Politechnika Warszawska - Instytut IMUR w Płocku, Laboratorium Elektrotechniki
BADANIE UKA
ADÓW ZE WZMACNIACZEM
OPERACYJNYM SCALONYM
1.Podstawy teoretyczne
Wzmacniacz operacyjny ( WO )
W obecnym znaczeniu przez wzmacniacz operacyjny rozumie się wzmacniacz prądu
stałego
( najczęściej scalony ze sprzężeniem zwrotnym ) o dużym wzmocnieniu i innych
własnościach umożliwiających pełnienie funkcji podstawowej uniwersalnej cegiełki
układowej stosowanej do budowy różnych złożonych układów analogowych .
Wez
my pod uwagę wzmacniacz , którego schemat zastępczy przedstawiono na
rysunku 1.
Wzmacniacz ten posiada :
WE- - wejście odwracające fazę napięcia wejściowego ,
WE+ - wejście nieodwracające fazę napięcia wejściowego ,
WY - wyjście , na którym napięcie Uwy w zakresie liniowej pracy wzmacniacza jest
równe :
Uwy = ku ( Vp - VM ) = ku . Uwe
gdzie : ku - wzmocnienie napięciowe wzmacniacza z otwartą pętlą sprzężenia
zwrotnego .
+Uzas i - Uzas - wyjścia dla napięć zasilających
Zwykle wzmacniacz zasilany jest napięciem ( 12 - 18 V ) , przy czym :
Uzas U
zas
Wzmacniacz taki można wyobrazić sobie , jako z
ródło napięciowe sterowane ( V,V ) różnicą
potencjałów na oporniku Rwe .
Rezystancja Rwe - reprezentuje zastępczą rezystancję wejściową wzmacniacza .
Rezystancja Rwy - jest równa wypadkowej rezystancji wejściowej wzmacniacza .
1
Politechnika Warszawska - Instytut IMUR w Płocku, Laboratorium Elektrotechniki
Aby wzmacniacz z rys.1 spełniał rolę idealnego wzmacniacza operacyjnego muszą być
spełnione następujące warunki :
1) Wzmocnienie napięciowe dąży do nieskończoności ( ku )
2) Rezystancja wejściowa Rwe dąży do nieskończoności (Rwe )
3) Rezystancja wyjściowa Rwy dąży do zera (Rwy 0 )
4) Częstotliwościowe pasmo przenoszenia jest w zakresie od 0 do Bf = ( 0 -
).
5) Pływanie ( dryft ) zera w funkcji temperatury nie występuje .
6) Dwupolarna charakterystyka statyczna ( rys.2)
Charakterystyki wzmacniaczy operacyjnych ( WO) .
Podstawowymi charakterystykami wzmacniacza operacyjnego są :
charakterystyka statyczna ,
charakterystyka częstotliwościowa.
Charakterystyka statyczna - ( rys.2 ) nazywamy zależność napicia wyjściowego Uwy do
napięcia wejściowego Uwe , przy stałych wartościach temperatury , napięcia zasilania ,
obciążenia i innych parametrów .
W charakterystyce statycznej WO wyróżnia się trzy zakresy pracy :
zakres liniowej (aktywnej ) pracy wzmacniacza ( strefa I ) , charakteryzuje się tym , że
sygnał wyjściowy wiernie odtwarza sygnał wejściowy , który zostanie wzmocniony ku
razy . Np.: jeśli na wejściu podany zostanie sygnał sinusoidalny , odpowiedz na wyjściu
też będzie miała kształt sinusoidalny o amplitudzie większej ku razy niż amplituda sygnału
wejściowego
zakres nasycenia wzmacniacza ( strefa II i II  ). Po przekroczeniu granicznej wartości
modułu napięcia wejściowego Uwe = Uwe os , następuje tzw. nasycenie wzmacniacza . Stan
ten charakteryzuje się tym , że napięcie wyjściowe ma stałą wartość , niezależną od
napięcia wejściowego .
Maksymalna wartość modułu napięcia nasycenia wzmacniacza nie może przekroczyć wartości
modułu napięć zasilających .
2
Politechnika Warszawska - Instytut IMUR w Płocku, Laboratorium Elektrotechniki
Unasycenia Uzasilania
Pr aktycznieUnasycenia 0,9Uzasilania
Charakterystyka częstotliwościowa jest zależnością wzmocnienia napięciowego ku
wzmacniacza w funkcji częstotliwości sygnału wejściowego , wykreśloną w skali
logarytmicznej ( Rys.3) .
Z charakterystyką częstotliwościową związany jest parametr wzmacniacza - pasmo
przenoszenia Bf. Jest to zakres częstotliwości , dla których wzmocnienie napięciowe ku
ku max
wzmacniacza nie zmaleje poniżej ( -3dB w skali logarytmicznej ) . Częstotliwość , dla
2
której spadek wzmocnienia wynosi -3dB nazywa się częstotliwością graniczną wzmacniacza .
Własności typowych wzmacniaczy operacyjnych .
Poniższa tabela przedstawia zestawienie najczęściej spotykanych wzmacniaczy
operacyjnych ( czołowych firm ) .
ZESTAWIENIE PARAMETRÓW WZMACNIACZY OPERACYJNYCH
FIRMY FAIRCHILD
Typ wzmacniacza ULY7741
A709 A715C A741 A740 FET
Parametry ( to = 250 C ) CEMI
szybki
Wzmocnienie z otwartą 15000 10000 20000 50000 150000
pętlą [ V/V ]
Rezystancja wejściowa 250 1000 2000 109 1000
[k ]
Wejściowe napięcie 7,5 7,5 6 30 15
niezrównoważenia [mV]
Częstotliwość graniczna 5 65 1 1 1
dla ku = 1 [MHz]
Zasilanie typowe [V] 15 15 15 15 15
Pobór mocy [mW] 80 165 50 126 80
Maksymalny zakres zmian 14 13 14 14 13,5
napięcia wyjściowego [V]
3
Politechnika Warszawska - Instytut IMUR w Płocku, Laboratorium Elektrotechniki
Zakres temperatur [0C] 0 - 70 0 - 70 0 - 70 0 - 70 0 - 70
Wejściowy prąd 1500 10000 500 2 750
polaryzacji [nA]
PODSTAWOWE UKA
ADY ZE WZMACNIACZEM OPERACYJNYM
Układy realizujące liniowe operacje analogowe.
Cechą charakterystyczną tych układów jest praca wzmacniacza operacyjnego w jego
liniowym zakresie charakterystyki statycznej ( zakres I , rys.2) .
Wzmacniacz odwracający fazę napięcia wejściowego.
Wzmacniacz operacyjny w układzie odwracającym pracuje z ujemnym sprzężeniem
zwrotnym . Część sygnału wyjścia przez rezystancję Rf jest doprowadzona na wejście , co
działa stabilizująco na pracę wzmacniacza .
U
wy
Określimy współczynnik wzmocnienia napięciowego kus = dla układu z rys .5 ,
U1
przy założeniu , że wzmacniacz jest idealny .
Z własności 1) dla idealnego WO ( ku ) wynika , że E = 0
Z własności 2) dla idealnego WO (Rwe ) wynika , że Iwe = 0
Równania Kirchhoffa :
Oczko A : U1 - I1R1 + E = 0 (5.1)
Oczko B : Uwy - IfRf + E = 0 (5.2) (5)
Węzeł 1 : -Iwe + If + I1 = 0 (5.3)
Podstawiając E = 0 ; Iwe = 0 otrzymujemy :
U1 - I1R = 0 (6.1)
Uwy - IfRf = 0 (6.2) (6)
I1 + If = 0 (6.3)
Po przekształceniach powyższych wzorów wyprowadzamy zależność określającą
wzmocnienie napięciowe układu :
4
Politechnika Warszawska - Instytut IMUR w Płocku, Laboratorium Elektrotechniki
Uwy Rf
kus (7)
U1 R1
Wzmocnienie napięciowe kus ma wartość ujemną . Wynika stąd , że napięcie wyjściowe jest
odwrócone ( o 1800 ) względem napięcia wejściowego .
Ze wzoru (7) wynika , że wzmocnienie Kus zależy tylko od parametrów zewnętrznych R1 i Rf ,
natomiast jakość samego wzmacniacza nie ma wpływu na pracę układu odwracającego fazę .
Wartość ta pokazuje działanie stabilizacyjne układów z ujemnym sprzężeniem zwrotnym .
Jest ona szczególnie cenna dla wykorzystania wzmacniacza operacyjnego w układach
automatyki przemysłowej , w maszynach analogowych .
Wzmacniacz nieodwracający .
Postępując analogicznie jak w przypadku analizy wzmacniacza odwracającego, można
wykazać , że wzmocnienie napięciowe ku określa się wzorem :
U
R2
wy
kus 1 (8)
U1 R1
Wzmacniacz sumujący .
Do operacji sumowania sygnałów stosuje się wzmacniacz odwracający , w którym wejście
odwracające wzmacniacza stanowi doskonały punkt sumujący. ( węzeł W- )
Napięcie wyjściowe Uwy określone jest wzorem :
Rf Rf Rf
Uwy U1 U2 .... Un (9)
R1 R2 Rn
5
Politechnika Warszawska - Instytut IMUR w Płocku, Laboratorium Elektrotechniki
Wzmacniacz różnicowy .
Wzmacniacz różnicowy jest to wzmacniacz 2 wejściowy i 1 wyjściowy , którego napięcie
wyjściowe proporcjonalne jest do różnicy napięć wejściowych Uwy = a1U1 - a2U2 .
R2
1
R1 R2
Uwy R3 U1 U2 (10)
R1
1
R4
Przy założeniu : R1 = R3 ; R2 = R4 , otrzymujemy :
R2
Uwy (U1 U2 ) (11)
R1
Przetworniki napięcie - prąd
W wielu urządzeniach istnieje konieczność zamiany napięcia sterującego na
proporcjonalny do niego prąd sterujący . Używa się do tego konwentory napięcie - prąd .
6
Politechnika Warszawska - Instytut IMUR w Płocku, Laboratorium Elektrotechniki
R1 R3
Przy założeniu:
R2 R4 R5
IL wyraża się wzorem :
R2
I U1 (12)
L
R1 R5
Ze wzoru 12 wynika , że prąd IL nie zależy od rezystancji obciążenia .
Niekiedy buduje się uproszczone konwentory napięcie - prąd realizowane wg poniższego
schematu .
Prąd IL określa wzór ( 13 )
U
we
I (13)
L
R1
Przetwornik prąd - napięcie
W wielu dekoderach i czujnikach pomiarowych ( np. fotodiody , fotopowielacze )
uzyskuje się sygnał wyjściowy , który następnie należy wzmocnić , przetwarzając na
prostoliniowy doń sygnał napięciowy .Podstawowy układ konwentora prąd - napięcie,
spełniającego powyższą funkcję , przedstawia rysunek 13 .
Napięcie wyjściowe Uwy oblicza się ze wzoru :
Uwy Rf Iwe (14)
7
Politechnika Warszawska - Instytut IMUR w Płocku, Laboratorium Elektrotechniki
Wykonanie ćwiczenia
Badanie liniowych układów analogowych .
Wyznaczanie charakterystyki statycznej wzmacniacza odwracającego .
Zasilić wzmacniacz operacyjny ( z zasilacza komplementarnego ) napiciem Uz+ = 15V i Uz- =
-15V .
Na wejście badanego układu podać napięcie stałe regulowane Ereg w zakresie -10V do 10V
ze skokiem podanym w poniższych tabelach:
a) R1 = 1k
Tabela 1
Uwe -10 -5 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 5 10
[V]
Uwy
[V]
b) R1 = 2k
Tabela 2
Uwe -10 -5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 2 3 5 10
[V]
Uwy
[V]
c) R1 = 5k
Tabela 3
Uwe -10 -8 -7,5 -6 -4 -2 -1 0 1 2 4 6 7,5 8 10
[V]
Uwy
[V]
8
Politechnika Warszawska - Instytut IMUR w Płocku, Laboratorium Elektrotechniki
Ustawić napięcie zasilania .
Uz+ = 10kV i Uz- = -10kV i zbadać charakterystykę statyczną dla R1 = 2k
Tabela 4
Uwe -10 -5 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 5 10
[V]
Uwy
[V]
Opracowanie wyników pomiarów .
narysować na jednym wykresie charakterystyki z tabel 1,2,3 oraz 2 i 4 ( WE = 1V/cm ;
WY = 1V/cm ) ,
Na podstawie otrzymanych wykresów określić następujące parametry wzmacniacza.
współczynnik wzmocnienia napięciowego ,
zakres napięć wejściowych dla liniowej pracy wzmacniacza,
napięcie nasycenia wzmacniacza ,
Unasycenia
iloraz napięcia nasycenia do napięcia zasilania kr
Uz
WNIOSKI
Narysować wykresy teoretyczne na podstawie wartości elementów układu napięć
zasilania .
Przyjąć , że napięcie nasycenia równe jest napięciu zasilania .
Badanie wzmacniacza nieodwracającego .
Wyznaczenie charakterystyki statycznej układu . Pomiary należy wykonać dla dwóch
napięć zasilających .
Uz+ = +15V i Uz_ = -15V
Uz+ = +10V i Uz_ = -10V
9
Politechnika Warszawska - Instytut IMUR w Płocku, Laboratorium Elektrotechniki
Napięcie wejściowe Ereg należy zmienić jak w poniższych tabelach :
U 15V
z
Tabela 5
Uwe -15 -10 -5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 5 10 15
[V]
Uwy
[V]
U 10V
z
Tabela 6
Uwe -15 -10 -5 -2 -1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 2 5 10 15
[V]
Uw
y
[V]
Opracowanie wyników pomiarów :
narysować na jednym wykresie charakterystyki z tabel 5 i 6 .skala: WE=1V/cm ;
WY=1V/cm.
określić współczynnik wzmocnienia napięciowego , maksymalny zakres napięć
wejściowych dla liniowej pracy wzmacniacza .
iloraz napięcia nasycenia i napięcia zasilania
Unasycenia
kr
Uz
wnioski
Badanie wzmacniacza różnicowego
Wyznaczenie współczynników wzmocnienia dla poszczególnych napięć wejściowych .
Uwy ku1 Uwe1 ku2 Uwe2
10
Politechnika Warszawska - Instytut IMUR w Płocku, Laboratorium Elektrotechniki
Połączyć układy wg rys.11 , a potem wg rys.12 . Ustawić napięcie wejściowe takie aby na
wejściu woltomierza wskazywał około połowy napięcia zasilania ( 7,5V) .
V0 V0
określić szukane współczynniki wzmocnienia k1 ; k2
V1 V2
wnioski .
Badanie przetworników napięcie - prąd
a) Wyznaczyć charakterystyki statyczne przetwornika , napięcie zasilania ustawić Uz = 15
V napięcie wejściowe zmieniamy ze zmiennym krokiem podanym w poniższej tabeli ( 7 )
.
Tabela 7
Uwe 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0
[V]
Iwy
[mA
]
b) Określenie wpływu obciążenia RL na wielkość prądu wyjściowego , ustawić napięcie
zasilania Uz = 15 V , napięcie wejściowe Ereg = 1V , rezystancję zmienić w
zakresie RL = ( 0,1 - 10) jak poniżej w tabeli ( 8 ) .
11
Politechnika Warszawska - Instytut IMUR w Płocku, Laboratorium Elektrotechniki
Tabela 8
RL 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1 1,5 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10
[k ]
Iwy
[mA]
Opracowanie wyników pomiarów .
Narysować charakterystyki statyczne,
Określić współczynniki konwersji badanych przetworników dla liniowej części pracy
charakterystyki ,
Iwy
G2 dla przetwornika napiecie - prad
Uwe
Wykreślić charakterystykę Iwy = f ( RL ) z tabeli 8,
Wnioski .
12