Badanie wzmacniaczy operacyjnych.                            - 2 -

ZESPÓŁ SZKÓŁ ELEKTRONICZNO-ELEKTRYCZNYCH

W KOSZALINIE

Temat ćwiczenia:

Badanie wzmacniaczy operacyjnych.

Koszalin rok szk. 2002/2003

Wiadomości teoretyczne.

Wzmacniacz operacyjny jest to wzmacniacz o sprzężeniach bezpośrednich, charakteryzujący się bardzo dużym wzmocnieniem i przeznaczony jest z reguły do pracy z zewnętrznym obwodem ujemnego sprzężenia zwrotnego, przy czym właściwości tego obwodu decydują w głównej mierze o właściwościach całego układu. Większość wzmacniaczy operacyjnych ma symetryczne (różnicowe) wejście i niesymetryczne wyjście.

Wzmacniacz operacyjny na dwa wejścia: tzw. odwracające i nieodwracające i na ogół jedno wyjście. Jeśli do wejścia nieodwracającego (oznaczonego znakiem +) doprowadzimy sygnał, to pojawi się on na wyjściu w tej samej fazie, oczywiście wzmocniony. Sygnał przyłożony do wejścia odwracającego (oznaczonego znakiem -) pojawi się on na wyjściu w fazie przeciwnej. W typowym układzie pracy wzmacniacz operacyjny zasilany jest symetrycznie względem masy, dwoma napięciami. W ten sposób, jeśli oba napięcia wejściowe będą równe zeru, to i napięcie wyjściowe (w idealnie zrównoważonym wzmacniaczu) też będą równe zeru.

Wzmacniacz operacyjny jest w rzeczywistości wielostopniowym wzmacniaczem różnicowym, stąd wartość napięcia wyjściowego zależy od różnicy napięć wejściowych. Podstawowym więc parametrem WO (wzmacniacza operacyjnego) jest wzmocnienie napięciowe dla sygnału różnicowego:

KU =

Symbol wzmacniacza operacyjnego:

1. Właściwości idealnego wzmacniacza operacyjnego.

Idealny wzmacniacz operacyjny powinien charakteryzować się następującymi właściwościami:

- nieskończenie dużym wzmocnieniem przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego,

- nieskończenie szerokim pasmem przenoszenia częstotliwości.

- nieskończenie dużą impedancją wejściową, zarówno między wejściami, jak i między każdym z wejść a ziemią,

- impedancją wyjściową równą zeru,

- napięciem wyjściowym równym zeru przy równości napięć wejściowych,

- nieskończenie dużym, dopuszczalnym prądem wyjściowym,

- zerowym prądem wejściowym,

- wzmocnieniem idealnie różnicowym – tzn. nieskończenie dużym współczynnikiem tłumienia sygnału współbieżnego,

- zachowaniem powyższych właściwości przy zmianach temperatury,

Takie właściwości nie są wprawdzie osiągalne w praktyce, lecz stanowią teoretyczną granicę, do której dąży się przy projektowaniu i produkcji wzmacniaczy, oraz ułatwiają przybliżoną analizę.

2. Właściwości nieidealnego wzmacniacza operacyjnego

Każdy rzeczywisty wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się parametrami odbiegającymi od idealnych. Najważniejsze z nich to:

1.     Wzmocnienie z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego- stosunek zmiany napięcia wyjściowego do wywołującej ją zmiany różnicowego napięcia wejściowego:

KU =

Wzmocnienie KU jest wyrażanie w V/V lub dB.

2.     Wejściowe napięcie niezrównoważenia – w idealnym wzmacniaczu operacyjnym przy zerowej różnicy napięć wejściowych napięcie na wyjściu powinno być równe zeru. W rzeczywistości zawsze istnieje pewna niesymetria wejściowego stopnia WO. Z tego względu, aby uzyskać napięcie na wyjściu wzmacniacz z otwartą pętlą równe zeru, trzeba przyłożyć pewne napięcie miedzy wejściami. To napięcie , określane przy rezystancji wewnętrznych źródeł sygnału równych zeru, jest nazywane wejściowym napięciem niezrównoważenia UIO.

3.     Wejściowe prądy polaryzujące – prawidłowe działanie WO wymaga przepływu w końcówkach wejściowych prądów polaryzujących stopień wejściowy wzmacniacza.

4.     Wzmocnienie napięciowe sygnału współbieżnego – na wejściach WO może oprócz sygnału różnicowego (tzn. zmiany różnicy potencjałów między wejściami) pojawić się także tzw. sygnał współbieżny (sygnał sumacyjny), który odpowiada równoczesnym zmianom napięcia na obu wejściach przy zachowaniu między nimi stałej różnicy potencjałów. Wzmocnienie napięciowe sygnału współbieżnego AUC definiuje się jako stosunek zmiany napięcia wyjściowego do wywołującej ja zmiany napięcia sygnału współbieżnego.

5.     Współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego (CMRR) – idealny WO powinien wzmacniać sygnał różnicowy, a całkowicie tłumić sygnał współbieżny.
Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego CMRR określa, w jakim stopniu wzmacniacz rzeczywisty różni się pod tym względem od idealnego. Współczynnik definiuje się jako stosunek wzmocnienia sygnału różnicowego KU do wzmocnienia sygnału współbieżnego AUC.

CMRR =

Współczynnik CMRR jest na ogół wyrażany w dB i w katalogach najczęściej podawana jest jego średnia wartość w całym zakresie wzmacnianych napięć, gdyż zarówno KU jak i AUC mogą być nieliniowymi funkcjami wartości sygnału. CMRR zależy od częstotliwości sygnału i największą wartość osiąga  zwykle przy napięciu stałym. Pomiaru współczynnika dokonuje się przy małych częstotliwościach (do 100 Hz).

6.     Rezystancja wejściowa – istnieją dwie składowe rezystancji wejściowej WO:
R­WE1 – rezystancja dla sygnału różnicowego, czyli rezystancja między końcówkami wejściowymi wzmacniacza z otwartą pętlą,RWE2 – rezystancja dla sygnału współbieżnego, czyli rezystancja między jednym z wejść a masą.W katalogach jako rezystancja wejściowa RWE jest podawana wartość rezystancji, zmierzona pomiędzy jednym z wejść a masą przy drogim wejściu uziemionym do odpowiada równoległemu połączeniu RWE1 i RWE2.

7.     Rezystancja wyjściowa – w katalogach podawana jest zwykle wartość rezystancji wyjściowej RWY wzmacniacza z otwartą pętlą mierzonej przy napięciach na wejściach wzmacniacza równych zeru.

8.     Współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) – wpływ napięcia zasilającego na pracę WO wyraża się liczbowo za pomocą stosunku zmiany napięcia niezrównoważenia do wywołującej ją zmiany napięcia zasilającego.
PSRR jest wyrażany w μV lub dB.

9.     Zakres zmian napięcia wejściowego – jest to zakres zmian napięcia na każdy z wejść (w stosunku do masy), przy którym wzmacniacz pracuje prawidłowo. Ponadto podaje się też zwykle w katalogach dopuszczalne napięcie różnicowe między wejściami.

10. Maksymalne pięcie wyjściowe – największy skok napięcia na wyjściu (w stosunku do masy) możliwy do uzyskania bez nasycenia wzmacniacza, czyli bez obcinania przebiegu wyjściowego. Wchodzenie wzmacniacza w nasycenie nie powoduje wprawdzie zniszczenia układu. lecz jest niekorzystne ze względu na zniekształcenie sygnału i szybkość działania (układ wymaga pewnego czasu powrotu do wyjścia z nasycenia).

11. Maksymalny prąd wyjściowy – Maksymalny prąd, jaki można pobrać z wyjścia wzmacniacza przy jego prawidłowej pracy.

12. Pasmo przenoszenia bez pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego – wzmocnienie KU wzmacniacza z otwartą pętlą jest funkcją częstotliwości sygnału. W katalogach podaje się czasem szerokość pasma B mierzoną od prądu stałego (f = 0) do częstotliwości fg, przy której wartość KU maleje o 3dB w stosunku do wartości KUO dla prądu stałego. Częściej podaje się szerokość pasma mierzoną do częstotliwości f1, przy której wartość KU malej e do 1. Wartości szerokości pasma dotyczą małych sygnałów. Przy dużych sygnałach trzeba uwzględnić wpływ szybkości zmian napięcia wyjściowego i zależność maksymalnego napięcia wyjściowego od częstotliwości sygnału.

13. Szybkość zmian napięcia wyjściowego – wartość zmian napięcia na wyjściu w jednostce czasu. Parametr ten wyrażany jest w V/μs. Ogranicza on pasmo przenoszenia WO dla sygnałów o wysokich poziomach.