Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny jest wielo stopniowym, scalonym wzmacniaczem prądu stałego, mającym dwa wejścia i jedno niesymetryczne wyjście. Charakteryzuje się go podając zewnętrzne parametry, zdefiniowane jednakowo dla wszystkich rozwiązań technologicznych. Dzięki temu wzmacniacz operacyjny można traktować jako pojedynczy element układu, pomimo jego złożonej budowy zewnętrznej widocznej obok.

Idealny wzmacniacz operacyjny powinien mieć następujące cechy: Nieskończenie wielkie wzmocnienie napięciowe w układzie z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego KUR

dąży do nieskończoności w rzeczywistych układach KUR =

Nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia ( w rzeczywistych układach od 1MHz do ponad 1000MHz ) Nieskończenie dużą impedancje wejściową różnicową ( między wejściem odwracającym (-) i nieodwracającym (+) ) oraz

impedancje wejściową sumacyjną (między jednym z wejść a masą) od 50 MΩ dla stopni wejściowych z tranzystorami bipolarnymi i do 10000 MΩ z tranzystorami polarnymi

Impedancję wyjściową równą zeru (w rzeczywistych układach średnio kilkadziesiąt Ω) Prądy wejściowe równe zeru ( w rzeczywistych układach od ułamka nanoamperów do kilku mikroamperów) Nieskończenie duży współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (w rzeczywistych układach od 70

do 120 dB).

Wzmacniacze operacyjne , jako układy uniwersalne, mogą pracować w różnych konfiguracjach. Powszechnie jest stosowany układ z zamkniętą pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego . Sprzężenie zwrotne zmniejsza nieliniowość charakterystyk , poszerza pasmo (kosztem wzmocnienia), umożliwia dobór wzmocnienia napięciowego , zmniejsza niezrównoważenie. Podstawowe układy pracy wzmacniacza operacyjnego to jednowejściowe układy: odwracający i nieodwracający oraz dwuwejściowy układ różnicowy. Możliwe są też inne układy realizujące różne funkcje.

Parametry wzmacniacza operacyjnego:Wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą:

Wzmocnienie sumacyjne:

Wejściowe napięcie niezrównoważenia:Jeżeli w układzie rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego z otwartą pętlą napięcie różnicowe, występujące między wejściami, będzie wynosiło zero, to jednak występujące w tym stanie napięcie wyjściowe będzie różne od zera. Jest to wynik niesymetrii układu. Napięcie wyjściowe osiągnie wartość zero po przyłożeniu do wejścia pewnego napięcia różnicowego, określanego mianem wejściowego napięcia niezrównoważenia U10.

Wyjściowe napięcie niezrównoważenia:Napięcie Uo0 występujące na wyjściu wzmacniacza operacyjnego, przy wejściowym napięciu różnicowym równym zero (wejścia są podłączone z masą), jest nazywane wyjściowym napięciem niezrównoważenia.Wejściowy prąd polaryzacji:

Wejściowy prąd niezrównoważenia:

Rezystancja wejściowa:Dla wzmacniacza operacyjnego są definiowane dwie rezystancje wejściowe:-rezystancja wejściowa różnicowa RIR (dla sygnału różnicowego),która występuje między wejściami: odwracającym i nieodwracającym układu z otwartą pętlą;-rezystancja wejściowa sumacyjna RIS (dla sygnału współbieżnego), która występuje między zwartymi wejściami a masą

Rezystancja wyjściowa:Rezystancja wyjściowa jest definiowana jako rezystancja występująca między zaciskiem wyjściowym a masą w układzie z otwartą pętlą, przy napięciach na wyjściach wzmacniacza operacyjnego wynoszących zeroPasmo przenoszenia:Szerokość pasma przenoszenia w układzie z otwartą pętlą może być określana jako:-pasmo trzydecybelowe – zakres częstotliwości mierzony od zera (napięcie stałe) od częstotliwości przy której wzmocnienie napięciowe maleje o 3dB w stosunku do wzmocnienia dla prądu stałego;-pasmo jednostkowe - zakres częstotliwości mierzony od zera (napięcie stałe) do częstotliwości, przy której wzmocnienie napięcia maleje od jednostkiSzybkość narastania napięcia wyjściowego:Po przyłożeniu na wejście wzmacniacza operacyjnego idealnego impulsu prostokątnego lub skoku jednostkowego o czasie narastania równym zeru, napięcie na wyjściu układu będzie miało kształt impulsu prostokątnego o określonym, czasie narastania. Wynika to z konieczności przeładowania pojemności wewnętrznych wzmacniacza, w tym pojemności kondensatora realizującego kompensację częstotliwościową. Ponieważ stopnie wzmacniające, tworzące wzmacniacz operacyjny, mają określoną wydajność prądową (ograniczony prąd wyjściowy), przeto napięcie wyjściowe musi narastać przez pewien określony czes. Szybkość narastania napięcia wyjściowego jest określona jako stromość napięcia na wyjściu wzmacniacza

Zestawienie podstawowych parametrów wybranych wzmacniaczy operacyjnych:

Wzmacniacz odwracający

Układ pracy wzmacniacza z wejściem odwracającym fazę przedstawiłem powyżej. Rysunek „a” to schemat zasadniczy, natomiast rysunek „b” to uproszczony schemat zastępczy.

Zakładając, że rzeczywisty wzmacniacz operacyjny ma parametry zbliżone do parametrów wzmacniacza idealnego, można uznać wzmocnienie wzmacniacza za nieskończenie duże. Wówczas przy danym napięciu wyjściowym Uo napięcie wejściowe różnicowe UIR będzie dążyło do zera. Potencjał wejść: odwracającego (-) i nieodwracającego (+) będą sobie równe. Jednocześnie prąd wejściowy płynący między wejściami jest bliski zeru. Niw wytwarza więc spadku napięcia na rezystorze R3 i rezystancji RIR . Stąd wniosek, że potencjał zera przeniesie się na znak wejścia (-), tworząc punkt tzw. masy pozornej. Przyjęcie założenia, że prąd wejściowy wzmacniacza operacyjnego jest równy zeru oznacza, że w układzie odwracającym płynie jeden prąd między wyjściem a wejściem. Uwzględniając, że potencjał wejścia(-) wynosi zero, można zapisać wzór na wartość prądu w układzie:

Wzmocnienie układu, definiowane jako stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego, przyjmuje wartość:

Wzmacniacz nieodwracający

W układzie nieodwracającym sygnał wejściowy jest doprowadzany do wejścia nieodwracającego (+) wzmacniacza. Przyjmując założenia, jak podczas analizy wzmacniacza odwracającego, dochodzi się do wniosku, że napięcie wejściowe różnicowe dąży do zera, więc potencjały wejść (-) i (+) są jednakowe. Zatem na wejściu (-) panuje napięcie wejściowe UI. Wartość prądu wejściowego, płynącego do wejścia (+), poprzez rezystancje wejściową różnicową, której wartość dąży do nieskończoności, oraz rezystor R1 do masy, jest bliska zeru. Można więc przyjąć, że w obwodzie płynie jeden prąd z wyjścia, poprzez rezystory R2 i R1 do masy. Jego wartość wynosi:

Wzmocnienie układu, definiowane jako stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego, przyjmuje wartość:

Wzmacniacz sumujący

Wzmacniacz sumujący jest odmianą wzmacniacza odwracającego. Zacisk wejścia odwracającego (-) stanowi punkt masy pozornej. Układ ma n wejść, przy czym każde z wejść jest poprzez rezystor R1n połączone z masą pozorną układu. Wzmacniacz sumujący może więc sumować n składników realizując równanie:

Które po przekształceniu przyjmuje postać:

Napięcie wyjściowe jest sumą napięć każdego z wejść, przy czym każde z n napięć wejściowych jest wzmocnione w stosunku:

Charakterystyki wzmacniacza operacyjnego

Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego nieodwracającego

Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego odwracającego

Mechanizm zniekształcania sygnału przy przesterowaniu wzmacniacza

Opracował:

PAWEŁ SZKLARZ