Politechnika Częstochowska

Wydział Elektryczny

Laboratorium Elektroniki

Wyznaczanie parametrów wzmacniaczy operacyjnych

1 Wzmacniacz sumujący

Często spotykanym wariantem wzmacniacza odwracającego jest wzmacniacz sumujący, który wykonuje operację dodawania n napięć wejściowych. Do węzła masy pozornej, nazywanego też w tym układzie węzłem sumacyjnym, wpływa prąd będący sumą prądów I₁, I₂,..., I_n płynących przez rezystory wejściowe R₁, R₂, ..., R_n. Ten sam prąd płynie przez rezystor sprzężenia zwrotnego R_f. Przy założeniach upraszczających, otrzymuje się zależność

Dla przypadku, gdy R_f = R₁ = R₂ = ... = R_n wartość napięcia na wyjściu jest równa

U_O = - ( U₁ + U₂ + ... + U_n )

Znak minus wskazuje na to, że następuje dodawanie napięć wejściowych z jednoczesną odwróceniem ich fazy. Stosując różne wartości rezystorów R₁, R₂, ..., R_n uzyskuje się różne wzmocnienia sygnałów dla poszczególnych wejść, czyli realizuje się dodatkowo funkcje mnożenia sygnałów wejściowych przez odpowiednie stałe

U₀ = - ( a₁ U₁ + a₂ U₂ + ...... + a_nU_n )

przy czym a_n = R_f / R_n.

Wzmacniacz sumujący

2 Wzmacniacz różnicowy

Wzmacniacz różnicowy wzmacnia tylko różnicę sygnałów wejściowych, czyli tzw. sygnał różnicowy. Aby uzyskać jednakowe wzmocnienie dla obu sygnałów U₁ oraz U₂, stosuje się dzielnik R₁, R₂ w obwodzie wejścia nieodwracającego. Jeżeli odpowiednie rezystancje są sobie równe to wzmocnienie układu jest wyrażone wzorem

Należy zauważyć, że rezystancje wejściowe dla wejść pierwszego i drugiego są różne. Dla wejścia (+) rezystancja wejściowa wynosi R₁ + R₂, a dla wejścia drugiego R₁. Różne rezystancje wejściowe narzucają warunek bardzo małych rezystancji wyjściowych źródeł sygnałów. Jeżeli warunek ten nie może być spełniony, to wejścia wzmacniacza różnicowego separuje się od źródeł sygnałów wtórnikami napięcia. Tak zmodyfikowany wzmacniacz różnicowy nosi nazwę wzmacniacza pomiarowego.

Wzmacniacz różnicowy

3 Wzmacniacz odwracający

Wzmacniacz odwracający stanowi taki układ włączenia wzmacniacza operacyjnego, w którym sygnał wejściowy jest podany na wejście odwracające (-) wzmacniacza. Dla uproszczenia analizy tego układu przyjmuje się, że wzmacniacz operacyjny jest idealny, czyli jego wzmocnienie jest nieskończenie duże, prądy wejściowe są równe zeru oraz rezystancja wyjściowa jest równa zeru.

Z uwagi na ciągłość prądu, prąd płynący przez rezystor R₂, tj. U_O/R₂ jest równy prądowi J₁ płynącemu przez rezystor R₁, czyli U₁/R₁=-U_O/R₂. Stąd wzmocnienie układu:

Znak minus wskazuje na to, że sygnał wyjściowy jest odwrócony w fazie w stosunku do sygnału wejściowego.

Wzmacniacz odwracający

4 Wzmacniacz nieodwracający

Wzmacniacz nieodwracający stanowi taki układ włączenia wzmacniacza operacyjnego, w którym sygnał wejściowy jest doprowadzony do wejścia nieodwracającego (+) wzmacniacza. Napięcie na wejściu odwracającym (-) wzmacniacza operacyjnego jest równe

Wynika to z faktu, że rezystory R₂ i R₁ stanowią dzielnik rezystancyjny dzielący napięcie wyjściowe U_O. Ponieważ U⁺-U^-≈ 0, zatem napięcie na wejściu nieodwracającym (+) jest takie samo jak na wejściu odwracającym (-). Stąd wzmocnienie jest wyrażone wzorem:

We wzmacniaczu nieodwracającym, zgodnie z jego nazwą, napięcia wyjściowe i wejściowe są w tej samej fazie. Warto zauważyć, że w tym układzie niemożliwe jest uzyskanie wzmocnienia mniejszego niż 1. Ponieważ prąd wejściowy wpływa wyłącznie na wejścia wzmacniacza operacyjnego, zatem rezystancja wejściowa tego układu jest bardzo duża, w przypadku tzw. wzmacniacza idealnego R ≈ ∞.

Wzmacniacz nieodwracający

5 Dokładny prostownik jednopołówkowy

Funkcję prostownika jednopołówkowego może spełniać układ ze wzmacniaczem operacyjnym przedstawiony na schemacie. Wzmacniacz operacyjny pracuje w układzie wzmacniacza nieodwracającego. Sinusoidalny sygnał wejściowy jest wzmacniany we wzmacniaczu a następnie prostowany przez diodę. Poprzez zastosowanie tego układu uzyskuje się ograniczenie wartości napięcia przewodzenia diody oraz jej rezystancji dynamicznej. Prostownik taki jest stosowany w zakresie małych częstotliwości.

Dokładny prostownik jednopołówkowy

6 Dokładny prostownik dwupołówkowy (układ wartości bezwzględnej)

Dla uzyskania prostownika dwupołówkowego należy dokonać operacji realizującej wartość bezwzględną, do czego może być użyty dokładny prostownik jednopołówkowy w połączeniu z dodatkowym wzmacniaczem sumującym. Układ prostuje obie połówki napięcia zasilania: dodatnią i ujemną.

Dokładny prostownik dwupołówkowy (układ wartości bezwzględnej)

7. REALIZACJA PRAKTYCZNA ÆWICZENIA - POMIARY.

Pomiary w uk³adzie wzmacniacza inwertuj¹cego

1. Połączyć układ jak na rys.1

Rys.1

1. Wyznaczyć charakterystykę U₂=f(U₁) dla otwartej pletli sprzężenia zwrotnego oraz dla R₂=R_1; R₂=10R₁ ; R₂=100R₁. Pomiary wykonać dla stanu jałowego i stanu obciążenia rezystancja R₀=500Ω , podając na wejście wzmacniacza napniecie stale

2. Podąć na wejście wzmacniacza napniecie zmienne o częstotliwości f=1kHz i regulowanej amplitudzie. Mierzyć napniecie wejściowe i wyjściowe wzmacniacza do momentu zaobserwowania na oscyloskopie efektu nasycenia

Pomiary w uk³adzie wzmacniacza nieinwertuj¹cego

1. Połączyć układ jak na rys.2.]

Rys 2

2. Wyznaczyć charakterystykę U₂=f(U₁) dla przypadków R₁=1; R₂=10R₁ ; R₃=100R₁

Pomiary wykonać dla stanu jałowego i stanu obciążenia rezystancja R₀=500Ω , podając na wejście wzmacniacza napniecie stale i zmienne o częstotliwości f= 1kHz

Wyniki zanotować w tabeli

Tabela pomiarowa dla układu wzmacniacza inwertującego na biegu jałowym:

R1=1		R2=10R1		R3=100R1
U1	U2	U1	U2	U1	U2
V	V	V	V	V	V
1	0,01	0,1	0,5	1,6	1
2	0,25	0,2	0,9	1,62	2
3	0,5	0,3	1,5	1,64	3
4	0,75	0,4	1,8	1,69	4
		0,5	2,4	1,76	6
		0,6	2,8	1,81	8
				1,87	10

Tabela pomiarowa dla układu wzmacniacza inwertującego na biegu z obciążeniem 1 kΩ:

R1=1		R2=10R1		R3=100R1
U1	U2	U1	U2	U1	U2
V	V	V	V	V	V
0,2	0,15	0,5	1,35	0,5	3,99
0,3	0,22	1	3,49	1	4,8
0,4	0,32	2	5,11	2	6,07
0,6	0,49	3	6,34	3	7,1
1	0,87	4	7,4	4	8,14
1,5	1,32	5	8,3	5	9,26
2	1,92
3	3,04
4	4,07

Wnioski:

Idealny wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się bardzo dużym (dążącym do nieskończoności) wzmocnieniem napięciowym K_U, nieskończenie wielką impedancją wejściową Z_WE, impedancją wejściową Z_we= 0, i nieskończenie szerokim pasmem przenoszenia. Rzeczywisty wzmacniacz operacyjny zawiera: źródło prądowe, wzmacniacze różnicowe zrównoważone, wtórnik emiterowi, układ przesuwania poziomu napięcia stałego i stopień wyjściowy. Charakteryzują się one skończoną wartością wzmocnienia napięciowego, skończonymi wartościami impedancji wejściowej i wyjściowej oraz ograniczonym pasmem przenoszenia. Cechy zbliżone do idealnego wzmacniacza operacyjnego mają układy, w których pierwszy stopień różnicowy wykonany jest z zastosowaniem tranzystorów unipolarnych typu FET lub MOSFET. Wzmacniacze operacyjne najczęściej pracują w układach z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego (przede wszystkim ujemnego). Możliwe są przy tym: praca wzmacniacza jako układu odwracającego i praca jako układu nieodwracającego. Inne stosowane układy wzmacniaczy operacyjnych to układy: różnicowe, sumacyjne, całkujące, różniczkujące, logarytmiczne. 8. Literatura

1. P. Horowitz, W. Hill, Sztuka elektroniki, WKiŁ, Warszawa 97.

2. U. Tietze, C. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 87.

3. J. Rydzewski, Pomiary oscyloskopowe, WNT, Warszawa 99.

4. A. Rusek, Podstawy Elektroniki części 1 i 2, WSiP, Warszawa 85.

5. A. Opolski, Elektronika dla elektryków, WNT, Gdańsk 97.

6. M. Rusek, Przewodnik po Elektronice, WNT, Warszawa 86.

7. A. Chabłowski, W. Skulimowski, Elektronika w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 82.

8. B. Pióro, M. Pióro, Podstawy elektroniki, WSiP, Warszawa 94.

9. A. Chwaleba, Elektronika, WSiP, Warszawa 98.

10. A. Chwaleba, J. Czajewski, Przetworniki pomiarowe wielkości fizycznych, OWPW, Warszawa 93.

11. ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA

12. ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH

13. Katalogi firmy TME

14. Katalogi firmy ELFA

1. Katalogi firmy DACPOL

2. Katalogi firmy LABEL

---