2.1Wiadomościwstępne
Wzmacniacz operacyjny jest wzmacniaczem charakteryzującym się bardzo duŜym
wzmocnieniemiprzeznaczonymzregułydopracywukładziezzewnętrznymobwodemujemnego
sprzęŜeniazwrotnego.Właściwościtegoobwodudecydująwgłównejmierzeowłaściwościachcałego
układu.
Większośćwzmacniaczyoperacyjnychma symetryczne (róŜnicowe) wejścia i niesymetryczne
wyjście.Narys.2.1pokazanopowszechniestosowanysymboltakiegowzmacniacza.
Rys.2.1.Symbolwzmacniaczaoperacyjnego.
1
ZASTOSOWANIAWZMACNIACZY
OPERACYJNYCH
względemsygnałuprzyłoŜonegodotegowejścia.
ZaciskWE2 oznaczony„+”jestwejściem nieodwracającym,poniewaŜsygnałwyjściowyjestw
faziezsygnałemdoprowadzonymdotegowejścia.
°
WzmacniaczoperacyjnymoŜepracowaćwukładzieo wejściu niesymetrycznym,jeŜelisygnał
wejściowy poda się na jedno z dwóch wejść WE1 lub WE2 (sygnał przyłączony jest pomiędzy
zaciskiemwejściowym,amasąprzydrugimzaciskudołączonymdomasy).Wukładzieo wejściu
symetrycznymsygnałwejściowydoprowadzasięmiędzywejściaWE1iWE2wzmacniacza.Sygnał
takinazywasięsygnałemróŜnicowym.
NapięciewyjściowejestproporcjonalnedowartościsygnałuróŜnicowego,czylidoróŜnicynapięć
wejściowychzgodniezzaleŜnością:
U A U U A U
= − =
U WE
(
1
WE
2
)
U d
gdzie:
U
WE1
,U
WE2
napięciawejściowe,
U
WY
napięciewyjściowe,
U
d
róŜnicowenapięciewejściowe,
A
U
wzmocnienienapięciowewzmacniaczazotwartąpętląsprzęŜenia
zwrotnego(wzmocnienieróŜnicowe).
WaŜną właściwością wzmacniacza operacyjnego, (dalej skrótowo oznaczanego WO) jest to, Ŝe
sygnałnawyjściupowinienbyćrównyzeru,gdynaobuwejściachwystępująjednakowesygnały
względem masy. Jednakowy sygnał podany na oba wejścia jest nazywany sygnałem wspólnym
(współbieŜnym).Mówisię,ŜeWOtłumisygnałwspólny.
2.2.Charakterystykaprzenoszenia
Na rys. 2.2. przedstawiono charakterystykę przenoszenia WO z otwartą pętlą sprzęŜenia
zwrotnegoorazpodstawowyukładdopomiarutejcharakterystyki.
Rys.2.2.Charakterystykaprzenoszeniawzmacniaczaoperacyjnego.
2
ZaciskWE1 oznaczony„”nasinazwęwejściaodwracającego,poniewaŜsygnałwyjściowyjest
odwróconywfazieo180
WY
Na tej charakterystyce moŜna wyróŜnić 3 zakresy pracy WO: zakres pracy liniowej i 2 zakresy
nasycenia.Wzakresiepracyliniowejnapięciewyjściowejestokreślonewzorem:
U A U
WY
U WE
W zakresie nasycenia napięcie wyjściowe przyjmuje dodatnią, albo ujemną wartość napięcia
nasycenia,którejestzwyklemniejszecodowartościbezwzględnej,o1do2Vodnapięciazasilania.
Zakres liniowości WO pracującego bez sprzęŜenia zwrotnego jest bardzo mały. Przykładowo, gdy
WO ma napięcie nasycenia rzędu
10V, a wzmocnienie A
U
wynosi 100000V/V, wówczas zakres
liniowościnapięciawejściowegoznajdujesięwprzedziale
±
0,1mV.
PoprzekroczeniuzakresuliniowościWOprzechodzidostanunasycenia.NapięciewyjścioweWO
powinnobyćrównezeruprzyzerowejróŜnicynapięćwejściowych(U
WE
=0).
W rzeczywistości występuje w tej sytuacji pewne napięcie, nazywane wyjściowym napięciem
niezrównowaŜenia.
Na rys. 2.2. linią przerywaną przedstawiono charakterystykę przenoszenia dla przypadku, gdy
wyjściowenapięcieniezrównowaŜeniajestwiększeodzera(
±
U
WY
>0).NowoczesneWOposiadają
moŜliwośćprostejkompensacjiwyjściowegonapięcianiezrównowaŜeniapoprzezdoprowadzeniedo
wejściaróŜnicowego,odpowiedniejwartościnapięciatakiej,abyuzyskaćzerowąwartośćnapięcia
na wyjściu. W praktyce, kompensacja ta odbywa się za pomocą potencjometru P dołączonego do
specjalniewyprowadzonychkońcówekwzmacniacza,jaktopokazanonarys.2.3.
Rys.2.3.Kompensacja(równowaŜenie,zerowanie)napięcianiezrównowaŜeniaWO
A741
(a)irozmieszczeniejegokońcówek(b)
2.3.Wzmacniaczoperacyjnyidealny
W analizie pracy WO z róŜnymi rodzajami sprzęŜeń zwrotnych korzysta się często z jego
wyidealizowanegomodelujakimjestWOidealny.
W tab. 2.1. przedstawiono podstawowe parametry jakimi powinien charakteryzować się
wzmacniacz idealny w zestawieniu z parametrami masowo produkowanego i najpowszechniej
stosowanego wzmacniacza
A 741 firmy FAIRCHILD (odpowiednik polski ULY 7741N) oraz z
typowymiprzedziałamiwartościparametrówobecnieuŜywanychWO.
3
=
µ
µ
Tab.2.1.
Wzmacniacz
idealny
µ
A741
InneWO
WzmocnienieróŜnicoweA
U
V/V
10
5
10
4
...10
7
RezystancjawejściowaróŜnicowaR
ID
M
1 0,05...10
4
RezystancjawyjściowaR
O
0
75 50...200
Częstotliwośćgranicznaf
T
MHz
1 1...100
gdzie:
RÓśNICOWEWZMOCNIENIENAPIĘCIOWE.A
U
stosunek napięcia wyjściowego do
róŜnicowego napięcia na wejściu przy
otwartejpętlisprzęŜeniazwrotnego,
WEJŚCIOWAREZYSTANCJARÓśNICOWAR
ID
rezystancja występująca między
wejściowymizaciskamiWO,
REZYSTANCJAWYJŚCIOWAR
O
rezystancjawystępującamiędzyzaciskiem
wyjściowym a masą we wzmacniaczu
zrównowaŜonym z otwartą pętlą
sprzęŜeniazwrotnego,
CZĘSTOTLIWOŚĆGRANICZNAf
T
największaczęstotliwość,przyktórej
(PASMOWZMOCNIENIAJEDNOSTKOWEGO) wzmocnienie róŜnicowe jest równe
w z m o c n i e n i u m a k s y m a l n e m u
(wzmocnieniudlaprądustałego).
Z danych zawartych w tabl. 2.1. wynika, Ŝe właściwości idealnego WO stanowią pewną granicę
teoretyczną,doktórejzbliŜająsięparametrypowszechniekonstruowanychWO.
3.Podstawoweukładypracywzmacniaczyoperacyjnych
3.1.Wstęp
WOmogąpracowaćwwieluróŜnychkonfiguracjachukładowych.NajprostsząmoŜliwościąjest
zastosowanie układu z otwartą pętlą sprzęŜenia zwrotnego. W tym przypadku WO pracuje jako
komparatornapięcia,toznaczyjuŜprzyniewielkichwartościachróŜnicowegonapięciawejściowego
wchodzi,zaleŜnieodznakutegonapięcia,wjedenzdwóchstanównasycenia.
Jegopracajestwtymukładziebardzoniestabilna.
WOsąstosowaneprzedewszystkimwukładachzzewnętrznymujemnymsprzęŜeniemzwrotnym.
SprzęŜenie to polepsza właściwości wzmacniacza zmniejsza nieliniowość charakterystyk i
niezrównowaŜenie,poszerzapasmo,poprawiastałośćparametrówiumoŜliwiadobórwzmocnienia.
PoniŜejomówionokilkapodstawowychukładówpracyWOprzyzałoŜeniu,Ŝejegowłaściwościsą
idealne.
3.2.Wzmacniaczodwracający
Wzmacniacz odwracający stanowi taki układ włączenia WO w którym sygnał wejściowy jest
podanynawejścieodwracającerys.3.1.
4
Rys.3.1.Wzmacniaczodwracający.
PrzyjmującA
U
U
=
0
U
A
WY
d
U
a to oznacza, Ŝe potencjał punktu „0” jest w przybliŜeniu równy potencjałowi na wejściu
nieodwracającym, a więc jest bliski potencjałowi masy. Z tego powodu punkt „0” jest nazywany
punktem„masypozornej”.
PrzyjmującR
ID
U
R
WE
=−
U
R
WY
1
2
a stąd wzmocnienie napięciowe wzmacniacza odwracającego (wzmocnienie układu ze
sprzęŜeniemzwrotnym)wynosi:
U
U
R
R
A
= =−
2
1
WY
uf
WE
DobierającrezystancjęR
2
(najczęściejR
1
=const)moŜnauzyskaćwymaganewzmocnienie.
WprzypadkugdyR
1
=R
2
otrzymujesięinwerterowzmocnieniu1.
Rezystancjawejściowawzmacniaczaodwracającego:
R
I
WE
= =
1
U
I
R
1
PoniewaŜrezystancjaR
1
jestniewielkatorównieŜiR
I
jestniewielka.
Wpraktyceczęstowłączasiępomiędzymasęawejście„+”dodatkowyrezystorowartościrównej
rezystancji połączenia równoległego R
1
i R
2
, gdyŜ w tym przypadku uzyskuje się najlepszą
kompensacjębłęduspowodowanegonapięciemniezrównowaŜenia.
5
otrzymujemy:
moŜnałatwozauwaŜyć,ŜedowejśćWOniewpływająŜadneprądy(I
=0oraz
I
+
=0)azatemprądwrezystorzeR
1
jestrównyprądowiwrezystorzeR
2
(narys.3.1.oznaczonyjako
I
1
).
BiorącpoduwagępowyŜszedwaspostrzeŜeniamoŜemynapisać: