background image

Politechnika Warszawska   -  Instytut  IMUR  w  Płocku,  Laboratorium  Elektrotechniki 
 

BADANIE UKŁADÓW ZE WZMACNIACZEM 

OPERACYJNYM SCALONYM 

 

1.Podstawy teoretyczne 

 

Wzmacniacz operacyjny ( WO ) 

 
 

W obecnym znaczeniu przez wzmacniacz operacyjny  rozumie się  wzmacniacz  prądu  

stałego  
(  najczęściej  scalony  ze  sprzężeniem  zwrotnym  )  o  dużym  wzmocnieniu  i  innych 
własnościach  umożliwiających  pełnienie  funkcji  podstawowej  uniwersalnej  cegiełki 
układowej stosowanej do budowy różnych złożonych układów analogowych .  
 

Weźmy  pod  uwagę  wzmacniacz  ,  którego  schemat  zastępczy  przedstawiono  na 

rysunku 1. 

 

Wzmacniacz ten posiada : 
 

  WE-  -  wejście odwracające fazę napięcia wejściowego , 
  WE+ -  wejście nieodwracające fazę napięcia wejściowego , 
  WY      -    wyjście  ,  na  którym  napięcie  U

wy

  w  zakresie  liniowej  pracy  wzmacniacza  jest 

równe : 

 

 

 

U

wy

 = k

u

 ( V

p

 - V

M

 ) = k

u

 

.

 U

we 

 

 

gdzie  :  k

u

  -  wzmocnienie  napięciowe  wzmacniacza  z  otwartą  pętlą  sprzężenia 

zwrotnego . 

  +U

zas

 i - U

zas - 

wyjścia dla napięć zasilających  

 
Zwykle wzmacniacz zasilany jest napięciem ( 12 - 18 V ) , przy czym : 

 

 

 

 

 

 

U

U

zas

zas

  

Wzmacniacz taki można wyobrazić sobie , jako źródło napięciowe sterowane ( V,V ) różnicą 
potencjałów na oporniku R

we

 . 

Rezystancja R

we 

 - reprezentuje zastępczą rezystancję wejściową wzmacniacza . 

Rezystancja R

wy

  - jest równa wypadkowej rezystancji wejściowej wzmacniacza . 

 

background image

Politechnika Warszawska   -  Instytut  IMUR  w  Płocku,  Laboratorium  Elektrotechniki 
 

 

Aby wzmacniacz z rys.1 spełniał rolę idealnego wzmacniacza operacyjnego muszą być 

spełnione następujące warunki : 
 

1)  Wzmocnienie napięciowe dąży do nieskończoności ( k

u

 

 ) 

2)  Rezystancja wejściowa R

we

 dąży do nieskończoności (R

we 

3)  Rezystancja wyjściowa R

wy 

dąży do zera (R

wy 

 

 0 ) 

4)  Częstotliwościowe  pasmo  przenoszenia  jest  w  zakresie  od  0  do 

B

f

  =  (  0  - 

). 

5)  Pływanie ( dryft ) zera w funkcji temperatury nie występuje . 
6)  Dwupolarna charakterystyka statyczna ( rys.2) 

 
Charakterystyki  wzmacniaczy operacyjnych ( WO) . 
 
Podstawowymi charakterystykami wzmacniacza operacyjnego są : 

  charakterystyka statyczna ,  
 

charakterystyka częstotliwościowa. 

 
Charakterystyka  statyczna    -  (  rys.2  )  nazywamy  zależność  napicia  wyjściowego  U

wy

  do 

napięcia  wejściowego  U

we

  ,  przy  stałych  wartościach  temperatury  ,  napięcia  zasilania  , 

obciążenia i innych parametrów . 

 

 
W charakterystyce statycznej WO wyróżnia się trzy zakresy pracy : 

  zakres  liniowej  (aktywnej  )  pracy  wzmacniacza  (  strefa  I  )  ,  charakteryzuje  się  tym  ,  że 

sygnał  wyjściowy  wiernie  odtwarza  sygnał  wejściowy  ,  który  zostanie  wzmocniony  k

 

razy . Np.: jeśli na wejściu podany zostanie sygnał sinusoidalny , odpowiedz na wyjściu 
też będzie miała kształt sinusoidalny o amplitudzie większej k

u

 razy niż amplituda sygnału 

wejściowego  

  zakres  nasycenia  wzmacniacza    (  strefa  II’  i  II’’  ).  Po  przekroczeniu  granicznej  wartości 

modułu napięcia wejściowego U

we 

= U

we os

 , następuje tzw. nasycenie wzmacniacza . Stan 

ten  charakteryzuje  się  tym  ,  że  napięcie  wyjściowe  ma  stałą  wartość  ,  niezależną  od 
napięcia wejściowego . 

Maksymalna wartość modułu napięcia nasycenia wzmacniacza nie może przekroczyć wartości 
modułu napięć zasilających . 

background image

Politechnika Warszawska   -  Instytut  IMUR  w  Płocku,  Laboratorium  Elektrotechniki 
 

Unasycenia

Uzasilania

aktycznieUnasycenia

Uzasilania

Pr

,

0 9

  

 
Charakterystyka częstotliwościowa jest zależnością wzmocnienia napięciowego k

u

 

wzmacniacza w funkcji częstotliwości sygnału wejściowego , wykreśloną w skali 
logarytmicznej ( Rys.3) . 

 

   
Z  charakterystyką  częstotliwościową  związany  jest  parametr  wzmacniacza  -  pasmo 
przenoszenia  Bf.  Jest  to  zakres  częstotliwości  ,  dla  których  wzmocnienie  napięciowe  k

u

 

wzmacniacza nie zmaleje poniżej 

k

max

2

 ( -3dB w skali logarytmicznej ) . Częstotliwość , dla 

której spadek wzmocnienia wynosi -3dB nazywa się częstotliwością graniczną  wzmacniacza . 
 
Własności typowych wzmacniaczy operacyjnych . 
 

Poniższa  tabela  przedstawia  zestawienie  najczęściej  spotykanych  wzmacniaczy 

operacyjnych ( czołowych firm ) . 
 

ZESTAWIENIE PARAMETRÓW WZMACNIACZY OPERACYJNYCH 

FIRMY FAIRCHILD 

 

Typ wzmacniacza 
Parametry ( t

o

 = 25

0

 C ) 

A709 

A715C 

szybki 

A741 

A740 FET  ULY7741 

CEMI 

Wzmocnienie z otwartą 
pętlą [ V/V ] 

15000 

10000 

20000 

50000 

150000 

Rezystancja wejściowa 
[k

250 

1000 

2000 

10

9

 

1000 

Wejściowe napięcie 
niezrównoważenia [mV] 

7,5 

7,5 

30 

15 

Częstotliwość graniczna 
dla k

u

 = 1 [MHz] 

65 

Zasilanie typowe [V] 

15 

15 

15 

15 

15 

Pobór mocy [mW] 

80 

165 

50 

126 

80 

Maksymalny zakres zmian 
napięcia wyjściowego [V] 

14 

13 

14 

14 

13,5 

background image

Politechnika Warszawska   -  Instytut  IMUR  w  Płocku,  Laboratorium  Elektrotechniki 
 

Zakres temperatur [

0

C] 

0 - 70 

0 - 70 

0 - 70 

0 - 70 

0 - 70 

Wejściowy prąd 
polaryzacji [nA] 

1500 

10000 

500 

750 

 

PODSTAWOWE UKŁADY ZE WZMACNIACZEM OPERACYJNYM

 

 
Układy realizujące liniowe operacje analogowe
 
 

Cechą  charakterystyczną  tych  układów  jest  praca  wzmacniacza  operacyjnego  w  jego 

liniowym zakresie charakterystyki statycznej  ( zakres I , rys.2) . 
 
Wzmacniacz odwracający fazę napięcia wejściowego. 

 

Wzmacniacz operacyjny w układzie odwracającym pracuje z ujemnym sprzężeniem 
zwrotnym . Część sygnału wyjścia przez rezystancję R

f

 jest doprowadzona na wejście , co 

działa stabilizująco na pracę wzmacniacza . 

 

Określimy współczynnik wzmocnienia napięciowego k

us

 = 

U

U

wy

1

 dla układu z rys .5 , 

przy założeniu , że wzmacniacz jest idealny . 
 

  Z własności 1) dla idealnego WO ( k

u

 

 ) wynika , że  E = 0  

  Z własności 2) dla idealnego WO (R

we 

) wynika , że I

we

 = 0 

 
Równania Kirchhoffa : 
 
Oczko A : 

U

1

 - I

1

R

1

 + E = 0 

 

 

 

(5.1) 

Oczko B : 

U

wy

 - I

f

R

f

 + E = 0               (5.2)          

(5)

 

Węzeł 1 :            -I

we

 + I

f  

 + I

1

  = 0             

 

  (5.3) 

 
Podstawiając E = 0 ; I

we

 = 0 otrzymujemy :  

 

 

 

 

U

1

 - I

1

R = 0                      (6.1) 

 

 

U

wy

 - I

f

R

f

 = 0                (6.2)            

(6)

 

 

 

I

1

 + I

f

 = 0                           (6.3) 

 

Po  przekształceniach  powyższych  wzorów  wyprowadzamy  zależność  określającą 
wzmocnienie napięciowe układu : 

background image

Politechnika Warszawska   -  Instytut  IMUR  w  Płocku,  Laboratorium  Elektrotechniki 
 

 

 

 

k

U

U

R

R

us

wy

f

1

1

           (7)

 

 
Wzmocnienie napięciowe k

us

 ma wartość ujemną . Wynika stąd , że napięcie wyjściowe jest 

odwrócone ( o 180

0

 ) względem napięcia wejściowego . 

Ze wzoru (7) wynika , że wzmocnienie K

us

 zależy tylko od parametrów zewnętrznych R

1

 i R

f

 , 

natomiast jakość samego wzmacniacza nie ma wpływu na pracę układu odwracającego fazę . 
Wartość  ta  pokazuje  działanie  stabilizacyjne  układów  z  ujemnym  sprzężeniem  zwrotnym  . 
Jest  ona  szczególnie  cenna  dla  wykorzystania  wzmacniacza  operacyjnego  w  układach 
automatyki przemysłowej , w maszynach analogowych . 
 
Wzmacniacz nieodwracający . 

 

Postępując  analogicznie  jak  w  przypadku  analizy  wzmacniacza  odwracającego,  można 
wykazać , że wzmocnienie napięciowe k

u

  określa się wzorem : 

                                                      

k

U

U

R

R

us

wy

1

2

1

1

 (8)

    

Wzmacniacz sumujący . 
Do  operacji  sumowania  sygnałów  stosuje  się  wzmacniacz  odwracający  ,  w  którym  wejście 
odwracające wzmacniacza stanowi doskonały punkt sumujący. ( węzeł W- )  
Napięcie wyjściowe U

wy

 określone jest wzorem : 

                               

U

R

R

U

R
R

U

R

R

U

wy

f

f

f

n

n

1

1

2

2

....

  (9)

 

 

background image

Politechnika Warszawska   -  Instytut  IMUR  w  Płocku,  Laboratorium  Elektrotechniki 
 

 
 
 
Wzmacniacz różnicowy . 

 

 

Wzmacniacz  różnicowy  jest  to  wzmacniacz  2  wejściowy  i  1  wyjściowy  ,  którego  napięcie 
wyjściowe proporcjonalne jest do różnicy napięć wejściowych U

wy

 = a

1

U

1

 - a

2

U

2

 . 

U

R

R

R
R

U

R

R

U

wy

1

1

2

1

3

4

1

2

1

2

    (10)  

Przy założeniu : R

1

 = R

3

 ; R

2

 = R

 , otrzymujemy : 

   

U

R

R

U

U

wy

2

1

1

2

(

)                (11)  

Przetworniki napięcie - prąd  
 
 

W wielu urządzeniach istnieje konieczność zamiany napięcia sterującego na 

proporcjonalny do niego prąd sterujący . Używa się do tego konwentory napięcie - prąd .  

 

background image

Politechnika Warszawska   -  Instytut  IMUR  w  Płocku,  Laboratorium  Elektrotechniki 
 

Przy założeniu: 

 

R

R

R

R

R

1

2

3

4

5

  

I

wyraża się wzorem : 

 

 

 

 

I

U

R

R

R

L

1

2

1

5

                 (12)  

Ze wzoru 12 wynika , że prąd I

nie zależy od rezystancji obciążenia . 

Niekiedy  buduje  się  uproszczone  konwentory  napięcie  -  prąd  realizowane  wg  poniższego 
schematu . 

 

Prąd I

L

 określa wzór ( 13 ) 

        

I

U

R

L

we

1

                        (13)  

 
Przetwornik prąd - napięcie  
 
 

W  wielu  dekoderach  i  czujnikach  pomiarowych  (  np.  fotodiody    ,  fotopowielacze  ) 

uzyskuje  się  sygnał  wyjściowy  ,  który  następnie  należy  wzmocnić  ,  przetwarzając  na 
prostoliniowy  doń  sygnał  napięciowy  .Podstawowy    układ    konwentora  prąd  -  napięcie, 
spełniającego powyższą funkcję , przedstawia rysunek 13 . 
Napięcie wyjściowe U

wy

 oblicza się ze wzoru : 

 

     

U

R

I

wy

f

we

                       (14)  

 

 

 
 

background image

Politechnika Warszawska   -  Instytut  IMUR  w  Płocku,  Laboratorium  Elektrotechniki 
 

 
 
 

Wykonanie ćwiczenia  
 

 Badanie liniowych układów analogowych . 
 
Wyznaczanie charakterystyki statycznej wzmacniacza odwracającego . 

 

Zasilić wzmacniacz operacyjny ( z zasilacza komplementarnego ) napiciem U

z+

 = 15V i U

z-

 = 

-15V . 
Na wejście badanego układu podać napięcie stałe regulowane Ereg w zakresie -10V do 10V 
ze skokiem podanym w poniższych tabelach: 
a)  R

1

 = 1k  

 

Tabela 1  

U

we 

[V] 

-10  -5 

-2,5  -2 

-1,5  -1 

-0,5  0 

0,5 

1,5 

2,5 

10 

U

wy

 

[V] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)  R

1

 = 2k  

Tabela 2 

U

we 

[V] 

-10  -5 

-3 

-2,5  -2 

-1,5  -1 

-0,5  0 

0,5  1 

10 

U

wy

 

[V] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c)  R

1

 = 5k  

Tabela 3 

 

U

we 

[V] 

-10  -8 

-7,5  -6 

-4 

-2 

-1 

7,5  8 

10 

U

wy

 

[V] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Politechnika Warszawska   -  Instytut  IMUR  w  Płocku,  Laboratorium  Elektrotechniki 
 

 
 
Ustawić napięcie zasilania . 
 

U

z+

 = 10kV  i  U

z-

 = -10kV i zbadać charakterystykę statyczną dla R

1

 = 2k   

Tabela 4 

U

we 

[V] 

-10  -5 

-2,5  -2 

-1,5  -1 

-0,5  0 

0,5 

1,5 

2,5  5 

10 

U

wy

 

[V] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Opracowanie wyników pomiarów .  

 

narysować na jednym wykresie charakterystyki z tabel 1,2,3 oraz 2 i 4 ( WE = 1V/cm ; 
WY = 1V/cm ) , 

Na podstawie otrzymanych wykresów określić następujące parametry wzmacniacza. 

 

współczynnik wzmocnienia napięciowego , 

 

zakres napięć wejściowych dla liniowej pracy wzmacniacza,

 

 

napięcie nasycenia wzmacniacza ,

 

 

iloraz napięcia nasycenia do napięcia zasilania  k

U

U

r

nasycenia

z

   

 

 
WNIOSKI 
 

Narysować  wykresy  teoretyczne  na  podstawie  wartości  elementów  układu  napięć 

zasilania . 
Przyjąć , że napięcie nasycenia równe jest napięciu zasilania . 
 
Badanie wzmacniacza nieodwracającego . 
 
 

Wyznaczenie charakterystyki statycznej układu . Pomiary należy wykonać dla dwóch 

napięć zasilających . 
U

z+

 = +15V       i       U

z_

 = -15V 

U

z+

 = +10V       i       U

z_

 = -10V 

 

 
 
 

background image

Politechnika Warszawska   -  Instytut  IMUR  w  Płocku,  Laboratorium  Elektrotechniki 
 

10 

 
 

Napięcie wejściowe Ereg należy zmienić jak w poniższych tabelach : 

 

U

V

z

15

 

Tabela 5 

U

we 

[V] 

-15  -10  -5 

-2 

-1,5  -1 

-0,5  0 

0,5 

1,5 

10 

15 

U

wy

 

[V] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

V

z

10

 

Tabela 6 

U

we 

[V] 

-15  -10  -5 

-2  -1  -0,75  -0,5  -0,25  0  0,25 

0,5 

0,75  1 

2  5  10  15 

U

w

y

 

[V] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Opracowanie wyników pomiarów : 

 

narysować  na  jednym  wykresie  charakterystyki  z  tabel  5  i  6  .skala:  WE=1V/cm  ; 
WY=1V/cm. 

 

określić  współczynnik  wzmocnienia  napięciowego  ,  maksymalny  zakres  napięć 
wejściowych dla liniowej pracy wzmacniacza . 

 

iloraz napięcia nasycenia i napięcia zasilania  

 

 

 

 

k

U

U

r

nasycenia

z

 

  wnioski 

Badanie wzmacniacza różnicowego 
 
 

Wyznaczenie współczynników wzmocnienia dla poszczególnych napięć wejściowych . 

U

k

U

k

U

wy

u

we

u

we

1

1

2

2

 

 

 

background image

Politechnika Warszawska   -  Instytut  IMUR  w  Płocku,  Laboratorium  Elektrotechniki 
 

11 

 

Połączyć  układy  wg  rys.11  ,  a  potem  wg  rys.12  .  Ustawić  napięcie  wejściowe  takie  aby  na 
wejściu woltomierza wskazywał około połowy napięcia zasilania ( 7,5V) . 

 

określić szukane współczynniki wzmocnienia  k

V

V

k

V
V

1

0

1

2

0

2

     

;

 

  wnioski . 

 
Badanie przetworników napięcie - prąd  
 

 

a)  Wyznaczyć charakterystyki statyczne przetwornika , napięcie zasilania ustawić U

z

 = 

15 

V  napięcie wejściowe zmieniamy ze zmiennym krokiem podanym w poniższej tabeli ( 7 ) 

 

Tabela 7  

U

we 

[V] 

0,1  0,2  0,3  0,4  0,5  0,6  0,7  0,8  1,0  1,5  2,0  2,5  3,0  4,0  5,0 

I

wy

 

[mA
] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
b)  Określenie  wpływu  obciążenia  R

L

  na  wielkość  prądu  wyjściowego  ,  ustawić  napięcie 

zasilania                    U

z

  = 

15  V  ,  napięcie  wejściowe  Ereg  =  1V  ,  rezystancję  zmienić  w 

zakresie R

 = ( 0,1 - 10) jak poniżej w tabeli ( 8 ) . 

 
 
 

background image

Politechnika Warszawska   -  Instytut  IMUR  w  Płocku,  Laboratorium  Elektrotechniki 
 

12 

 

Tabela 8 

R

[k ] 

0,1  0,2  0,3  0,4  0,5  0,7  1 

1,5  2,0  3,0  4,0  5,0  6,0  8,0  10 

I

wy

 

[mA] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Opracowanie wyników pomiarów . 
 

 

 

Narysować charakterystyki statyczne, 

 

Określić  współczynniki  konwersji  badanych  przetworników  dla  liniowej  części  pracy 
charakterystyki , 

 

 

G

I

U

wy

we

2

           dla przetwornika  napiecie  -  prad 

 

 

Wykreślić charakterystykę I

wy

 = f ( R

L

 ) z tabeli 8, 

  Wnioski .