Ćwiczenie E8 BADANIE WZMACNIACZA OPERACYJNEGO ZA

Laboratorium Podstaw Elektroniki
Wiaczesław Szamow
Arkadiusz Wysokiński
Ćwiczenie E8
BADANIE WZMACNIACZA OPERACYJNEGO ZA
POMOCĄ PROGRAMU PSpice Student
opr. tech. Mirosław Maś
Uniwersytet Przyrodniczo - Humanistyczny
Siedlce 2011
1. Wstęp
Wzmacniacze operacyjne należą do najczęściej stosowanych układów w elektronice
analogowej. Z uwagi na bardzo duże wzmocnienie wzmacniacze te pracują zwykle w
obwodach z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Zależnie od charakteru sprzężenia otrzymuje
się układy realizujące różne operacje matematyczne takie jak: dodawanie, odejmowanie,
różniczkowanie, całkowanie itp., stąd nazwa - wzmacniacze operacyjne. W oparciu o
wzmacniacze operacyjne konstruuje się również filtry aktywne, generatory, wtórniki
napięciowe, przetworniki prąd-napięcie, komparatory i inne ważne w elektronice układy.
Ćwiczenie jest całkowicie wirtualne - badamy w nim, za pomocą odpowiedniego programu
komputerowego wzmacniacz operacyjny LM 324 oraz układ odwracający i nieodwracający
fazę. Stąd cały zestaw laboratoryjny stanowi tu jedynie
komputer PC z systemem operacyjnym i programem PSpice Student
Oprócz wyznaczania parametrów i charakterystyk wzmacniacza operacyjnego dodatkowym
celem ćwiczenia jest poznanie programu PSpice tj. jednej z wielu wirtualnych metod
badania układów elektronicznych.
UWAGA: Nie wprowadzaj żadnych zmian ani w systemie operacyjnym ani w programie
PSpice Student. W przeciwnym razie program nie będzie działał poprawnie
Do ćwiczenia należy przygotować następujące zagadnienia teoretyczne:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
klasyfikacja i ważniejsze parametry wzmacniaczy
3dB pasmo przenoszenia
wzmacniacz różnicowy
współczynnik CMRR
wtórnik emiterowy
wzmacniacz operacyjny
układ odwracający fazę
układ nieodwracający fazę
charakterystyka przejściowa i amplitudowa wzmacniacza
3
2. Wzmacniacze operacyjne
Wzmacniacz operacyjny to kilkustopniowy wzmacniacz różnicowy o bardzo dużym
wzmocnieniu napięciowym. Jego schemat blokowy jest jak na rysunku poniżej
Rys. 1
Każdy wzmacniacz operacyjny posiada dwa wejścia:
„−” odwracające fazę napięcia wejściowego
„+” nieodwracające fazę napięcia wejściowego
Na schematach wzmacniacze operacyjne oznacza się takimi samymi symbolami jak
wzmacniacze różnicowe:
Lepsze wzmacniacze operacyjne osiągają:
wzmocnienie napięciowe
opór wejściowy
opór wyjściowy
górna częst. graniczna
współczynnik CMRR
- 105 ÷ 107 (100 ÷ 140dB)
- większy niż 1MΩ
- około 50 ÷ 200Ω
- większa niż 1MHz
- 80 ÷ 100dB
Wyspecjalizowane wzmacniacze operacyjne mogą mieć jeszcze lepsze parametry.
Typowy wzmacniacz operacyjny zawiera kilkanaście tranzystorów i często wykonany
jest w postaci układu scalonego małej skali integracji. Jeden układ scalony może zawierać
kilka takich wzmacniaczy. Z uwagi na masową produkcję koszt podobnych układów
scalonych jest niewielki. Przykładowo, układ scalony LM 324 zawiera 4 identyczne
wzmacniacze operacyjne. Układ ten może być zasilany jednym źródłem napięciowym lub
dwoma jak w klasycznym wzmacniaczu różnicowym. Schemat ideowy takiego wzmacniacza
ukazuje Rys. 2
4
Rys. 2
Wejściowy wzmacniacz różnicowy składa się z dwóch par Darlingtona T1, T2 i T3, T4.
Pary takie dają duże wzmocnienie i istotnie zmniejszają pobór prądu wejściowego przez
wzmacniacz. Źródło prądowe 6µA zastępuje wspólny opornik emiterowy, a tranzystory
T8 i T9 zastępują oporniki kolektorowe. Sam układ scalony LM 324 i rozmieszczenie w
nim wzmacniaczy operacyjnych pokazano na Rys. 3
Rys. 3
Jednym z najważniejszych parametrów wzmacniacza operacyjnego jest współczynnik
CMRR, termin angielski - common mode rejection ratio. Definiuje się go wzorem
CMRR = 20 log
5
Ar
Aw
(1)
gdzie Ar , Aw są odpowiednio wzmocnieniami sygnału różnicowego lub współbieżnego.
Większy współczynnik CMRR oznacza większy stosunek sygnału użytecznego do np.
szumów.
Z uwagi na bardzo dużą oporność wejściową wzmacniacze operacyjne pobierają
bardzo mały prąd wejściowy (rzędu nA lub mniejszy). Z kolei bardzo duże wzmocnienie
oznacza, że potencjały wejść „−” i „+” są praktycznie takie same, bo różnica potencjałów
rzędu mV powoduje przesterowanie wzmacniacza. Aby tego uniknąć do wzmacniaczy
operacyjnych dodajemy pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego. Analizę obwodów ze
wzmacniaczami operacyjnymi można uprościć przyjmując, że wzm. operacyjny nie pobiera
prądu wejściowego i że potencjały wejść „−” i „+” są identyczne. Takie uproszczenie jest
nieuzasadnione dla przebiegów szybkozmiennych, gdy wzmocnienie wzmacniacza
operacyjnego jest niewielkie.
3. Sprzężenie zwrotne
Sprzężenie zwrotne w układzie zachodzi, gdy część sygnału wyjściowego pojawia się
na wejściu układu. Jeżeli tę część sygnału wejściowego podajemy:
a) zgodnie z fazą sygnału wejściowego, to sprzężenie jest dodatnie
b) przeciwnie do fazy sygnału wejściowego, to sprzężenie jest ujemne
Sprzężenie zwrotne może występować w systemach o różnej naturze np. mechanicznych,
akustycznych, hydraulicznych, biologicznych itp. Sprzężenie, gdy nie jest pożądane, może
prowadzić do wadliwej pracy układu a nawet jego zniszczenia. Dodatnie sprzężenie zwrotne
wykorzystuje się do generacji sygnałów. Ujemne sprzężenie zwrotne służy głównie do
regulacji i stabilizacji pracy układu.
Najogólniej, obwód ze sprzężeniem składa się z układu o funkcji przenoszenia Ko(ω)
i pętli sprzężenia zwrotnego o funkcji przenoszenia b(ω)
Rys. 4
Funkcje przenoszenia opisuje się liczbami zespolonymi
Ko(ω) = A(ω) e jα(ω)
i
b(ω) = B(ω)e jβ(ω)
których moduły A(ω) i B(ω) oraz argumenty α(ω) i β(ω) mogą zależeć od pulsacji ω
sygnału wejściowego. Ponieważ Y = Ko Xo i Xo = X + bY , to funkcja przenoszenia K(ω)
6
całego układu z pętlą sprzężenia wynosi
K (ω ) =
Ko X o
Ko
Y
=
=
X X o − bK o X o 1 − bK o
W przypadku wzmacniaczy o bardzo dużym wzmocnieniu, mamy w granicy
o →∞
K (ω ) K
→ −
1
b(ω )
Jak widać w tym przypadku, funkcja przenoszenia układu jest zależna jedynie od charakteru
samego sprzężenia. Zatem wzmacniacze mogą mieć różne parametry, np. wzmocnienie 105
lub 107, a układ i tak będzie pracować tak samo.
Pokażemy to na przykładzie tzw. wtórnika napięciowego
Rys. 5
Ujemną pętlę sprzężenia tworzy tu opornik R. Przy dużym wzmocnieniu potencjały wejść
„−” i „+” są identyczne. Ponieważ oporność wejściowa wzmacniacza operacyjnego jest
bardzo duża, to spadek napięcia na oporze R jest pomijalnie mały i całe napięcie Uwy
odkłada się na wejściu „−”. Stąd
Uwy = Uwe
Zatem wzmocnienie tego układu równe jest 1 i nie zależy ani od parametrów wzmacniacza
operacyjnego ani od napięcia wejściowego. Za to opór wejściowy jest bardzo duży, bo równa
się oporności wzmacniacza operacyjnego. Stąd wtórniki napięciowe służą do separacji
różnych stopni układów elektronicznych.
7
4. Układy odwracający i nieodwracający fazę
Układy odwracający i nieodwracający fazę są bardzo często stosowanymi
konfiguracjami dla wzmacniaczy operacyjnych. Układ odwracający fazę ukazuje Rys.6
Rys. 6
Pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego tworzą oporniki R1 i R2. Ponieważ wzmacniacz
operacyjny praktycznie nie pobiera prądu wejściowego, to prąd i płynie tylko przez oporniki.
Ponadto potencjały wejść „−” i „+” są praktycznie identyczne, stąd
Uwy = - iR2
Uwe = iR1
Dzieląc stronami dostajemy wzmocnienie układu odwracającego fazę
K =−
R2
R1
(2)
Jak widać wzmocnienie nie zależy ani od napięcia wejściowego, ani od parametrów
wzmacniacza. Przy tym jeżeli napięcie wejściowe wzrasta, to napięcie wyjściowe maleje jak
na Rys. 7
Rys. 7
8
Charakterystyka przejściowa układu jest liniowa lecz ma zakresy nasycenia, które nie mogą
przekroczyć napięć -Uz i +Uz zasilających wzmacniacz.
Układ nieodwracający fazę jest jak na Rys. 8
Rys. 8
Ujemna pętla sprzężenia i tu składa się z oporników R1 i R2. Jednak napięcie wejściowe
podajemy na wejście „+” nieodwracające fazę. Podobnie argumentując mamy:
Uwy = i( R1+R2)
Uwe = iR1
Stąd wzmocnienie układu nieodwracającego fazę wynosi
K=
R1 + R2
R
= 1+ 2
R1
R1
Charakterystyka przejściowa takiego wzmacniacza też jest liniowa – ilustruje to Rys. 9
Rys. 9
9
(3)
Zakresy nasycenia nie mogą oczywiście przekroczyć napięć −Uz i +Uz zasilających
wzmacniacz. Dla wzmacniaczy rzeczywistych charakterystyki przestają być liniowe w
pobliżu nasycenia, gdzie się zakrzywiają. Opór wejściowy obu układów jest znacznie
mniejszy niż samego wzmacniacza operacyjnego i wynosi:
R we =
U we
= R1
i
Zauważmy na koniec, że wtórnik napięciowy otrzymujemy kładąc w układzie
nieodwracającym fazę R1 = ∞ .
5. Program PSpice Student
Program PSpice Student jest jednym z kilku, dostępnych bezpłatnie w internecie,
komputerowych programów umożliwiających analizę wirtualną analogowych i cyfrowych
układów elektronicznych. Program ten jest uproszczoną wersją profesjonalnego symulatora
SPICE przeznaczonego głównie do badania i projektowania złożonych układów scalonych.
Litera P oznacza, że program jest obsługiwany przez komputery PC. Termin SPICE jest
akronimem angielskich słów: Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis.
Program SPICE symuluje obwody elektryczne za pomocą układów równań różniczkowych
(z reguły nieliniowych), które następnie rozwiązuje metodami numerycznymi. Możliwa jest
między innymi:
analiza częstotliwościowa
analiza stałoprądowa
analiza stanów nieustalonych
analiza furierowska
AC
DC
Transient
FT
Wyniki otrzymuje się w formie tabeli lub odpowiednich wykresów. Program PSpice Student
uruchamia się najprościej wybierając kolejno
Start →Programy→PSpice Student→Schematics
Wówczas na monitorze ukazuje się okno PSpice Sschematics z różnymi ikonami,
10
w którym należy narysować badany układ elektroniczny. Po kliknięciu przycisku Get New
Part ukazuje się okno Part Browser Advanced, w którym znajdziesz potrzebne elementy.
Naciśnięcie opcji Place lub Place & Close wkleja wybrany element do schematu.
Połączenia (przewody) rysujemy za pomocą przycisku „ołówek”. Dwukrotne kliknięcie w
wybrany element pozwala zmienić nazwę lub jego wartość liczbową. W każdym układzie
muszą się znaleźć się punkty połączenia z masą (tzw. uziemienie).
Aby dokonać analizy układu klikamy przycisk Setup Analysis. Wówczas program
musi zapisać schemat - schemat zapisz sygnując go własnym nazwiskiem. Jeżeli układ jest
narysowany niepoprawnie to ukaże się okno Message Viewer, które wyszczególnia
popełnione błędy. Gdy schemat jest poprawny ukazuje się okno Analysis Setup, w którym
można wybrać rodzaj analizy i ustawić jej parametry.
Opcja Bias Point Detail jest uruchamiana przy każdej analizie – umożliwia ona zbadanie
rozkładu prądów i napięć w obwodzie.
Symulację pracy uruchamiamy przyciskiem Simulate. Po chwili, zależnie od
ustawień Analysis Setup, dostajemy wykres badanej charakterystyki lub okno w którym
wykresy charakterystyk można obejrzeć za pomocą przycisków AC, DC lub Transient.
11
Aby wkleić potrzebny wykres do swojego pliku tekstowego należy wejść w opcję Window
Z listy wybierz Copy to Clipboard.., a z otwartego okienka kolorystystykę i zatwierdź OK.
12
Wykresy do swojego pliku wkleja się przez Ctrl V.
6. Przebieg symulacji pomiarów
a. uruchom PSpice Schematics i edytor tekstowy Word. Aby wyznaczyć charakterystykę
przejściową dla sygnału różnicowego, narysuj schemat
i skopiuj go do pliku tekstowego. W okienku Analysis Setup wybierz DC Sweep i ustaw
Start Value:-0.001, End Value: 0.001, Increment: 0.0001 oraz Name V1.
Uruchom opcję Simulate i otrzymany wykres wklej do swojego pliku.
b. aby wyznaczyć opór wyjściowy zmierz przyciskiem „V” napięcie wyjściowe na oporniku
100k. Następnie zewrzyj wyjście wzmacniacza i po symulacji zmierz przyciskiem „I”
prąd wyjściowy – oba wyniki zanotuj. Opór wyjściowy obliczamy z prawa Ohma.
c. aby otrzymać charakterystykę przejściową dla sygnału współbieżnego narysuj schemat
i skopiuj go do pliku tekstowego. W okienku Analysis Setup wybierz DC Sweep i ustaw
13
Start Value:-1, End Value: 1, Increment: 0.1 oraz Name V1.
Uruchom opcję Simulate i otrzymany wykres wklej do swojego pliku.
d. narysuj schemat wzmacniacza odwracającego i wklej go do pliku tekstowego.
Wprowadź dla generatora sygnału VSIN parametry sygnału jak niżej
W okienku Analysis Setup wybierz opcje AC Sweep i DC Sweep
14
Parametry tych analiz wybierz następująco:
Przeprowadź symulację pracy wzmacniacza. Wykres analizy DC skopiuj do
sprawozdania (pliku Worda).
e. do ustawień Analysis Setup z punktu d dodaj Temperature i wybierz temperatury jak
niżej
Uruchom opcję Simulate i otrzymany wykres AC Sweep z siedmioma krzywymi wklej
do pliku. Częstotliwości graniczne dla wybranych temperatur wyznacza się za pomocą
przycisku Toggle cursor, klikając znaczniki kolejnych krzywych. Wartość drugiej
współrzędnej A1 dla 3dB pasma przenoszenia otrzymasz, dzieląc 10V przez
2 = 1,4142 . Wartości pierwszej współrzędnej A1 notujemy w Tab. 1.
temp. [oC]
częst. gran.
[kHz]
-150
-100
-50
Tab. 1
15
0
50
100
150
f. narysuj schemat wzmacniacza nieodwracającego i wklej go do pliku.
W Analysis Setup wybierz tylko DC Sweep i ustaw parametry jak w punkcie d.
Przeprowadź symulację pracy wzmacniacza i otrzymany wykres wklej do pliku.
3. Opracowanie wyników
1. oblicz wzmocnienie dla sygnału różnicowego wykorzystując najbardziej stromą częśc
charakterystyki z punktu a.
2. oblicz wzmocnienie dla sygnału współbieżnego w oparciu o charakterystykę z punktu b.
3. wyznacz współczynnik CMRR w decybelach.
4. oblicz opór wyjściowy wzmacniacza operacyjnego. Wyniki umieść w Tab. 2
wzm.różnicowe
wzm. sumacyjne
CMRR [dB]
Opór wyj. [Ω]
Tab. 2
i porównaj je z parametrami podanymi w §. 2
5. narysuj na papierze milimetrowym formatu A4 wykres zależności częstotliwości
granicznej od temperatury. Wyjaśnij dlaczego częstotliwość graniczna maleje ze wzrostem
temperatury.
6. oblicz wzmocnienie układu odwracającego i nieodwracającego ze wzorów i wykresów.
7. Znajdź na schemacie z Rys. 2 trzecią parę Darlingtona. Wskaż wszystkie tranzystory npn
i pnp.
Literatura:
[1] M. Rusek, J. Pasierbiński, Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach,
WNT, Warszawa 2006
[2] P.Horowitz, W.Hill, Sztuka elektroniki, tom1 i 2, WKiŁ, W-wa 2009
[3] Wprowadzenie do laboratorium Podstaw Elektroniki.
16