WZMACNIACZE OPERACYJNE.
Wzmacniacz operacyjny jest analogowym układem scalonym, zbudowanym z zespołu tranzystorów, rezystorów i kondensatorów. Podstawową zaletę tego typu układu stanowi możliwość wykorzystania go w wielu konfiguracjach i do wielu różnych celów, przy jednoczesnej konieczności stosowania jedynie niewielkiej liczby elementów zewnętrznych.
Symbol graficzny wzmacniacza operacyjnego OP07.
Wejście oznaczone nr 2 jest tak zwanym wejściem odwracającym (odwraca fazę sygnału wejściowego), wejście oznaczone nr 3 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, dla innych typów będą to inne numery końcówek).
Najprostszy schemat zastępczy wzmacniacza operacyjnego.
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
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).
Wzmacniacz
idealny
inne WO
Wwzmocnienie różnicowe AU
V/V
® ¥
104...107
Rezystancja wejściowa różnicowa RID
MW
® ¥
0,05...104
Rezystancja wyjściowa RO
W
® 0
50...200
Częstotliwość graniczna fT
MHz
® ¥
1...100
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 (układ wzmacniający napięcie nie zmieniający fazy sygnału),
· wzmacniacz nieodwracający (układ wzmacniający napięcie zmieniający fazę sygnału o 180°),
· sumator (układ dodający napięcia),
· komparator (układ porównujący napięcia),
· wzmacniacz całkujący,
· wzmacniacz różniczkujący,
· wtórnik napięciowy,
· źródło prądowe,
· prostownik małych napięć,
· generator,
· konwerter prąd – napięcie,
· przesuwnik fazy,
· prostownik idealny.
Procedura do przeprowadzenia analizy pracy wzmacniacza operacyjnego:
1. Zakłada się, że rezystancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego jest nieskończenie duża (wzmacniacz nie pobiera prądów wejściowych), wartości prądów polaryzujących są równe zeru: ;
2. Literami oznacza się węzły na schemacie (np. A, B) i ich potencjały (np. UA, UB).
3. Zaznacza się prądy płynące w układzie (np. I1, I2).
4. Korzystając z praw Kirchhoffa, układa się równania dla węzłów znajdujących się w układzie (np. dla węzła A i B).
5. 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.
6. Korzystając z prawa Ohma, układa się równania dla poszczególnych prądów.
7. Na podstawie otrzymanych równań wyznacza się zależność napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego (ewentualnie napięć wejściowych).
WZMACNIACZ ODWRACAJĄCY FAZĘ
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:;
Węzeł B jest połączony przez rezystor R3 do masy układu, zatem potencjał w punkcie B jest równy zeru, jest to tak zwany punkt masy pozornej.
Zgodnie z 6 i 7 punktem procedury, równania poszczególnych prądów są następujące:
; ;
Ponieważ ; ; otrzymujemy napięcie na wyjściu równe: ; a wzmocnienie układu wynosi ;
przy czym znak „ - „ oznacza odwrócenie fazy napięcia wyjściowego względem napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa układu jest równa R1, ponieważ punkt A jest punktem masy pozornej. Rezystancję wyjściową określa się zgodnie z zależnością obowiązującą dla układu ze sprzężeniem zwrotnym napięciowym równoległym.
W celu uzyskania kompensacji błędu (napięcia niezrównoważenia) spowodowanego różnymi pod względem wartości prądami polaryzującymi Iwe+ i Iwe- (Iwe+ ¹ Iwe- ¹ 0), wartość rezystancji R3 powinna być równa wartości rezystancji wynikającej z równoległego połączenia rezystorów R1 i R...