1. Wstęp teoretyczny

Pod pojęciem wzmacniacz operacyjny rozumie się scalony układ analogowy zapewniający uniwersalne zastosowania profesjonalne. Wzmacniacz operacyjny jest to układ scalony, który spełnia następujące warunki:

• bardzo duże wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego

• bezpośrednie sprzężenie, to jest możliwość wzmacniania napięć stałych i zmiennych

• możliwość odwracania fazy sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału wejściowego

Większość scalonych wzmacniaczy operacyjnych posiada dwa symetryczne wejścia:

• odwracające fazę oznaczone (-). Jeżeli na to wejście zostanie podany sygnał, który posiada dowolny dodatni przyrost, to sygnał wyjściowy posiada ujemny przyrost.

• nie odwracający fazy oznaczone (+). Dodatniemu przyrostowi dla sygnału wejściowego odpowiada dodatni przyrost sygnału wyjściowego

Wzmacniacz operacyjny wzmacnia różnicę napięć, a więc realizuje funkcję U₀=β(U₊-U_-).

Idealny wzmacniacz operacyjny powinien spełniać właściwości idealnego źródła napięciowego sterowanego różnicą napięć. Zatem wzmacniacz taki powinien spełniać warunki:

• nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego β→+∝

• impedancja wyjściowa nieskończenie duża (Z_we→∝)

• impedancja wyjściowa równa zeru (Z_wy=0)

• nieskończenie duże pasmo przenoszenia częstotliwości sygnału

• zerowe prądy wejściowe (I₊=0, I_-=0)

• prąd wyjściowy I₂ określony tylko przez obciążenie zewnętrzne

Oczywiście, model taki jest modelem czysto teoretycznym, gdyż takie źródło mogłoby wydawać nieskończenie dużą moc, podobnie jak idealne autonomiczne źródło napięcia.

2. Wzmacniacz odwracający fazę

Najbardziej popularnym układem jest wzmacniacz odwracający. Jego nazwa pochodzi od specyficznej cechy odwracania napięcia wyjściowego względem wejściowego, co inaczej oznacza przesunięcie fazy o 180°. We wzmacniaczu tym za pomocą rezystora R_f jest realizowane sprzężenie zwrotne z wyjścia do wejścia odwracającego. Ponieważ sygnał sprzężenia zwrotnego ma kierunek przeciwny do sygnału wejściowego, jest to tzw. sprzężenie zwrotne ujemne

Uwej [V]	RF [kΩ]	R1 [kΩ]	Uwyj [V]
1,01	1	1	1,06
1,01	2	1	2,13
1,01	4	1	4,27
1,01	6	1	6,43
1,01	26	1	Uwyj=Uzasilania Odcięcie na skutek nasycenia wzmacniacza

Wzmocnienie w funkcji częstotliwości (charakterystyka amplitudowo częstotliwościowa).

R_f=2kΩ R₁=1kΩ U_wej=1,02V

f [kHz]	Uwyj [V]
0,05	2,13
0,1	2,13
0,2	2,13
0,5	2,13
0,8	2,13
1	2,12
2	2,11
5	2,13
8	2,13
10	2,12
15	2,12
20	2,11
30	2,09
40	2,05
50	1,96
70	1,52

Charakterystyka przejściowa (napięcie wyjściowe od wejściowego)

K_u=-2

Uwej [V]	Uwyj [V]
-0,5	1
-1	2,05
-1,5	3,05
-2	4
-3	6,20
-4	8,04
-4,5	9,06
-5	10,07
-5,52	10,82
-6	10,78
-7	10,72
-8	10,44
-9	10,56
-10	10,49
Uwej [V]	Uwyj [V]
10	-8,90
8	-9,15
6	-9,31
5	-9,38
4,5	-9,05
4	-8,02
3	-6,04
2	-4,02
1	-1,98
0	0

Z wykresu wynika ze wzmocnienie do pewnego momentu jest funkcja liniową zgodnie ze wzorem K_u=-R_f/R₁ ale po przekroczeniu pewnej wartości wykres ulega gwałtownemu przegięciu a wzrost wartości napięcia wejścia powoduje nawet spadek wartości napięcia wyjścia.

3. Wzmacniacz nie odwracający fazy

Rf [kΩ]	R1 [kΩ]	Uwej [V]	Uwyj [V]	Uteoretyczne [V]
1	1	1,07	2,22	2,14
3	1	1,07	4,47	4,28
5	1	1,07	6,72	6,42

Szczególnym przypadkiem układu jest układ gdy R_f a R₁=∝. W takim przypadku wzmocnienie równe jest 1 a rezystancja wejściowa równa jest rzędu megaomów (wtórnik napięciowy). Układ ten pełni rolę bloku dopasowującego lub separującego w sieciach elektronicznych.

4. Komparator napięcia

Komparatorem napięcia nazywamy układ, który służy do porównywania wartości chwilowej napięcia doprowadzonego do jednego wejścia z wartością chwilową napięcia doprowadzonego do drugiego wejścia.

Wejście	Wyjście
U+=0 V	-10,6 V
U-=1 V
U+=0 V		12,1 V
U-=-1 V
U+=3 V		-10,6 V
U-=5 V
U+=3 V		12,23 V
U-=-5 V

U₊=0 V U_-=sinωt V (amplituda 4V)

U₊=4 V U_-=sinωt V (amplituda 5V)

Przykład 5.4

Dane są przebiegi napięć. Wyznaczyć graficznie przebiegi napięć na wyjściu komparatora, jeżeli napięcie U₂(t) ma przebiegi.

Elektronika i techniki mikroprocesorowe

Temat:

Wzmacniacze operacyjne

Marcin Tworzewski

MiBM

Gr II Sem V

β=∝

β=∝

wej.

wej.

U_-

U₊

I₊

I_-

I₂

U₀

U₀

U₊

I₊

I_-

R_f

R₁

R

I₁

U₁

U₁

I₁

R

R₁

R_f

I_-

I₊

U₊

U₀

β=∝

U_-

I_f

U₀

I₂

I_-

I₊

U₊

U_-

wej.

wej.

β=∝

Sygnał ulega zniekształceniu

Napięcie na wyjściu

Napięcie na wejściu (-)

Napięcie na wejściu (+)

Napięcie na wyjściu

Napięcie na wejściu (-)

Napięcie na wejściu (+)

Przebieg napięcia U₂(t)

Przebieg napięcia U₁(t)

Przebieg napięcia na wyjściu komparatora

Przebieg napięcia na wyjściu komparatora

Przebieg napięcia U₁(t)

Przebieg napięcia U₂(t)

Przebieg napięcia na wyjściu komparatora

Przebieg napięcia U₁(t)

Przebieg napięcia U₂(t)

---