Wydział: MT Gliwice, dn. 13.05.2001r
Kierunek: AiR
Sem.: VI
Gr. Dziek.: III
Mateja Mateusz
Elektronika i techniki mikroprocesorowe
Wzmacniacz operacyjny
W technice układów przetwarzających sygnały analogowe w miejsce elementów i układów o konkretnych wyspecjalizowanych cechach i przeznaczeniu wprowadzono układy uniwersalne, utworzone ze złożonych struktur scalonych umożliwiających ich zastosowanie do różnych skomplikowanych operacji liniowych i nieliniowych. Układem takim okazał się wzmacniacz operacyjny (WO), który jest wzmacniaczem prądu stałego ze sprzężeniem bezpośrednim o dużym wzmocnieniu oraz odwracającym fazę sygnału wyjściowego. Cechy te powodują, że wzmacniacz operacyjny pracuje z reguły układach z zewnętrzną pętlą sprzężenia zwrotnego, przy czym parametry całego układu zadawane są przez obwód zewnętrzny, zawierający elementy bierne o ściśle określonych wartościach, a właściwości samego wzmacniacza w nieznacznym tylko stopniu wpływają na parametry robocze i charakterystyki całego układu. Historycznie biorąc, pojęcie wzmacniacza operacyjnego oznaczało początkowo układ realizujący różnorodne operacje matematyczne, takie jak sumowanie, całkowanie i inne, niezbędne w maszynach analogowych. Wprowadzenie technologii monolitycznych układów scalonych, która przyczynia się do zmniejszenia rozmiarów i kosztów wytwarzania wzmacniaczy operacyjnych, jednocześnie polepszając ich właściwości, spowodowało rozpowszechnienie i rozszerzenie zakresu ich zastosowań.
Różnorodność zastosowań WO powoduje, że obecnie na świecie produkuje się kilkadziesiąt podstawowych ich typów o parametrach dostosowanych do konkretnych celów, przy czym można je podzielić na kilka grup:
a) wzmacniacze ogólnego przeznaczenia,
b) wzmacniacze szerokopasmowe o szybkiej odpowiedzi,
c) wzmacniacze do zastosowań dokładnych o dużej rezystancji wejściowej, małym dryfcie i małych szumach,
d) wzmacniacze do zastosowań specjalnych np. w technice kosmicznej i militarnej lub medycznej.
Pierwszymi scalonymi WO ogólnego przeznaczenia, które zyskały dużą popularność, był układy μA 702 i μA 709 firmy Fairchild oraz produkowane przez wiele firm ich odpowiedniki. Wymagały one dołączenia zewnętrznych elementów kompensacji częstotliwości oraz zabezpieczenia wyjścia przed zwarciem do masy. Następcą ich, pozbawionym tych wad, jest układ μA 741 jako najbardziej obecnie rozpowszechniony uniwersalny WO, ciągle jeszcze stosowany, pomimo wprowadzenia wielu nowocześniejszych konstrukcji.
Właściwości idealnego i rzeczywistego WO
Wejście, któremu odpowiada przesunięcie fazy sygnału wyjściowego o 180°, nazywa się odwracającym i oznaczane jest (-), drugie, nie zmieniające fazy sygnału – nieodwracającym i oznaczone jest (+). WO zasila się z dwóch źródeł napięcia o przeciwnych znakach i połączonych ze wspólnym punktem odniesienia zwanym masą. Idealny WO powinien mieć właściwości źródła napięciowego sterowanego napięciem i wzmacniać różnicę napięć wejściowych ze współczynnikiem wzmocnienia A, czyli
Charakterystyczne jego cechy to:
a) nieskończenie duże wzmocnienie przy otartej pętli sprzężenia zwrotnego, czyli ,
b) rezystancja wyjściowa równa zeru,
c) nieskończenie szerokie pasmo częstotliwości przenoszonych sygnałów,
d) napięcie wyjściowe równe zeru przy zerowej wartości różnicowego napięcia wejściowego,
e) zerowy prąd wejściowy, co związane jest z nieskończenie dużą rezystancją wejściową,
f) niewrażliwość na zmiany temperatury,
g) brak zniekształceń sygnału.
Parametry te dla rzeczywistych WO odbiegają od podanych i mają przeciętnie następujące wartości:
a) wzmocnienie różnicowe do ,
b) rezystancja wyjściowa ,
c) pasmo przenoszenia kilka MHz,
d) rezystancja wejściowa 1 do 10 .
Przy analizie układów elektrycznych i elektronicznych zawierających wzmacniacze operacyjne lub na wstępnym etapie projektowania takich układów wystarczające może być założenie, że zastosowane wzmacniacze są idealne. W dokładniejszej analizie układów z WO lub dalszej fazie ich projektowania, należy ustalić rzeczywiste parametry WO oraz dopuszczalne ich zmiany w funkcji czasu, temperatury i napięcia zasilania oraz wpływ na właściwości całego układu. Najważniejszymi parametrami, na które przede wszystkim należy zwrócić uwagę, są wartości wejściowego napięcia nie zrównoważenia, wejściowych prądów polaryzacji, cieplnego współczynnika ich zmian, wartości częstotliwości granicznej oraz przy dużych sygnałach wyjściowych wartość maksymalnej szybkości narastania napięcia wyjściowego, a także w układach różnicowych, nieodwracających i przy małych wzmocnieniach wartość współczynnika tłumienia sygnału sumacyjnego (CMRR).
___________________
Nazwa wzmacniacz operacyjny wywodzi się z początkowych zastosowań wzmacniaczy, zbudowanych najpierw z elementów lampowych, następnie z elementów dyskretnych (tranzystorów), do realizacji pewnych operacji matematycznych takich jak dodawanie, mnożenie, dzielenie, logarytmowanie itp.
Obecnie pod pojęciem wzmacniacz operacyjny rozumie się scalony układ analogowy zapewniający uniwersalne zastosowania profesjonalne. Wzmacniacz operacyjny (WO) jest to układ scalony, który spełnia następujące warunki:
- bardzo duże wzmocnienie napięciowe β z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego, β≥1000 V/V (przykładowo dla μA 741, V/V),
- bezpośrednie sprzężenie, to jest możliwość wzmacniania napięć stałych i zmiennych,
- możliwość odwracania fazy sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału wejściowego (zmiana fazy o 180°).
Większość scalonych wzmacniaczy operacyjnych posiada dwa symetryczne wejścia:
a) odwracające fazę oznaczone (-). Jeżeli na t wejście zostanie podany sygnał, który posiada dowolny dodatni przyrost (), to sygnał wyjściowy posiada ujemny przyrost (-),
b) nie odwracające fazy oznaczone (+). Dodatniemu przyrostowi dla sygnału wejściowego odpowiada dodatni przyrost sygnału wyjściowego.
Większość wzmacniaczy scalonych posiada jedno wyjście niesymetryczne.
Wzmacniacz operacyjny wzmacnia różnicę napięć (), a więc realizuje funkcję
.
Idealny wzmacniacz operacyjny powinien spełniać właściwości idealnego źródła napięciowego sterowanego różnicą napięć. Zatem wzmacniacz taki powinien spełniać warunki:
- nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (),
- impedancja (rezystancja) wejściowa nieskończenie duża (),
- impedancja (rezystancja) wyjściowa równa zeru (),
- nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia częstotliwości sygnału,
- zerowe prądy wejściowe (, ),
- prąd wyjściowy określony tylko przez obciążenie zewnętrzne.
Oczywiście, model taki jest modelem czysto teoretycznym, gdyż takie źródło mogłoby wydawać nieskończenie dużą moc, podobnie jak idealne autonomiczne źródło napięcia.
Ciągły rozwój technologii układów scalonych powoduje że parametry rzeczywistego wzmacniacza w przybliżeniu odpowiadają powyższym warunkom. W wielu zastosowaniach analizy i syntezy obwodów ze wzmacniaczami operacyjnymi przyjmuje się właśnie taki model idealny, uzyskując przez to znacznie uproszczoną analizę i syntezę obwodów oraz bardzo przejrzyste wyniki. W dalszej części rozważać będziemy układy dla których zakłada się, że zastosowany wzmacniacz operacyjny można traktować jako idealny.
Podstawowe układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
W niniejszym ćwiczeniu zajmować się będziemy tylko niektórymi prostymi układami złożonymi z jednego wzmacniacza operacyjnego oraz rezystorów liniowych. Układy takie, przy przyjęciu idealnego wzmacniacza operacyjnego, należą do grupy układów bezinercyjnych i za ich pomocą realizować tylko niektóre proste operacje matematyczne, które zostaną poniżej omówione.
· Wzmacniacz odwracający fazę