Elektronika W Zad cz 3 '

W. Ctązyński - ELEKTRONIKA W ZADANIACH Częić 5. Idealne wzmacniacze operacyjne w zastosowaniach liniowych

Zadanie 5.10

f? = 10kQ

0-1,5 mA

W układzie jak na rysunku 5.10.1 na wejście // WO podaje się sygnał prądu stałego o wartości zmieniającej się w zakresie Ot 1,5 mA, pochodzący ze źródła o charakterze rzeczywistej SPM o rezystancji wewnętrznej /?,= 10 kO.

Układ ma pełnić rolę przetwornika prądu // na napięcie Uo. Zakładając idealne parametry WO oraz wartość rezystancji R = 10 kO należy:

1. określić minimalne wartości napięć zasilających (dodatniego i ujemnego), wymagane aby układ pracował poprawnie w podanym zakresie wartości prądu //;

2. narysować charakterystykę przetwarzania Uo = f(//) dla ±E = ±12 V i ±15 V. Następnie przeanalizować:

3. co należałoby zmienić w tym układzie, aby uzyskać zakres przetwarzanych prądów równy -10 -f 10 mA.

przetwarzania

Rozwiązanie

Ad 1. Wzmacniacz pracuje z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, czyli można zakładać, że dla małych sygnałów utrzymuje wejściowe napięcie różnicowe na Ud poziomie zerowym. Źródło sygnału wejściowego pracuje więc w warunkach zwarcia. Napięcie na źródle wynosi zero, przez rezystancję wewnętrzną R_t nie „ucieka” żaden prąd, a więc cały prąd wejściowy // płynie poprzez rezystor sprzężenia zwrotnego R. Mamy zatem:

U o =-/?•/; (5.10.1)

było symetryczne względem potencjału masy.

Napięcie wyjściowe jest ujemne, proporcjonalne do prądu wejściowego, nie zależy od rezystancji wewnętrznej Ri_f a stała przetwarzania (nachylenie charakterystyki statycznej) wynosi -R> czyli -10 V/mA. Dla maksymalnej wartości prądu równej 1,5 mA napięcie wyjściowe ma największą wartość ujemną i wynosi -15 V, pod warunkiem że pozwala na to napięcie zasilające. Otrzymujemy więc wymaganie aby - E = -15 V. Dodatnie napięcie zasilające może przyjmować wartości znacznie mniejsze, jeśli tylko inne układy nie wymagają, aby

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

Mi sio!

Ad 2. Charakterystyki przetwarzania przedstawiono na rysunku 5.10.2. Dla symetrycznego zasilania ±£ = ±15 V w całym zakresie prądów napięcie wyjściowe jest określone zależnością 5.10.1, a napięcie Ud jest utrzymywane na poziomie zerowym.

R = 10 tó2

Rys. 5.10.3

Dla symetrycznego zasilania ±£ = ±12 V układ pracuje poprawnie dla prądów o wartościach do 1,2 mA. Dla większych prądów sytuacja się komplikuje, gdyż WO nie jest w stanie doprowadzić napięcia Ud do zera. Obliczymy napięcie Ud dla maksymalnego prądu // = 1,5 mA.

Wzmacniacz zachowuje się wtedy jak SEM o wartości -12 V, a układ wygląda jak na rysunku 5.10.3. Napięcie Ud zastrzałkowane jak na rysunku, obliczone zgodnie z zasadą superpozycji jako suma wartości wynikających z dwu wymuszeń (SEM równej -E = -12 V, oraz SPM równej 1,5 mA) wynosi:

U_d =-E——— + ^- = -12 V—+ 1,5 mA -5 kO = +1,5 V (5.10.1)

Potencjał wejścia II jest więc wtedy dodatni i wynosi 1,5 V, przez rezystancję wewnętrzną źródła przepływa prąd 0,15 mA, czyli 10% wartości prądu SPM.

Ujemnym wartościom prądu /; (które leżą poza zakresem podanym w temacie zadania) odpowiadają dodatnie wartości napięcia wyjściowego WO, a więc wtedy zakres liniowości charakterystyki zależy od dodatniego napięcia zasilającego. Na rysunku 5.10.2 odpowiednie charakterystyki pokazano linią przerywaną dla symetrycznego zasilania.

Ad 2. Aby zakres przetwarzanych prądów wynosił ± 10 mA należy np. zastosować symetryczne zasilanie napięciem ±15 V, oraz przyjąć rezystor R w układzie sprzężenia zwrotnego WO równy 1,5 kO. Charakterystyka analogiczna do pokazanej na rysunku 5.10.2 będzie wtedy symetryczna względem zera.

- 53 -