wzmacniacze_operacyjne.pdf

2.Wprowadzeniedowzmacniaczyoperacyjnych

2.1Wiadomościwstępne

Wzmacniacz operacyjny jest wzmacniaczem charakteryzującym się bardzo duŜym

wzmocnieniemiprzeznaczonymzregułydopracywukładziezzewnętrznymobwodemujemnego

sprzęŜeniazwrotnego.Właściwościtegoobwodudecydująwgłównejmierzeowłaściwościachcałego

układu.

Większośćwzmacniaczyoperacyjnychma symetryczne (róŜnicowe) wejścia i niesymetryczne

wyjście.Narys.2.1pokazanopowszechniestosowanysymboltakiegowzmacniacza.

Rys.2.1.Symbolwzmacniaczaoperacyjnego.

ZASTOSOWANIAWZMACNIACZY

OPERACYJNYCH

względemsygnałuprzyłoŜonegodotegowejścia.

ZaciskWE2 oznaczony„+”jestwejściem nieodwracającym,poniewaŜsygnałwyjściowyjestw

faziezsygnałemdoprowadzonymdotegowejścia.

WzmacniaczoperacyjnymoŜepracowaćwukładzieo wejściu niesymetrycznym,jeŜelisygnał

wejściowy poda się na jedno z dwóch wejść WE1 lub WE2 (sygnał przyłączony jest pomiędzy

zaciskiemwejściowym,amasąprzydrugimzaciskudołączonymdomasy).Wukładzieo wejściu

symetrycznymsygnałwejściowydoprowadzasięmiędzywejściaWE1iWE2wzmacniacza.Sygnał

takinazywasięsygnałemróŜnicowym.

NapięciewyjściowejestproporcjonalnedowartościsygnałuróŜnicowego,czylidoróŜnicynapięć

wejściowychzgodniezzaleŜnością:

U A U U A U

= − =

U WE

(

)

U d

gdzie:

U WE1 ,U WE2 napięciawejściowe,

U WY

napięciewyjściowe,

U d

róŜnicowenapięciewejściowe,

A U

wzmocnienienapięciowewzmacniaczazotwartąpętląsprzęŜenia

zwrotnego(wzmocnienieróŜnicowe).

WaŜną właściwością wzmacniacza operacyjnego, (dalej skrótowo oznaczanego WO) jest to, Ŝe

sygnałnawyjściupowinienbyćrównyzeru,gdynaobuwejściachwystępująjednakowesygnały

względem masy. Jednakowy sygnał podany na oba wejścia jest nazywany sygnałem wspólnym

(współbieŜnym).Mówisię,ŜeWOtłumisygnałwspólny.

2.2.Charakterystykaprzenoszenia

Na rys. 2.2. przedstawiono charakterystykę przenoszenia WO z otwartą pętlą sprzęŜenia

zwrotnegoorazpodstawowyukładdopomiarutejcharakterystyki.

Rys.2.2.Charakterystykaprzenoszeniawzmacniaczaoperacyjnego.

ZaciskWE1 oznaczony„”nasinazwęwejściaodwracającego,poniewaŜsygnałwyjściowyjest

odwróconywfazieo180

Na tej charakterystyce moŜna wyróŜnić 3 zakresy pracy WO: zakres pracy liniowej i 2 zakresy

nasycenia.Wzakresiepracyliniowejnapięciewyjściowejestokreślonewzorem:

U A U

U WE

W zakresie nasycenia napięcie wyjściowe przyjmuje dodatnią, albo ujemną wartość napięcia

nasycenia,którejestzwyklemniejszecodowartościbezwzględnej,o1do2Vodnapięciazasilania.

Zakres liniowości WO pracującego bez sprzęŜenia zwrotnego jest bardzo mały. Przykładowo, gdy

WO ma napięcie nasycenia rzędu

10V, a wzmocnienie A U wynosi 100000V/V, wówczas zakres

liniowościnapięciawejściowegoznajdujesięwprzedziale

0,1mV.

PoprzekroczeniuzakresuliniowościWOprzechodzidostanunasycenia.NapięciewyjścioweWO

powinnobyćrównezeruprzyzerowejróŜnicynapięćwejściowych(U WE =0).

W rzeczywistości występuje w tej sytuacji pewne napięcie, nazywane wyjściowym napięciem

niezrównowaŜenia.

Na rys. 2.2. linią przerywaną przedstawiono charakterystykę przenoszenia dla przypadku, gdy

wyjściowenapięcieniezrównowaŜeniajestwiększeodzera(

U WY >0).NowoczesneWOposiadają

moŜliwośćprostejkompensacjiwyjściowegonapięcianiezrównowaŜeniapoprzezdoprowadzeniedo

wejściaróŜnicowego,odpowiedniejwartościnapięciatakiej,abyuzyskaćzerowąwartośćnapięcia

na wyjściu. W praktyce, kompensacja ta odbywa się za pomocą potencjometru P dołączonego do

specjalniewyprowadzonychkońcówekwzmacniacza,jaktopokazanonarys.2.3.

Rys.2.3.Kompensacja(równowaŜenie,zerowanie)napięcianiezrównowaŜeniaWO

A741

(a)irozmieszczeniejegokońcówek(b)

2.3.Wzmacniaczoperacyjnyidealny

W analizie pracy WO z róŜnymi rodzajami sprzęŜeń zwrotnych korzysta się często z jego

wyidealizowanegomodelujakimjestWOidealny.

W tab. 2.1. przedstawiono podstawowe parametry jakimi powinien charakteryzować się

wzmacniacz idealny w zestawieniu z parametrami masowo produkowanego i najpowszechniej

stosowanego wzmacniacza

A 741 firmy FAIRCHILD (odpowiednik polski ULY 7741N) oraz z

typowymiprzedziałamiwartościparametrówobecnieuŜywanychWO.

Tab.2.1.

Wzmacniacz

idealny

A741 InneWO

WzmocnienieróŜnicoweA U

V/V

10 5 10 4 ...10 7

RezystancjawejściowaróŜnicowaR ID M

1 0,05...10 4

RezystancjawyjściowaR O

75 50...200

Częstotliwośćgranicznaf T

MHz

1 1...100

gdzie:

RÓśNICOWEWZMOCNIENIENAPIĘCIOWE.A U stosunek napięcia wyjściowego do

róŜnicowego napięcia na wejściu przy

otwartejpętlisprzęŜeniazwrotnego,

WEJŚCIOWAREZYSTANCJARÓśNICOWAR ID rezystancja występująca między

wejściowymizaciskamiWO,

REZYSTANCJAWYJŚCIOWAR O rezystancjawystępującamiędzyzaciskiem

wyjściowym a masą we wzmacniaczu

zrównowaŜonym z otwartą pętlą

sprzęŜeniazwrotnego,

CZĘSTOTLIWOŚĆGRANICZNAf T największaczęstotliwość,przyktórej

(PASMOWZMOCNIENIAJEDNOSTKOWEGO) wzmocnienie róŜnicowe jest równe

w z m o c n i e n i u m a k s y m a l n e m u

(wzmocnieniudlaprądustałego).

Z danych zawartych w tabl. 2.1. wynika, Ŝe właściwości idealnego WO stanowią pewną granicę

teoretyczną,doktórejzbliŜająsięparametrypowszechniekonstruowanychWO.

3.Podstawoweukładypracywzmacniaczyoperacyjnych

3.1.Wstęp

WOmogąpracowaćwwieluróŜnychkonfiguracjachukładowych.NajprostsząmoŜliwościąjest

zastosowanie układu z otwartą pętlą sprzęŜenia zwrotnego. W tym przypadku WO pracuje jako

komparatornapięcia,toznaczyjuŜprzyniewielkichwartościachróŜnicowegonapięciawejściowego

wchodzi,zaleŜnieodznakutegonapięcia,wjedenzdwóchstanównasycenia.

Jegopracajestwtymukładziebardzoniestabilna.

WOsąstosowaneprzedewszystkimwukładachzzewnętrznymujemnymsprzęŜeniemzwrotnym.

SprzęŜenie to polepsza właściwości wzmacniacza zmniejsza nieliniowość charakterystyk i

niezrównowaŜenie,poszerzapasmo,poprawiastałośćparametrówiumoŜliwiadobórwzmocnienia.

PoniŜejomówionokilkapodstawowychukładówpracyWOprzyzałoŜeniu,Ŝejegowłaściwościsą

idealne.

3.2.Wzmacniaczodwracający

Wzmacniacz odwracający stanowi taki układ włączenia WO w którym sygnał wejściowy jest

podanynawejścieodwracającerys.3.1.

Rys.3.1.Wzmacniaczodwracający.

PrzyjmującA U

= 0

a to oznacza, Ŝe potencjał punktu „0” jest w przybliŜeniu równy potencjałowi na wejściu

nieodwracającym, a więc jest bliski potencjałowi masy. Z tego powodu punkt „0” jest nazywany

punktem„masypozornej”.

PrzyjmującR ID

=−

a stąd wzmocnienie napięciowe wzmacniacza odwracającego (wzmocnienie układu ze

sprzęŜeniemzwrotnym)wynosi:

= =− 2

DobierającrezystancjęR 2 (najczęściejR 1 =const)moŜnauzyskaćwymaganewzmocnienie.

WprzypadkugdyR 1 =R 2 otrzymujesięinwerterowzmocnieniu1.

Rezystancjawejściowawzmacniaczaodwracającego:

= =

PoniewaŜrezystancjaR 1 jestniewielkatorównieŜiR I jestniewielka.

Wpraktyceczęstowłączasiępomiędzymasęawejście„+”dodatkowyrezystorowartościrównej

rezystancji połączenia równoległego R 1 i R 2 , gdyŜ w tym przypadku uzyskuje się najlepszą

kompensacjębłęduspowodowanegonapięciemniezrównowaŜenia.

otrzymujemy:

moŜnałatwozauwaŜyć,ŜedowejśćWOniewpływająŜadneprądy(I =0oraz

I + =0)azatemprądwrezystorzeR 1 jestrównyprądowiwrezystorzeR 2 (narys.3.1.oznaczonyjako

I 1 ).

BiorącpoduwagępowyŜszedwaspostrzeŜeniamoŜemynapisać:

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: