WZMACNIACZE OPERACYJNE (WO)

1. Definicja

Wzmacniacz prądu stałego o bardzo dużym

wzmocnieniu. Ma wejście symetryczne (różnicowe) -

na wejście podajemy dwa nap, napięcie wejściowe

to różnica między nimi. Posiada wyjście niesymetryczne

Napięcie na wyjściu jest proporcjonalne do różnicy nap.

podanych na wejście: Uwy = KU × ( Uin1-Uin2)

Jeżeli na wejścia podamy dwa identyczne sygnały,

to na wyjściu powinno pojawić się zero.

Wzmożenie WO jest bardzo duże, a więc nawet

bardzo mała różnica między napięciami wejściowymi

pozwoli uzyskać duże napięcie na wyjściu.

Gdy sygnał napięciowy wchodzi na wejście `-` -

wzmacniacz odwracający.

Gdy sygnał napięciowy wchodzi na wejście `+ -

wzmacniacz nieodwracający.

Ponieważ wzmocnienie WO jest bardzo duże, stosuje

się pętlę sprzężenia zwrotnego ujemnego( syg. z wyjścia

doprowadza się do wejścia, syg. srzężenia zwrotnego

ma fazę przeciwną do sygnału wejściowego)

beta - współczynnik mówiący jaka część syg. wyjściowego

zostanie doprowadzona na wejście. Więc po zastosowaniu

sprzężenia:

Uwy = K x ( UWE - b×UWY ),

gdzie Uwe = U1 - U2

Jeżeli wzmocnienie wzmacniacza op. wynosi Ku,

to po zastosowanie sprzężenia zwrotnego całkowite

wzmocnienie wynosi

Jak wiemy Ku jest bardzo duże, dąży do nieskończoności,

więc KUF =
, więc wzmocnienie WO po zastosowanie

sprzężenia zależy od parametrów pętli sprzężenia.

2. Różnice między idealnym a rzeczywistym WO

1. idealny:

- 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

- CMRR dąży do niesk.

2. rzeczywisty:

- 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

3. Składowa różnicowa i sumacyjna

Sposób sterowanie i wyodrębniania:

Składowej różnicowej skład. stałej

Wzmocnienie różnicowe: wzmocnienie sumacyjne:

4. CMRR i PSRR

CMRR - Kiedy sygnał podawany jest miedzy oba wejścia

wzmacniacza operacyjnego w układzie wejścia

zrównoważonego ważne jest, aby jednakowe sygnały o

tej samej fazie zostały całkowicie stłumione. Właściwość

ta jest opisywana jako stosunek wzmocnień syg. różnicowego

i syg. wspólnego nazywamy współczynnikiem tłumienia syg.

wspólnego (współbieżnego) i oznaczamy jako CMRR

Typowe wartości CMRR i PSRR to 60 - 100 dB,

ale tylko dla częstotliwości bliskich zera, dla większych

szybko maleją.

PSRR - Napięcie wyjściowe WO nie powinno zależeć od

zmian napięć zasilających. Miarą odporności wzmacniacza

na zmiany wartości napięć zasilających jest współczynnik

o nazwie PSRR.

char. częstotliwości CMRR:

5. Prosty WO dwustopniowy (do czego służą kondensat).

6. Idealna char. przejściowa (dynamiczna) WO

Przedstawia zmianę napięcia wyjściowego U_o

wzmacniacza w funkcji zmian napięcia na

jego wejściach U_o = f(U_d = U_I1 - U_I2).

W niewielkim zakresie nap. wejściowych

WO pracuje w obszarze liniowym, a nachylenie

charakterystyki w tym zakresie jest równe

wzmocnieniu wzmacniacza bez sprzężenia

zwrotnego:

Rzeczywista char. przejściowa nie przechodzi

przez środek układu współrzędnych, bowiem

ulega ona przesunięciu o wartość wejściowego nap.

niezrównoważenia U_N. Po przekroczeniu

wejściowego nap. przesterowania U_p, następuje

zagięcie charakterystyki, w końcowej części

przebiega ona równolegle do osi nap. 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

WO pracuje w stanach:

- liniowym, gdy Uo = Kuf *Ud

- nasycenia: W zakresie nasycenia nap. wyjściowe

przyjmuje dodatnią, albo ujemną wartość nap. nasycenia,

które jest zwykle mniejsze co do wartości bezwzględnej o

1 do 2V od nap. zasilania. Zakres liniowości wzmacniacza

operacyjnego pracującego bez sprzężenia zwrotnego jest

bardzo mały.

7. Char. częstotliwościowa

Wzmocnienie WO zależy od częstotliwości syg.

wejściowego. WO nie mają szerokich pasm, ich

char. częst. ma kształ podobny jak dla wzmacniaczy

dolnoprzepustowych. Przeważnie wzmocnienie zaczyna

maleć przy częst. rzędu 10-50 Hz. Stromość zmniejszania

się wzmocnienia wraz ze wzrostem częst. wynosi 20

db/dekadę.

Częst. sygnału przy której wzmocnienie WO wynosi

K_U = 1 nazywamy częst. graniczną f₁ . Iloczyn

wzmocnienia przez częst, 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

Można regulować 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.

8. Wzmacniacz odwracający

Na wyjściu jest wzmocniony sygnał wejściowy o

Przeciwnej fazie.

Sprzężenie zwrotne ujemne napięciowe równoległe.

Syg. wejściowy przez rezystor R1 zostaje doprowadzony

do wejścia odwracającego. Do tego samego wejścia przez

rezystor R2 doprowadza się z wyjścia nap. ujemnego

sprzężenia zwrotnego. Wejście nieodwracające zostaje

uziemione.

Obwód wejściowy wzmacniacz zbudowany jest tak, aby

różnica napięć między punktami A i B była jak najmniejsza

(ponieważ nawet bardzo mała różnica na skutek bardzo

dużego wzmocnienia daje duże nap. wyjściowe). Ponieważ

punk B dołączony jest do masy i jego potencjał wynosi zero,

to układ zachowuje się tak, aby w punkcie A również był

potencjał zerowy (aby różnica nap. między A i B była

jak najmniejsza). Punkt A nazywamy punktem masy

pozornej (wirtualnej)

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:

I1 + I2 = 0

UAB = 0

Aby uzyskać najmniejszy błąd spowodowany nap.

Niezrównoważeni należy dobrac R3 = R1 || R2

Niekorzystna cecha - mała wartość impedancji wejściowej

równa rezystancji R1.

9. Wzmacniacz nieodwracający

Sprzężenie napięciowo - szeregowe, więc

Duża rezystancja wejściowa.

Aby zminimalizować wpływ napięcia niezrównoważenia,

Powinno zapewnić się Rg = R1 || R2, gdzie Rg to

Rezystancja źródła sterującego.

10. Napięcie niezrównoważenia

W rzeczywistych WO nap. wyjściowe nie jest równe zeru

dla dwóch identycznych nap. wejściowych. Powstaje ono

w rezultacie nieidentycznych parametrów tranzystorów

wejściowego układu różnicowego WO(rozrzuty produkcyjne)

To niewielkie nap. jest wzmacniane, powodując

występowanie na wyjściu nap. niezróważenia U_N,

które staje się źródłem błędów wnoszonych do układu

przez WO, np. powodując przesunięcie charakterystyki

przejściowej. 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 nap. jakie

należy włączyć między wejścia, aby na wyjściu wzmacniacza

otrzymać nap. równe zeru, wielkość ta nosi nazwę

wejściowego napięcia niezrównoważenia.

Char. przejściowa idealnego wzmacniacza (1) oraz

rzeczywistego (2), przesunięta w wyniku istnienia

napięcia niezrównoważenia U_N.

Współczynniki zależności napięcia niezrównoważenia UN

od zmian napięcia zasilania UZ ma wartość 1-50mV/V.

Wejściowe napięcie niezrównoważeni zależy od temp.

11. Zasilanie WO

a) symetryczne (dwubateryjne)

2. asymetryczne (jednobateryjne)

11. Stabilność i metoda kompensacji bieg. dom.

Każdy biegun przesuwa syg. wyjściowy w fazie o pi/2,

co może powodować niestabilność (oscylacje, wzbudzenie).

Teoretycznie każdy WO w danych warunkach z rzeczy-

wistym ujemnym sprzężeniem zwrotnym jest stabilny,

ale ciężko to zrealizować w dużym zakresie f. Stosuje się

kompensację biegunem dominującym (kom. częstotliwoś-

ciową): zmniejsza się częst. fg pierwszego bieguna (zwykle

do 20Hz), aby biegun ten określał w przybliżeniu

jednobiegunową charakterystykę do częst. f1, przy której

wzmocnieni |Ku|=1(brak wzmocnienia). Upraszcza to

char. i zapewnia stabilność.

Jak to zrobić?

W miejsce gdzie we WO jest pojemność odpowiedzialna

za pierwotne opadanie charakterystyki wstawić na tyle

dużą pojemność, żeby zmniejszyć do 1 V/V wzmocnienie

WO z otwartą pętla dla częstotliwości, przy której

następuje spadek o 3dB char. amplitudowej drugiego,

naturalnego filtru RC. Dzięki temu przes. fazowe WO jest

stale równe 90 st. w dużym zakresie pożądanych częst.

Przesuwanie się fazy do 180 st. zaczyna się blisko częst.

granicznej WO, przy której wzmocnienie wynosi 1 V/V

(0 dB). Komensacja bieg. dom. To wykorzystanie efektu

Millera (znaczne zwiększ. pojemności wej. układu,

Co obniża górną częst. graniczną. Zewnętrza kompensacja

WO pozwala uzyskać szersze pasmo w stosunku do kom.

wewnętrznej.

Przykładowa realizacja kompensacji częstotliwościowej

Cel kompensacji: Zapewnienie stabilnej pracy

(nie wzbudzanie się) po zamknięciu pętli

ujemnego sprzężenia zwrotnego.

12. Parametry dynamiczne

Podst. parametr w zakresie wielkosygnałowym to

szybkość narastania napięcia wyjściowego SR

(slew rate). Jest to pohodna czasowa nap. wyjściowego.

13. Wzmacniacz sumujący

Zakładamy idealny model WO, wieć i1+i2+i3=i4

Przy dobranych jednakowych wartościach

Rezystancji R1=R2=R3=R otrzymujemy

W układzie sumowanie napięc

Aby zminimalizować wpływ napięcia

Niezrównoważeni trzeba dobrać

R5 = R1||R2||R3||R4||R5

14. Wzmacniacz różnicowy

Może służyć do odejmowania 2 napięć

15. Wzmacniacz pomiarowy

Stosuje się wewnętrzną sieć rezystorów sprzężenia

Zwrotnego odizolowaną od końcówek wejściowych.

Syg. wejściowy podłącza się do 2 wejść różnicowych

A wzmocnienie jest ustalane wewnętrznie albo przez

użytkownika.

16. Przetwornik prąd-napięcie

Układ, który przetwarza sygnał prądowy na

sygnał napięciowy. Układ ten charakteryzuje

się małą rezystancją wejściową. Może on

współpracować tylko ze źródłami prądowymi

(o dużej rezystancji wewnętrznej), ponieważ

jego wejście stanowi masę pozorną. Wartość

prądu wejściowego I nie zależy wówczas od

parametrów układu konwertera, ale od źródła

sygnału wejściowego.

17. Przetwornik napięcie-prąd

(sterowane źródło prądowe)

18. W układzie całkującym

19. W układzie różniczkującym

u_d - składowa różnicowa (Uin1 - Uin2)

u_c - składowa sumacyjna (wspólna)

k_u2

k_u1

k_u3

| k_u |

dB

f₁ ≈ f_T

f_g1

f_g2 f_g3

f (log)

C_k - wewnętrzny= wzmacniacz wewnętrznie

skompensowany (μA741)

C_k - zewnętrzny = kompensacja zewnętrzna

- lepsza, szersze pasmo itp..

u₀= - i_inR_f

---