Wzmacniacz operacyjny. Strona 5
WZMACNIACZ OPERACYJNY
Wzmacniacze operacyjne są chyba najbardziej rozpowszechnionymi analogowymi układami scalonymi. Początek tych układów sięga czasów dla niektórych zupełnie historycznych, bo lat pięćdziesiątych XX wieku. Oczywiście nie było jeszcze wtedy mowy o takiej postaci tych układów jak obecnie. W tamtych czasach układy te stosowane były w maszynach analogowych i służyły jedynie do wykonywania operacji matematycznych, takich jak dodawanie czy całkowanie, stąd też pochodzi ich nazwa wzmacniacz operacyjny.
Wzmacniacz operacyjny opisywany jest jako wzmacniacz prądu stałego, czy jak kto woli wzmacniacz o sprzężeniach bezpośrednich, który charakteryzuje się bardzo dużym wzmocnieniem, wejściem różnicowym (symetrycznym) i wyjściem asymetrycznym - są również wzmacniacze z wyjściem symetrycznym.
Wzmacniacz operacyjny służy podobnie jak inne wzmacniacze do wzmocnienia napięcia czy też mocy, różni się jednak od zwykłych wzmacniaczy tym, że w przeciwieństwie do nich sposób jego działania zależy głównie od zastosowanego zewnętrznego obwodu sprzężenia zwrotnego (najczęściej silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego).
Na rysunku 6.1 przedstawiony jest przykładowy symbol graficzny wzmacniacza operacyjnego. Wejście oznaczone znakiem "-" jest tak zwanym wejściem odwracającym (odwraca fazę sygnału wejściowego), wejście oznaczone znakiem "+" to wejście nieodwracające, po przeciwnej stronie znajduje się wyjście wzmacniacza (w tym przypadku końcówka nr 1). Aby na wejściach i wyjściu mogły występować napięcia zarówno dodatnie jak i ujemne to układ musi być zasilany napięciami dodatnim i ujemnym podawanymi na końcówki 4 i 11 (oczywiście dotyczy to tego typu wzmacniacza jak na rys. 6.1 dla innych typów będą to inne numery końcówek).
rys. 6.1
Na rysunku 6.2 pokazany jest najprostszy schemat zastępczy wzmacniacza operacyjnego.
rys. 6.2
Na wejście odwracające doprowadzony jest sygnał UI2, na wejście nieodwracające UI1. Sygnał wejściowy występujący pomiędzy wejściami wzmacniacza jest nazywany sygnałem różnicowym Ud i jest równy różnicy sygnałów wejściowych UI1- UI2. Pomiędzy wejściami wzmacniacza występuje wejściowa rezystancja różnicowa Rd. Napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do wejściowego napięcia różnicowego Ud, a współczynnik Ku jest nazywany wzmocnieniem napięciowym wzmacniacza z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego (open loop gain). Napięcie na wyjściu wzmacniacza można, więc opisać zależnością
UO=Ku· (UI1- UI2)=Ku· Ud
Właściwości idealnego wzmacniacza operacyjnego można w skrócie przedstawić następująco:
· nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego,
· nieskończenie duża wejściowa impedancja zarówno różnicowa jak i pomiędzy każdym wejściem i masą,
· impedancja wyjściowa równa zeru,
· nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia częstotliwości,
· napięcie wyjściowe równe zeru przy równych napięciach wejściowych,
· zerowy prąd wejściowy,
· nieskończenie duży dopuszczalny prąd wyjściowy,
· nieskończenie duże tłumienie sygnału współbieżnego,
· niezmienność parametrów pod wpływem temperatury.
Oczywiście wszystkie te właściwości nie są osiągalne, ale upraszczają analizę wzmacniaczy i stanowią wyznacznik do osiągania najlepszych parametrów produkcyjnych wzmacniaczy.
Parametry wzmacniacza operacyjnego rzeczywistego:
· wzmocnienie napięciowe różnicowe Kur.
· wzmocnienie napięciowe sumacyjne Kus.
· współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego Hs.
· rezystancja (impedancja) wejściowa różnicowa rwer(Zwer).
· rezystancja (impedancja) wejściowa sumacyjna rwes(Zwes).
· rezystancja (impedancja) wyjściowa rwy (Zwy).
· wejściowy prąd polaryzacji Iwe.
· wejściowe napięcia niezrównoważenia Uwen.
· wejściowy prąd niezrównoważenia Iwen.
· Ddryfty: temperaturowy i czasowy wejściowego napięcia i prądu niezrównoważenia.
· parametry graniczne: maksymalne napięcie wejściowe Uwe max, maksymalne różnicowe napięcie wejściowe Uwer max, maksymalne napięcie wyjściowe Uwy max, maksymalny prąd wyjściowy Iwy max.
· napięcie Uz i moc Pz zasilania.
· szerokość pasma częstotliwości – określana częstotliwością graniczną fg, marginesem wzmocnienia A i marginesem fazy a.
· parametry odpowiedzi na skok napięcia: czas narastania tn, szybkość narastania S, przeregulowanie (przerzut) du.
WZMACNIACZE OPERACYJNE.
Wzmacniacze operacyjne stanowią największą grupę analogowych układów scalonych. Charakteryzują się następującymi właściwościami:
· bardzo dużym wzmocnieniem napięciowym (powyżej 10000 V/V czyli 80dB),
· wzmacniają prąd stały ,
· odwracają fazę sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału podawanego na wejściu odwracające (oznaczenie „ – „) lub zachowują zgodność w fazie jeżeli sygnał wejściowy jest podawany na wejście nieodwracające (oznaczenie „ + „),
· dużą rezystancję wejściową (MW),
· małą rezystancję wyjściową (W).
Rys. 10.8. Symbol wzmacniacza operacyjnego.
Podział wzmacniaczy ze względu na przeznaczenie:
· ogólnego przeznaczenia,
· szerokopasmowe,
· stosowane w urządzeniach dokładnych, gdzie wymagana jest duża rezystancja wejściowa, mały współczynnik cieplny i małe szumy,
· do zastosowań specjalnych.
Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych:
· układach analogowych, gdzie wykonują operacje: dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia, całkowania i różniczkowania,
· wzmacniaczach logarytmicznych,
· generatorach sygnałów: prostokątnych, trójkątnych i sinusoidalnych,
· filtrach,
· detektorach liniowych i detektorach wartości szczytowej,
· układach próbkujących z pamięcią.
Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych:
· wzmacniacz odwracający,
· wzmacniacz nieodwracający,
· wzmacniacz sumujący i odejmujący,
· wzmacniacz całkujący,
· wzmacniacz różniczkujący,
· wtórnik napięciowy,
· konwerter prąd – napięcie,
· przesuwnik fazy,
· prostownik idealny.
Procedura do przeprowadzenia analizy pracy wzmacniacza operacyjnego:
Zakłada się, że rezystancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego jest nieskończenie duża (wzmacniacz nie pobiera prądów wejściowych), wartości prądów polaryzujących są równe zeru
; (10.25)
Literami oznacza się węzły na schemacie (np. A, B) i ich potencjały (np. UA, UB).
Zaznacza się prądy płynące w układzie (np. I1, I2).
Korzystając z praw Kirchhoffa, układa się równania dla węzłów znajdujących się w układzie (np. dla węzła A i B).
Zakłada się, że różnica napięć jest prawie równe zeru, a co za tym idzie potencjał w punkcie A (UA) jest równy potencjałowi w punkcie B (UB). UB nazywamy masą pozorną lub „wirtualną” ziemią.
Korzystając z prawa Ohma, układa się równania dla poszczególnych prądów.
Na podstawie otrzymanych równań wyznacza się zależność napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego (ewentualnie napięć wejściowych).
WZMACNIACZ ODWRACAJĄCY
Rys.10.9. Schemat wzmacniacza odwracającego.
Schemat wzmacniacza przedstawiono na rysunku 10.9. Postępując zgodnie z procedurą na schemacie zaznaczone są węzły A i B i prądy płynące w układzie. Prąd płynący przez rezystor R1 jest równy prądowi płynącemu przez rezystor R2. Przy założeniu, iż jest nieskończenie duża rezystancja wejściowa oraz rezystancja wyjściowa równa zeru. W myśl tego otrzymujemy:
;
Dla węzła B nie układamy równania, gdyż prądy polaryzujące są równe zeru.
I zgodnie z założeniami zawartymi w procedurze, w punkcie 1 i 5 mamy:
...