UKŁADY ELEKTRONICZNE Zastosowania liniowe wzmacniaczy

UKŁADY ELEKTRONICZNE
I n s t r u k c ja d o ć w i c z e ń l a b o r a t o r yj n yc h
Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych
Laboratorium Układów Elektronicznych
Poznań 2008
Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z typowymi zastosowaniami scalonych
wzmacniaczy operacyjnych. Zakres ćwiczenia obejmuje badanie działania wybranych układów o
liniowej charakterystyce dynamicznej, w której są wykorzystane wzmacniacze operacyjne.
2. Wprowadzenie
Pojęcie wzmacniacz operacyjny oznacza wzmacniacz o sprzężeniu bezpośrednim wykonany
w technice układów scalonych, charakteryzujący się bardzo dużym wzmocnieniem i przeznaczony
do głównie do pracy z zewnętrznym obwodem ujemnego sprzężenia zwrotnego. Większość
wzmacniaczy ma parę wejść różnicowych (symetrycznych) oraz jedno wyjście niesymetryczne
(rys.1). Wejście oznaczone znakiem „+” nosi nazwę wejścia nieodwracającego, „- ” – wejścia
odwracającego.
Rys.1. Wzmacniacz operacyjny
Sygnał przyłożony między wejścia wzmacniacza operacyjnego (sygnał różnicowy) wymusza
sygnał wyjściowy układu zgodnie ze wzorem:
u wy = A(u we1 − u we2 ) = Au wer
(1)
gdzie: A jest wzmocnieniem napięciowym różnicowym lub wzmocnieniem napięciowym z otwartą
pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego.
Wielkość ta charakteryzuje wzmacniacz operacyjny. Inną cechą wzmacniaczy operacyjnych jest
wzmocnienie tzw. sygnału współbieżnego podanego pomiędzy zwarte wejścia różnicowe a masę
zasilacza (wzmocnienie sumacyjne). Parametrem określającym relacje pomiędzy wzmocnieniem
różnicowym a sumacyjnym jest współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (ang. CMRR)
mierzony w decybelach, który jest zdefiniowany następująco:
CMRR = 20 log
A
Ks
(2)
gdzie: Ks jest wzmocnieniem sumacyjnym.
Idealny wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się następującymi cechami:
• nieskończenie dużym wzmocnieniem napięciowym różnicowym: A → ∞ ,
• wzmocnieniem idealnie różnicowym: CMRR → ∞ ,
• nieskończenie dużą impedancją wejściową widzianą zarówno pomiędzy wejściami, oraz
pomiędzy każdym z wejść i masą zasilacza,
• nieskończenie małą impedancją wyjściową,
• nieskończenie małym napięciem wyjściowym przy równości napięć wejściowych,
2
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
•
•
•
•
zerowym prądem polaryzacji wejść,
nieskończenie dużym dopuszczalnym prądem wyjściowym,
nieskończenie szerokim pasmem przeniesienia częstotliwości sygnału,
stałością wymienionych powyżej parametrów względem temperatury.
Podane właściwości idealnych wzmacniaczy operacyjnych są praktycznie nieosiągalne.
Stanowią one jednak teoretyczną granicę, do której należy dążyć przy projektowaniu i produkcji
wzmacniaczy operacyjnych, oraz ułatwiają proces obliczeniowy przy ich zastosowaniu do
konkretnych urządzeń.
Wzmacniacze operacyjne mogą pracować w wielu konfiguracjach układowych. Najprostszym
choć rzadko stosowanym przykładem jest zastosowanie układu bez połączeń zewnętrznych jako
komparatora napięć podanych na wejścia. Dzięki bardzo dużej wartości wzmocnienia różnicowego,
niewielka wartość różnicy napięć porównywanych powoduje, w zależności od znaku uwer, ustalenie
się napięcia wyjściowego na jednym z dwóch stanów nasycenia (rys.2).
Rys.2. Charakterystyka dynamiczna rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego
Wzmacniacze operacyjne projektowane są zasadniczo dla zastosowań w układach z
zewnętrznym ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Ujemne sprzężenie zwrotne polega na podaniu
części bądź całości napięcia sygnału wyjściowego dowolnego wzmacniacza na jego wejście w fazie
przeciwnej. Sprzężenie polepsza właściwości wzmacniacza jako całości – zmniejsza nieliniowość
charakterystyki, poszerza pasmo przeniesienia wzmacniacza, poprawia stałość jego parametrów i
umożliwia wygodną regulację wzmocnienia napięciowego układu. W celu zapewnienia liniowej
pracy układu wzmacniacza, pętla sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego musi
ograniczyć wartość sygnału różnicowego do zakresu liniowego (rys.2). Należy jednak pamiętać, że
przy zbyt dużej amplitudzie sygnału wejściowego, wzmacniacz może przechodzić do stanu
nasycenia powodując nieodwracalne zniekształcenie sygnału wyjściowego.
3
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Rys.3. Charakterystyki Bodego modułu wzmocnienia (a) i kąta fazowego wzmacniacza
operacyjnego o jednobiegunowej charakterystyce przeniesienia (b)
Zasadniczo istnieją dwie podstawowe możliwości zastosowania pętli ujemnego sprzężenia
zwrotnego w pracy układu ze wzmacniaczem operacyjnym. W pierwszej, sygnał wejściowy jest
podany przez określoną impedancję Z1 na wejście odwracające - układ odwracający. W drugiej,
sygnał wejściowy jest podawany bezpośrednio na wyjście nieodwracające - układ nieodwracający.
Rys.4a. Ogólny schemat ideowy wzmacniacza odwracającego
Rys.4b.Ogólny schemat ideowy wzmacniacza nieodwracającego
Przy założeniu skończonej wartości wzmocnienia różnicowego oraz pominięciu prądów
polaryzacji wejść wzmacniacza operacyjnego, wzmocnienie układu wzmacniacza odwracającego
(rys.4a) można wyrazić wzorem:
K (ω) = −
4
Z 2 (ω )  Z 1 (ω )A(ω) − Z 1 (ω ) − Z 2 (ω) 


Z 1 (ω ) 
A(ω )Z 1 (ω )

(3)
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Dla układu wzmacniacza nieodwracającego (rys.4b) przy podobnych założeniach, wzmocnienie
jest następujące:
K (ω) =
Z 2 (ω) + Z 1 (ω)  A(ω ) 


Z 1 (ω )
 A(ω ) + 1 
(4)
W idealnym przypadku tzn. A → ∞ wyrażenia w nawiasach we wz.3 i wz.4 są zredukowane do
1. Oznacza to, że parametry układu wzmacniacza zależą wyłącznie od parametrów elementów
ujemnego sprzężenia zwrotnego, które można wygodnie dobierać. W praktyce, warunek ten jest
spełniony wtedy, gdy wzmocnienie różnicowe stosowanego wzmacniacza operacyjnego było
nieporównywalnie większe od wzmocnienia projektowanego układu z użyciem wzmacniacza
operacyjnego - A >> K .
3. Badanie wzmacniacza odwracającego i nieodwracającego
3.1 Zestaw pomiarowy
•
•
•
•
•
•
•
Wirtualny wzmacniacz operacyjny TL072ACP,
Wirtualne elementy rezystancyjne,
Wirtualne źródła zasilania DC,
Wirtualny generator sygnału,
Wirtualne multimetry,
Wirtualny miernik częstotliwości,
Wirtualny oscyloskop.
3.2 Przebieg ćwiczenia
1. Uruchomić program MULTISIM i złożyć układ symulacyjny do badania wzmacniacza
odwracającego (rys.5) kierując się wskazówkami prowadzącego.
2. Uaktywnić generator XFG1 podwójnym kliknięciem na obiekt, ustawić generację sygnału
sinusoidalnego (przycisk wyboru) oraz parametrach: 1kHz, 1V. Uruchomić symulację.
3. Uaktywnić multimetry XMM1 oraz XMM2, miernik częstotliwości XFC1 (czułość miernika
ustawić na wartość 10 mV) oraz oscyloskop XSC1. Na podstawie wskazań mierników
obliczyć wzmocnienie sygnału generatora dla zmierzonej częstotliwości sygnału.
Zaobserwować przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego na podstawie nastaw
oscyloskopu uzgodnionych z prowadzącym.
4. Ustawić generację funkcji prostokątnej o parametrach z p.2 i zaobserwować przebieg
sygnałów na oscyloskopie. Powtórzyć obserwację przebiegu sygnałów dla częstotliwości
równych: 10 kHz oraz 100 kHz przy stałej amplitudzie (przed zmianą częstotliwości
wyłączyć symulację).
5. Ustawić generację sygnału sinusoidalnego i kierując się wskazaniami miernika częstotliwości
i multimetrów ustalić górną częstotliwość pasma przeniesienia układu, przy której
wzmocnienie zmniejsza się o 3dB w stosunku do wartości początkowej).
6. Złożyć układ symulacyjny do badania wzmacniacza nieodwracającego (rys.6) kierując się
wskazówkami prowadzącego.
7. Wykonać polecenia od p.2 do p.6 dla układu wzmacniacza nieodwracającego.
5
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Rys.5 Schemat układu symulacyjnego do badania wzmacniacza odwracającego
Rys.6 Schemat układu symulacyjnego do badania wzmacniacza nieodwracającego
6
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4. Badanie wzmacniacza różnicowego
4.1 Zestaw pomiarowy
•
•
•
•
•
•
•
Wirtualny wzmacniacz operacyjny TL072ACP,
Wirtualne elementy rezystancyjne,
Wirtualne źródła zasilania DC,
Wirtualny generator sygnału,
Wirtualne multimetry,
Wirtualny miernik częstotliwości,
Wirtualny oscyloskop.
4.2 Przebieg ćwiczenia
1. Złożyć układ symulacyjny do badania wzmacniacza różnicowego (rys.7a) kierując się
wskazówkami prowadzącego.
2. Uaktywnić generator, ustawić generację sygnału sinusoidalnego o parametrach: 100 Hz, 1V.
Uruchomić symulację.
3. Uaktywnić multimetry miernik częstotliwości (czułość miernika ustawić na wartość 10 mV)
oraz oscyloskop. Na podstawie wskazań mierników zmierzyć wzmocnienie sygnału
generatora układu dla zmierzonej częstotliwości sygnału. Powtórzyć pomiary dla
częstotliwości 1 kHz oraz 10 kHz. Zaobserwować przebiegi sygnałów na oscyloskopie.
4. Złożyć układ symulacyjny do badania wzmacniacza różnicowego – wzmocnienie sumacyjne
(rys.7b) kierując się wskazówkami prowadzącego.
5. Wykonać badania z p.2, i p.3 dla wzmocnienia sumacyjnego sygnału.
6. Dla częstotliwości określonych poprzednio obliczyć parametr CMRR układu (wz.2).
Rys.7a Schemat układu symulacyjnego do badania układu wzmacniacza różnicowego
7
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Rys.7b Schemat układu symulacyjnego do badania układu wzmacniacza różnicowego –
wzmocnienie sumacyjne
5. Badanie wzmacniacza całkującego
5.1 Zestaw pomiarowy
•
•
•
•
•
•
•
•
Wirtualny wzmacniacz operacyjny TL072ACP,
Wirtualne elementy rezystancyjne,
Wirtualny kondensator
Wirtualne źródła zasilania DC,
Wirtualny generator sygnału,
Wirtualne multimetry,
Wirtualny miernik częstotliwości,
Wirtualny oscyloskop.
5.2 Przebieg ćwiczenia
1. Złożyć układ symulacyjny do badania wzmacniacza całkującego (rys.8) kierując się
wskazówkami prowadzącego.
2. Uaktywnić generator, ustawić generację sygnału prostokątnego o parametrach: 100 Hz, 1V.
Uruchomić symulację.
3. Uaktywnić oscyloskop i zaobserwować przebieg sygnałów wejściowego i wyjściowego na
oscyloskopie.
4. Ustawić generację sygnału trójkątnego o parametrach z p.2. i zaobserwować przebiegi
sygnałów na oscyloskopie.
5. Ustawić generację sygnału sinusoidalnego i zaobserwować jego przebieg na oscyloskopie
Uaktywnić multimetry oraz miernik częstotliwości (czułość miernika ustawić na wartość
10 mV). Na podstawie wskazań mierników obliczyć wzmocnienie układu dla częstotliwości
generowanego sygnału równych: 100 Hz, 1kHz oraz 10 kHz.
8
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Rys.8 Schemat układu symulacyjnego do badania wzmacniacza całkującego
6. Sprawozdanie
W sprawozdaniu należy zamieścić:
• tabele wyników pomiarowych,
• wykresy mierzonych zależności,
• interpretacje uzyskanych wyników i wnioski.
Literatura
• M. Nadachowski, Z. Kulka: Analogowe Układy Scalone, WKiŁ, W-wa, 1980
• P. Horowitz, W. Hill: Sztuka Elektroniki, tom 1, WKiŁ, W-wa, 1995
• P. Górecki: Wzmacniacze operacyjne, WNT, 2002
• U.Tietze, Ch.Schenk: Układy półprzewodnikowe, WNT 2008
9
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Układy elektroniczne – instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych