Elektronika W Zad cz 3 

W Ciążyński - ELEKTRONIKA W ZADANIACH Część 5: Idealne wzmacniacze operacyjne w zastosowaniach liniowych

częstotliwość graniczna wzmacniacza leży przeważnie w zakresie setek Hz, a częstotliwość graniczna // określana jako ta, przy której wzmocnienie spada do wartości równej 1, leży w zakresie MHz.

16. Czas odpowiedzi na impuls w postaci skoku jednostkowego jest dla małych sygnałów określony przez częstotliwości graniczne WO (jego pasmo przenoszenia). Dla dużych sygnałów definiuje się maksymalną szybkość zmian napięcia wyjściowego (ang. siew ratę, SR). Każdy stopień WO ma określoną rezystancję wewnętrzną, a zatem może wydać tylko prąd o ograniczonej wartości. Wewnętrzne pojemności WO mogą więc być przeładowywane z ograniczoną szybkością i stąd wynika ograniczenie szybkości zmian napięcia na wyjściu przesterowanego wzmacniacza.

Oprócz omówionych parametrów w katalogu znajdziemy oczywiście także inne dane, np. dotyczące prądu pobieranego z zasilania, traconej w nieobciążonym układzie WO mocy, zakresu temperatur otoczenia przy pracy WO i podczas jego przechowywania, dostępnych wersji WO i rodzajów stosowanych obudów.

W5.2 Wzmacniacz operacyjny idealny

Odwołując się kolejno do powyższych definicji stwierdzimy tylko, że idealny

wzmacniacz operacyjny to taki, dla którego:

1.    Wzmocnienie napięciowe różnicowe jest nieskończenie duże: k_d = oo.

2.    Wzmocnienie dla napięcia współbieżnego (wspólnego) jest równe zeru: kcM = 0.

3.    Współczynnik tłumienia sygnału wspólnego CMRR = oo.

4.    Rezystancja wejściowa różnicowa Rj oraz rezystancja wejściowa wspólna Rcm są nieskończenie duże.

5.    Prąd polaryzacji wejść Iib = 0.

6.    Wejściowy prąd niezrównoważenia Uo = 0.

7.    Współczynnik temperaturowy wejściowego prądu niezrównoważenia aIio= 0

8.    Rezystancja wyjściowa R₀ = 0.

9.    Wejściowe napięcie niezrównoważenia Uio = 0, czy li (wobec tego, że mamy także CMRR = 0) charakterystyka przejściowa z rysunku W5.4 przechodzi przez zero, a wobec kd = oo w obszarze aktywnym przebiega pionowo.

10.    Współczynnik temperaturowy wejściowego napięcia niezrównoważenia a Uio = 0.

11.    Współczynnik wpływu zmian napięć zasilających SVRR = 0.

12.    Dopuszczalny zakres zmian napięć zasilających ±E, jak dla rzeczywistego WO.

13.    Napięcie wspólne Ucm może przyjmować wartości w całym zakresie napięć zasilających, czyli ±E.

14.    Napięcie wyjściowe Uo nie może wykroczyć poza zakres wyznaczony przez napięcia zasilające +E i -E. Jest to jedyne ograniczenie, którego nie możemy uniknąć przy uproszczonej analizie układów. W stanie nasycenia wzmacniacza potencjał na jego wyjściu może różnić się od potencjału źródła zasilania o wartość napięcia Uce na jednym z tranzystorów w stopniu wyjściowym WO (najczęściej jest to stopień przeciwsobny pracujący w klasie 2B). Będziemy dla prostoty zakładać, że tranzystory te mogą zostać głęboko nasycone i ich napięcie w stanie nasycenia Uces może być bardzo małe. Będziemy więc przyjmować, że napięcie

W Ciążyński - ELEKTRONIKA W ZADANIACH Część 5 Idealne wzmacniacze operacyjne w zastosowani ach liniowych

wyjściowe idealnego WO zasilanego napięciami +E i —E może pełnym zakresie pomiędzy tymi wartościami.

15.    Pasmo przenoszonych przez wzmacniacz częstotliwości jest nieskończenie szerokie (małosy gnało we częstotliwości graniczne są bardzo wysokie).

16.    Czas narastania odpowiedzi na skok jednostkowy jest równy zeru, a szybkość zmian napięcia wyjściowego nieskończenie duża, zarówno dla małych jak dla dużych sygnałów.

Przyjęcie takich założeń bardzo upraszcza analizę większości układów. W niektórych przypadkach należy jednak zdawać sobie sprawę z tego, że uzyskane wyniki mają ograniczoną wartość i stanowią tylko pierwsze przybliżenie wyniku dokładnej analizy.

Przykładowo, gdy przy określonym poziomie sygnału prądy płynące w układzie mają wartości rzędu 1 mA pomijając prądy polaryzacji wejść wynoszące w rzeczywistości dla zastosowanego wzmacniacza ok. 10 nA popełniamy bardzo mały błąd. Jednak dla znacznie mniejszych sygnałów wejściowych, gdy prądy płynące w układzie maleją, względny błąd wynikający z założenia 1/b = 0 rośnie.

Podobnie możemy rozczarować się, jeśli wyniki uzyskane dla sygnału o częstotliwości sygnału 1 kHz, będziemy chcieli rozciągnąć na zakres częstotliwości ok. 1 MHz. Wtedy, zwłaszcza przy dużych amplitudach sygnału, w rzeczywistym układzie pojawią się ograniczenia związane z maksymalną szybkością zmian napięcia wyjściowego (SR), nie uwzględniane przy uproszczonej analizie.

W obydwu wspomnianych przypadkach możemy jednak - realizując badany układ w praktyce - sięgnąć po lepszy (ale i droższy) wzmacniacz, tj. taki który w danym zastosowaniu jest bliższy parametrom idealnego WO, np. ma mniejsze prądy polaryzacji wejść, szersze pasmo przenoszonych częstotliwości i/lub większą maksymalną szybkość zmian napięcia wyjściowego (SR). Wtedy wyniki naszej uproszczonej analizy będą lepiej przystawały do rzeczywistości pomiarowej.

W5.3 Wzmacniacz operacyjny idealny w układzie ze sprzężeniem zwrotnym - przykład analizy

Rozpatrzmy układ wzmacniacza napięciowego pokazany na rysunku W5.5, powstały w wyniku objęcia sprzężeniem zwrotnym wzmacniacza operacyjnego. Analizę przeprowadzimy zakładając idealne własności WO.

Napięcie wejściowe jest podawane na wejście odwracające WO (czyli II) poprzez rezystor Rj, podczas gdy drugie wejście WO (czyli NI) jest podłączone do masy układu. Rezystor R2 realizuje sprzężenie zwrotne, które jest ujemne (wyjście WO jest połączone z jego wejściem odwracającym //), ma charakter napięciowy (sygnał sprzężenia zwrotnego jest zależny od napięcia wyjściowego) i równoległy (na wejściu odwracającym następuje sumowanie w obwodzie równoległym prądu wejściowego i prądu sprzężenia zwrotnego).

- 15 -