Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest badanie podstawowych układów pracy wzmacniaczy operacyjnych.
Wymagania
1.
Zasada działania wzmacniacza operacyjnego.
2.
Ujemne sprzężenie zwrotne.
3.
Parametry wzmacniacza: wzmocnienie, pasmo, oporność wejściowa i wyjściowa, itp.
4.
Działanie wzmacniacza odwracającego.
5.
Działanie wzmacniacza nieodwracającego.
6.
Działanie wzmacniacza całkującego (integratora).
7.
Działanie wzmacniacza sumującego (sumator analogowy).
8.
Działanie wzmacniacza różniczkującego.
Wstęp
Między zwykłym wzmacniaczem a wzmacniaczem operacyjnym nie ma w zasadzie różnicy,
oba służą do wzmacniania napięć lub mocy. O ile jednak sposób działania zwykłego wzmacniacza
zależy od jego budowy wewnętrznej, o tyle wzmacniacz operacyjny jest pomyślany tak, aby jego
sposób działania zależał głównie od zewnętrznych obwodów sprzężenia zwrotnego. W tym celu
wzmacniacze operacyjne maja stałoprądowe sprzężenie między stopniami i spoczynkowy potencjał na
wejściu i wyjściu równy zeru. Wzmacniacze te mają duże wzmocnienie napięciowe, duża rezystancję
wejściową i małą rezystancję wyjściową.
W tabeli poniżej przedstawiono typowe parametry scalonych wzmacniaczy operacyjnych bez
zewnętrznych elementów przy zasilaniu napięciem
±
15V.
Ujemne sprzężenie zwrotne
Podstawowy układ wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym jest przedstawiony na rysunku 1. Część
napięcia wyjściowego jest podawana powrotem do wejścia. Jeżeli napięcie sprzężenia zwrotnego jest
odejmowane od napięcia wejściowego to mówimy o
ujemnym sprzężeniu zwrotnym
, jeżeli jest
1
Tabela 1.
dodawane to o
dodatnim sprzężeniu zwrotnym.
W dalszych rozważaniach zajmiemy się tylko
ujemnym sprzężeniem zwrotnym.
Uwe
UR =Uwe - BUwy
wzmacniacz o wzmocnieniu
Ku
Uwy
BUwy
układ sprzężenia
zwrotnego B
Rys. 1. Zasada ujemnego sprzężenia zwrotnego.
2
W celu jakościowego zbadania układu z rysunku 1. założymy, że napięcie wyjściowe skacze
od zera do pewnej dodatniej wartości U
WE
. W pierwszej chwili napięcie U
wy
a zatem i napięcie
β
U
wy
jest jeszcze równe zero. Na wejściu wzmacniacza wystąpi więc napięcie U
R
= U
WE.
ponieważ napięcie
to zostaje wzmocnione z dużym dodatnim współczynnikiem wzmocnienia k
ur
, wobec tego napięcie
U
wy
szybko wzrasta w kierunku dodatnim, a wraz z nim także
β
U
wy
. Powoduje to zmniejszenie
napięcia U
R
. Fakt przeciwdziałania zmianom napięcia wejściowego przez zmiany napięcia
wyjściowego jest charakterystyczny dla ujemnego sprzężenia zwrotnego. Można stąd wnioskować, że
ustali się jakiś stabilny stan końcowy. Osiągnięty zostanie on wówczas, gdy napięcie wyjściowe
wzrośnie na tyle, że zostanie spełniony warunek
U
wy
= k
ur
U
R
= k
ur
(U
WE
-
β
U
wy
)
Po rozwiązaniu względem U
wy
otrzymamy
=
1.
Przejście do granicy dla
β
k
ur
≫
1daje wzór na wzmocnienie układu z ujemnym sprzężeniem
zwrotnym
2.
Przy tych założeniach wzmocnienie zależy tylko od zewnętrznych obwodów sprzężenia zwrotnego,
a nie zależy od wzmacniacza.
W najprostszym przypadku obwód sprzężenia zwrotnego składa się z dzielnika napięcia.
Układ pracuje wówczas jako liniowy wzmacniacz, a jego wzmocnienie zależy tylko od podziału
dzielnika, Jeśli w układzie sprzężenia zastosuje się układ RC to powstaje filtr aktywny. Można
stosować też nieliniowe elementy w sprzężeniu jak np. diody czy tranzystory i w ten sposób
realizować np. logarytmowanie czy potęgowanie.
3
=
≈
Cechy idealnego i rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego
Tabela 2. Porównanie parametrów idealnego i rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego.
W kolejnej tabeli przedstawiono podstawowe parametry jakimi powinien charakteryzować się
wzmacniacz idealny w zestawieniu z parametrami masowo produkowanego i najpowszechniej
4
stosowanego wzmacniacza A 741 firmy FAIRCHILD (odpowiednik polski ULY 7741N) oraz z
typowymi przedziałami wartości parametrów obecnie używanych wzmacniaczy operacyjnych.
Tabela 3. Por4ównanie parametrów wzmacniacza
μ
A 741 ze wzmacniaczem idealnym i innymi
wzmacniaczami operacyjnymi.
Wzmacniacz odwracający
Rys. 2. Wzmacniacz odwracający
Rysunek 2) przedstawia schemat wzmacniacza odwracającego. Sygnał wejściowy przez rezystor R
1
zostaje doprowadzony do wejścia odwracającego. Do tego samego wejścia przez rezystor R
2
doprowadza się z wyjścia napięcie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Wejście nieodwracające zostaje
uziemione
.
Analiza powyższego układu:
1) Wejście wzmacniacza operacyjnego nie pobiera żadnego prądu
(jego impedancja wejściowa jest bardzo duża). Dlatego prąd o natężeniu I
1
płynący przez opornik R
1
musi być kompensowany prądem I
2
płynącym przez opornik R
2
:
I
1
+ I
2
= 0
5