjnego

Ze względu na skończoną wartość wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego bez sprzężenia zwrotnego, wzmocnienie napięciowe układu z zamkniętą pętlą sprzężenia zaczyna zmniejszać się ze wzrostem częstotliwości.

Oznacza to, że układy z popularnymi wzmacniaczami operacyjnymi, takimi jak μA 741, mogą wzmacniać sygnały o stosunkowo niewielkich częstotliwościach. Wzmocnienie takich wzmacniaczy operacyjnych bez sprzężenia zwrotnego maleje do 100 V/V dla częstotliwości 50 kHz. Warto zauważyć, że wzmocnienie układu z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego jest zawsze mniejsze od wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego bez sprzężenia zwrotnego. Oznacza to, na przykład, że wzmacniacz o wzmocnieniu 100 V/V, wykonany z użyciem μA 741, będzie wykazywał istotny spadek wzmocnienia dla częstotliwości bliskich 50 kHz.

Rysunek 4 przedstawia typową charakterystykę amplitudową wzmacniacza operacyjnego typu LF 411.

Rysunek 3.

5. Przebieg ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowym układem wzmacniacza różnicowego μA 741.

Przedstawić prowadzącemu laboratorium przygotowanie do ćwiczenia. Sprawdzić rodzaj i zakres niezbędnych przyrządów. Połączyć na stole laboratoryjnym obwodu pomiarowego według przyjętego schematu z rys. 3. Ustalić parametry obciążenia obwodu, dobrać według nich zakresy pomiarowe przyrządów. Uzyskać zgodę prowadzącego na załączenie obwodu do sieci.

Dla obliczonych wcześniej wartości rezystancji R₁ i R₂ wyznaczyć wartość wzmocnienia napięciowego wzmacniacza a następnie zaobserwować działanie układu dla kilku różnych wartości R₁ i R₂. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1. Dla wybranej i wskazanej przez prowadzącego wartości dzielnika R₁ i R₂ przeprowadzić pomiar charakterystyki amplitudowej układu wzmacniacza. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 2.

Należy zwrócić szczególną uwagę przy kreśleniu charakterystyki na opis i charakter osi.

Lp.	R1	R2	Ku	Kuosc
		[kΩ]	[kΩ]	[V/V]	[V/V]
1
2
3
4
5

Tabela 1. Pomiar wzmocnienia dla kilku wartości dzielnika

Lp.	f	R1	R2	Kuosc
		[kHz]	[kΩ]	[kΩ]	[V/V]
1
2
3
4
5
6
7

Tabela 2. Pomiar charakterystyki częstotliwościowej wzmacniacza operacyjnego

6. Zakres sprawozdania

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

1. obliczenia i schematy wykonane jako przygotowanie do ćwiczenia

2. wykaz i dane znamionowe elementów i przyrządów użytych w ćwiczeniu

3. wyniki pomiarów i obliczeń zestawione w tablicach wyników i pomiarów

4. charakterystykę amplitudową wzmacniacza

5. spostrzeżenia i wnioski wynikające z ćwicznia

7. Pytania kontrolne

1. Wymienić podstawowe parametry wzmacniacza operacyjnego idealnego i rzeczywistego?

2. Omówić na przykładzie sposób wyznaczania wzmocnienia?

3. Wymienić kilka przykładów zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach elektroniki

4. Co to jest nasycenie wzmacniacza i z czym się wiąże?

8. Literatura

1. Bolkowski S.: Teoria obwodów elektrycznych, WNT Warszawa

2. Tunia H, Winiarski B.: Energoelektronika w pytaniach i odpowiedziach, WNT Warszawa

3. Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektronika, WKŁ Warszawa

4. Hempowicz P.: Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków, WNT Warszawa

9. Wykaz elementów i przyrządów możliwych do użycia w ćwiczeniu

Dekada rezystorowa......................................................................................................................................

Zasilacz stabilizowany..................................................................................................................................

Generator przebiegów...................................................................................................................................

Oscyloskop....................................................................................................................................................

3

---