wo_konspekt_2012_10_05-1.pdf

(1117 KB) Pobierz
Laboratorium Elektroniczne WFiIS
A-3. Wzmacniacz operacyjny
A-3. Wzmacniacz Operacyjny - parametryzacja i zastosowanie
wersja 04’2014
1. Zakres
ćwiczenia
2B
Wyznaczenie stałoprądowych funkcji przenoszenia, amplitudowych charakterystyk
częstotliwościowych, niektórych stałoprądowych parametrów wzmacniacza operacyjnego oraz
parametrów czasowych:
1. wtórnika napięciowego
2. wzmacniacza nieodwracającego o wzmocnieniu +11V/V
3. wzmacniacza odwracającego o wzmocnieniu -10V/V
4. wzmacniacza odwracającego o wzmocnieniu -100V/V
5. wzmacniacza odejmującego o wzmocnieniu +10V/V
6. wzmacniacza. sumującego (wzm -10V/V jednego wejścia, wzm. -2V/V drugiego wejścia)
7. pomiar wejściowego napięcia niezrównowaŜenia Vos, pomiar dryfu temperaturowego tegoŜ
napięcia Vos
8. pomiar wejściowego prądu polaryzacji I
B
, pomiar wejściowego prądu niezrównowaŜenia I
os
Przykładowe wykorzystanie wzmacniacza operacyjnego w układach nieliniowych zaprezentowane zostanie
na przykładzie układów
:
1. generatora funkcyjnego,
2. wzmacniacza logarytmicznego.
2. Wstęp teoretyczny
1B
2.1 Podstawowe parametry wzmacniaczy operacyjnych
Wzmacniacz operacyjny jest elektronicznym elementem aktywnym z symetrycznym wejściem
róŜnicowym oraz niesymetrycznym wyjściem. Symbol wzmacniacza operacyjnego przedstawiony
jest na rysunku 1. Wejście oznaczone symbolem ”-” jest wejściem odwracającym, zaś wejście
oznaczone symbolem ”+” jest wejściem nieodwracającym fazę napięcia wyjściowego względem
wejściowego. Wzmacniacze operacyjne charakteryzują się duŜym wzmocnieniem w otwartej pętli
oraz przeznaczone są do pracy z ujemnym sprzęŜeniem zwrotnym, które stabilizuje ich pracę,
zwiększa zakres dynamiczny, poprawia liniowość i poszerza pasmo przenoszenia. Podstawowe
parametry idealnego wzmacniacza operacyjnego zebrane są w tabeli 2.1.
W celu oceny na ile dany wzmacniacz operacyjny jest bliski idealnemu, określa się kilka
podstawowych parametrów:
1.
wzmocnienie róŜnicowe kUR,
zwane teŜ wzmocnieniem w otwartej pętli (ang. open loop
gain), definiowane jako stosunek zmiany napięcia wyjściowego do wywołującej ją zmiany
∂
U
WY
róŜnicowego napięcia wejściowego:
k
UR
=
dla zakresu nienasycenia wzmacniacza. Na
∂
U
R
rysunku 1 pokazana jest charakterystyka przenoszenia dla wzmacniacza idealnego (linia ciągła) i
Strona 1 z 18
Laboratorium Elektroniczne WFiIS
A-3. Wzmacniacz operacyjny
rzeczywistego (linia przerywana). Nachylenie charakterystyki w zakresie liniowym odpowiada
wzmocnieniu róŜnicowemu. Typowy liniowy zakres zmian napięcia wyjściowego, zaleŜy od
konfiguracji układowej, napięć zasilających i wewnętrznej architektury samego wzmacniacza
operacyjnego.
Rysunek 1. Symbol graficzny wzmacniacza operacyjnego i jego charakterystyka przenoszenia
2.
wejściowe napięcie niezrównowaŜenia
Vos
- jest to napięcie róŜnicowe jakie naleŜy
przyłoŜyć na wejściu wzmacniacza rzeczywistego, aby na jego wyjściu uzyskać napięcie równe
zeru (patrz rys.1). Typowo jest ono rzędu kilku
µ
V
do kilku
mV
i w zaleŜności od zastosowań
moŜna je pominąć lub skompensować do zera.
3.
temperaturowy dryf wejściowego napięcia niezrównowaŜenia
- definiowany jest jako
stosunek zmiany wejściowego napięcia niezrównowaŜenia do wywołującej ja zmiany
temperatury. Typowe wartości tego współczynnika są rzędu kilku do kilkudziesięciu
µ
V/
o
C.
4.
wzmocnienie sygnału wspólnego
- podając na oba wejścia wzmacniacza identyczny sygnał
(tzw. sygnał wspólny
U
S
) w przypadku wzmacniacza idealnego spodziewamy się,
Ŝe
napięcie
wyjściowe będzie równe zeru. Dla wzmacniaczy rzeczywistych obserwujemy róŜne od zera
∂
U
WY
napięcie wyjściowe, co oznacza niezerowe wzmocnienie sygnału wspólnego:
k
US
=
.
∂
U
S
Właściwość tą opisuje współczynnik tłumienia sygnału wspólnego
CMRR
(ang. Common mode
rejection ratio), definiowany jako stosunek wzmocnienia róŜnicowego do wzmocnienia sygnału
k
wspólnego:
CMRR
=
UK
, gdzie
k
UR
- wzmocnienie róŜnicowe,
k
US
– wzmocnienie sygnału
k
US
wspólnego. Widzimy stąd,
Ŝe
dla wzmacniacza idealnego oczekujemy
CMRR
→ ∞
. W
rzeczywistych wzmacniaczach operacyjnych
CMRR
jest rzędu 80 - 120 dB.
5.
współczynnik
PSRR
(ang. power supply rejection ratio) - współczynnik określający
odporność wzmacniacza na zmiany napięć zasilających, definiowany jako stosunek zmiany
napięcia niezrównowaŜenia do zmiany napięcia zasilania.
Strona 2 z 18
Laboratorium Elektroniczne WFiIS
A-3. Wzmacniacz operacyjny
Rysunek 2: Schemat zastępczy wzmacniacza operacyjnego z uwzględnieniem rezystancji wejściowych.
6.
rezystancja wejściowa:
na rys.2 przedstawiony jest schemat zastępczy wzmacniacza
operacyjnego z uwzględnieniem wejściowej rezystancji róŜnicowej
r
R
(mierzonej między
końcówkami wejściowymi wzmacniacza z otwartą pętlą) oraz wspólnej
r
S
(mierzonej między
jednym z wejść a masa).
7. do wejść wzmacniacza operacyjnego wpływają niezerowe
prądy polaryzujące
jego stopień
wejściowy. W zaleŜności od technologii wzmacniacza wartości tych prądów wahają się w
granicach od kilku
fA
do kilku
nA,
a w przypadku szybkich wzmacniaczy
1-2
µ
A.
Wejściowe
prądy polaryzujące są przyczyną błędów wzmacniacza, gdyŜ mimo braku napięcia wejściowego
powodują zmiany napięcia na wyjściu. RóŜnica wejściowych prądów polaryzujących jest
nazywana
wejściowym prądem niezrównowaŜenia
Ios.
W poniŜszej tabelce, w ramach podsumowania, zestawione są wybrane parametry wzmacniacza operacyjnego
idealnego i rzeczywistego:
Tabela 1: Wybrane parametry wzmacniacza idealnego i rzeczywistego.
Wybrane parametry
wzmocnienie róŜnicowe
pasmo przenoszenia
napięcie niezrównowaŜenia
CMRR
PSRR
rezystancja wejściowa
rezystancja wyjściowa
prąd polaryzujący
Idealny WO
∞
od 0 do
∞
0
∞
∞
∞
0
0
Rzeczywisty WO
10
5
- 10
7
kilka MHz
kilka
µV
– Mv
80 – 120 dB
50- 100 dB
kilka MΩ
kilkadziesiąt do kilkaset
Ω
kilka fA - nA
2.2 Przykładowe wykorzystanie wzmacniaczy operacyjnych w układach nieliniowych
Generator funkcyjny
Strona 3 z 18
Laboratorium Elektroniczne WFiIS
A-3. Wzmacniacz operacyjny
Rysunek 3. Generator funkcyjny i jego charakterystyka.
Dla
U
WE
= 0
diody są odcięte napięciem
wej
ś
ciowej wynosi
−
UR
i nachylenie charakterystyki wyj
ś
ciowo -
R
+
R
'
R
F
. Je
ś
li jedna z diod zacznie przewodzi
ć
, to nachylenie wzro
ś
nie dwukrotnie
R
dU
WY
R
=
F
. Zajdzie to w przypadku, gdy potencjał
co do warto
ś
ci bezwzgl
ę
dnej, bowiem
dU
WE
R
||
R
katody górnej diody zbli
Ŝ
y si
ę
do zera po warto
ś
ciach dodatnich, albo te
Ŝ
gdy potencjał anody dolnej
U
U
diody zbli
Ŝ
y si
ę
do zera po warto
ś
ciach ujemnych, to jest gdy
WE
=
. Zakłada si
ę
tutaj idealn
ą
R
R
'
charakterystyk
ę
diod jako zaworów.
Wzmacniacz logarytmiczny
Rysunek 4. Wzmacniacz logarytmiczny i charakterystyka diody.
Strona 4 z 18
Laboratorium Elektroniczne WFiIS
A-3. Wzmacniacz operacyjny
Zasada działania wzmacniacza logarytmicznego opiera si
ę
na nieliniowej charakterystyce pr
ą
dowo-
−
U
WY
η
U
U
T
napi
ę
ciowej diody, tutaj spolaryzowanej w kierunku przewodzenia:
i
=
I
S
e
−
1
≈
I
S
e
η
U
T
(dla
U
> 4U
T
), gdzie:
kT
U
T
=
(przy 20
o
C
U
T
=25mV
),
q
k- stała Boltzmana
T -temperatura w [K]
q – ładunek elektronu.
η
- czynnik skaluj
ą
cy z zakresu 1 - 2
3. Uwagi do
ćwiczenia
1. Układy s
ą
badane przy zastosowaniu:
a) regulowanego
ź
ródła napi
ę
cia stałego do wyznaczania charakterystyk przej
ś
ciowych,
b) generatora sinusoidalnego w celu wyznaczenia charakterystyk cz
ę
stotliwo
ś
ciowych,
c) generatora przebiegu prostok
ą
tnego i trójk
ą
tnego w celu zaobserwowania odpowiedzi
na skok jednostkowy i napi
ę
cie narastaj
ą
ce liniowo.
2. Wielko
ś
ci zmierzone nale
Ŝ
y porówna
ć
z wyliczonymi teoretycznie na podstawie schematów
lub z zamieszczonymi w nocie katalogowej producenta.
3. Charakterystyki cz
ę
stotliwo
ś
ciowe rysowa
ć
w typowym układzie: wzmocnienie w dB,
cz
ę
stotliwo
ść
w skali logarytmicznej.
3B
Literatura
1.
2.
3.
4.
Kulka Z., Nadachowski M.:
Liniowe układy scalone i ich zastosowanie
.
Tietze U., Schenk Ch.:
Układy półprzewodnikowe.
Zumbahlen H.:
Linear Circuit Design Handbook.
Low Power, Precision Rail-to-Rail Output Operational Amplifier AD8622 – data sheet:
http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8622_8624.pdf
5. Dual Low-Power JFET-Input General-Purpose Operational Amplifier TL062 – data sheet:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl062.pdf
Strona 5 z 18

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin