Strona 1/11
BADANIE WZMACMIACZA OPRRACYJNEGO
l. Wiadomości wstępne
Wzmacniacz operacyjny jest obecnie podstawowym, najbardziej rozpowszechnionym
analogowym układem scalonym. Wynika to z jego uniwersalnego zastosowania. Pierwsze
egzemplarze, opracowane w latach 40. i 50., służyły do wykonywania operacji matematycznych -
stąd też pochodzi ich nazwa. Zakres zastosowań rozszerzał się w miarę udoskonalania właściwości
wzmacniaczy oraz po wprowadzeniu do produkcji wzmacniaczy w postaci modułowej, a następnie
monolitycznych układów scalonych. Obecnie, obok zastosowań w maszynach analogowych,
wzmacniacze operacyjne są szeroko stosowane w przetwornikach sygnałowych i przeliczających,
układach regulacji i sterowania, układach pomiarowych i generacyjnych, przetwornikach analogowo-
cyfrowych i cyfrowo-analogowych. Ogólny symbol wzmacniacza operacyjnego przedstawiono na
rys. 1. Wzmacniacz operacyjny posiada dwa wejścia i jedno wyjście. Wyróżniamy wejście
odwracające fazę sygnału (-) i wejście nieodwracające (+). Charakteryzuje się on k - krotnym
wzmocnieniem sygnału wejściowego.
l. l. Podział wzmacniaczy operacyjnych
Wzmacniacze operacyjne mogą pracować w wielu różnych konfiguracjach układowych bez i z
wykorzystaniem sprzężenia zwrotnego. Sprzężenie zwrotne polega na przeniesieniu części sygnału
wyjściowego na wejście układu. Przy sumowaniu przeniesionego sygnału z sygnałem wejściowym
mamy do czynienia ze sprzężeniem dodatnim. Jeżeli przeniesienie sygnału powoduje zmniejszenie
sygnału wejściowego, to w układzie występuje sprzężenie zwrotne ujemne. Wzmacniacze operacyjne
pracują przeważnie w układach z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Sprzężenie to polepsza
właściwości wzmacniacza - zmniejsza nieliniowość charakterystyk i niezrównoważenie, poszerza
pasmo przenoszenia, poprawia stałość parametrów, umożliwia dobór wzmocnienia sygnału
wejściowego.
W zależności od sposobu doprowadzenia sygnału wejściowego można wyróżnić:
- wzmacniacz z wejściem niesymetrycznym:
a ) odwracający fazę sygnału wejściowego - rys. 2a ;
b ) nieodwracający fazy sygnału wejściowego - rys. 2b;
- wzmacniacz z wejściem symetrycznym (wzmacniacz różnicowy) – rys. 2c.
Ze względu na realizowaną funkcję wyróżniamy;
- wzmacniacz sumujący (sumator) - rys. 3a;
- wzmacniacz całkujący (integrator) - rys. 3b;
- wzmacniacz różniczkujący - rys. 3c.
Ze względu na sposób realizacji korekcji częstotliwościowej wyróżniamy :
- wzmacniacz z korekcją wewnętrzną { elementy korekcyjne wbudowane są w strukturę
wzmacniacza);
- wzmacniacz z korekcją zewnętrzną elementy korekcyjne dołączane są do specjalnych
wyprowadzeń zewnętrznych wzmacniacza).
Zależności określające napięcia wyjściowe poszczególnych układów pracy wzmacniacza
zestawiono w tabeli 1.
Badanie wzmacniacza operacyjnego
Strona 2/11
Tab.1 Zależności określające napięcia wyjściowe poszczególnych układów pracy wzmacniacza
Lp
Typ wzmacniacza (nr rys.)
*
Napięcie wyjściowe
**
1
Odwracający (rys. 3. 2a)
R
2
U
2
U
1
R
1
2
Nieodwracający (rys. 3. 2b)
R
U
R
1
2
2
U
1
R
1
3
Różnicowy (rys. 3.2c)
R
U
R
R
R
1
2
4
2
2
U
U
12
11
R
R
R
R
3
4
1
1
4
Sumujący (rys. 3. 3a)
R
U
(
U
U
U
)
2
11
12
1
n
R
1
5
Całkujący (rys. 3. 3b)
1
U
RC
U
U
dt
2
1
20
6
Różniczkujący (rys. 3. 3c)
dU
RU
1
2
dt
*
- nr rys. pokazującego dany układ wzmacniacza,
*
- wartości elementów i odpowiednich napięć przedstawionych
na rysunku.
Zależności opisujące podstawowe układy pracy wzmacniacza operacyjnego otrzymano przy
założeniu, że właściwości wzmacniacza są idealne. Taka idealizacja stwarza możliwość
uproszczonej analizy działania układów, obarczonej stosunkowo niewielkim błędem. Przy analizie
bardziej dokładnej; na1eży brać pod uwagę ograniczenia wynikające z rzeczywistych właściwości
zastosowanego wzmacniacza.
1.2. Podstawowe parametry wzmacniacza operacyjnego
Właściwości wzmacniacza operacyjnego określają następujące parametry:
wzmocnienie napięciowe (k
u
) przy otwartej pęt1i sprzężenia zwrotnego – stosunek zmiany
napięcia wyjściowego U
2
do wywołującej ją zmiany różnicowego napięcia wejściowego
(U
11
-U
12
):
U
k
u
2
U
(1. 1)
(
U
)
11
12
pasmo przenoszenia (f) – zakres częstotliwości od f = 0Hz do f
g
, przy której wartość
wzmocnienia napięciowego maleje o 3dB w stosunku do wartości wzmocnienia sygnału
stałego,
rezystancja wejściowa (R
we
) - rezystancja mierzona między jednym z wejść a masą przy drugim
wejściu uziemionym,
rezystancja wyjściowa (R
wy
) - rezystancja mierzona między wyjściem a masą, przy zerowym
napięciu wejściowym,
wejściowe napięcie niezrównoważenia (U
n
) – napięcie jakie należy doprowadzić do wejścia
układu, aby napięcie wyjściowe było równe zeru. Idealny wzmacniacz operacyjny ma
następujące parametry:
nieskończenie duże wzmocnienie napięciowe przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego – k
u
=,
nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia częstotliwości - f=∞,
nieskończenie duża rezystancja wejściowa - R
we
=∞,
Badanie wzmacniacza operacyjnego
Strona 3/11
rezystancja wyjściowa równa zeru - R
wy
=0,
wejściowe napięcie niezrównoważenia równe zeru - U
n
=0,
zerowy prąd wejściowy - I
1
=0,
nieskończenie duży dopuszczalny prąd wyjściowy - I
2
=∞,
niezależność parametrów od zmian temperatury.
Takie właściwości nie są w praktyce osiągalne. Rzeczywiste właściwości wzmacniacza
opisują parametry katalogowe. Typowy wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się następującymi
parametrami:
k
u
= 10
4
10
6
V/V,
f = 0 f
g
, gdzie f
g
=40kHz 70MHz,
R
we
= 50k 50M,
R
wy
= 50 200,
U
n
= 0,5 50mV.
1.3. Charakterystyki wzmacniacza operacyjnego
Właściwości wzmacniacza operacyjnego opisują podstawowe charakterystyki: statyczna
(przenoszenia), częstotliwościowa i obciążenia. Charakterystyką statyczną wzmacniacza nazywamy
zależność napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego, U
2
= f(U
1
). Charakterystyką
częstotliwościową nazywamy zależność wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego od
częstotliwości sygnału wejściowego, k
u
= f(f). Charakterystyką obciążenia nazywamy zależność
wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego od rezystancji obciążenia, k
u
= f(R
o
).
Typową charakterystykę statyczną i częstotliwościową przedstawiono na rys. 4
Badanie wzmacniacza operacyjnego
Strona 4/11
Badanie wzmacniacza operacyjnego
Strona 5/11