Wzmacniacz Operacyjny - parametryzacja i zastosowanie

Transkrypt

1 Wzmacniacz Operacyjny - parametryzacja i zastosowanie 1 Zakres ćwiczenia Wyznaczenie stałoprądowych funkcji przenoszenia, amplitudowych charakterystyk częstotliwościowych, niektórych stałoprądowych parametrów wzmacniacza operacyjnego w podstawowych konfiguracjach: 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 (wzmocnienie -10V/V dla sygnału z pierwszego wejścia, wzmocnienie -2V/V dla sygnału z drugiego wejścia) 7. pomiar wejściowego napięcia niezrównoważenia V os, pomiar dryfu temperaturowego tegoż napięcia V os 8. pomiar wejściowego prądu polaryzacji I B, pomiar wejściowego prądu niezrównoważenia I os Przykładowe wykorzystanie wzmacniacza operacyjnego w układach nieliniowych zaprezentowane zostanie na przykładzie układów: 1. generatora funkcyjnego, 2. wzmacniacza logarytmicznego. 2 Wstęp teoretyczny 2.1 Podstawowe parametry wzmacniaczy operacyjnych Wzmacniacz operacyjny jest elektronicznym elementem aktywnym z symetrycznym wejściem różnicowym 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 dużym wzmocnieniem w otwartej pętli oraz przeznaczone są do pracy z ujemnym sprzężeniem 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 różnicowe k UR, zwane też wzmocnieniem w otwartej pętli (ang. open loop gain), definiowane jako stosunek zmiany napięcia wyjściowego do wywołującej ją zmiany różnicowego napięcia wejściowego: k UR = U W Y U R dla zakresu nienasycenia wzmacniacza. Na rysunku 1 pokazana jest charakterystyka przenoszenia dla wzmacniacza idealnego (linia ciągła) i rzeczywistego (linia przerywana). Nachylenie charakterystyki w zakresie liniowym odpowiada wzmocnieniu różnicowemu. Typowy liniowy zakres zmian napięcia wyjściowego, zależy od konfiguracji układowej, napięć zasilających i wewnętrznej architektury samego wzmacniacza operacyjnego. 1

2 UWY U N zakres nasycenia zakres liniowy zakres nasycenia UR UP UWY Vos UR Rysunek 1: Symbol graficzny wzmacnaicza operacyjnego i jego charakterystyka przenoszenia. 2. wejściowe napięcie niezrównoważenia V os - jest to napięcie różnicowe jakie należy przyłożyć na wejściu wzmacnaicza rzeczywistego, aby na jego wyjściu uzyskać napięcie równe zeru (patrz rys.1). Typowo jest ono rzędu kilku µv do kilku mv i w zależności od zastosowań można je pominąć lub skompensować do zera. 3. temperaturowy dryf wejściowego napięcia niezrównoważenia - definiowany jest jako stosunek zmiany wejściowego napięcia niezrównoważenia do wywołującej ją zmiany temperatury. Typowe wartości tego współczynnika są rzędu kilku do kilkudziesięciu µv/ C. 4. wzmocnienie sygnału wspólnego - podając na oba wejścia wzmacniacza identyczny sygnał (tzw. sygnał wspólny U S ) w przypadku wzmacniacza idealnego spodziewamy się, że napięcie wyjściowe będzie równe zeru. Dla wzmacniaczy rzeczywistych obserwujemy różne od zera napięcie wyjściowe, co oznacza niezerowe wzmocnienie sygnału wspólnego: k US = U W Y U S. Właściwość tą opisuje współczynnik tłumienia sygnału wspólnego CMRR (ang. common mode rejection ratio), definiowany jako stosunek wzmocnienia różnicowego do wzmocnienia sygnału wspólnego: CMRR = k UR k US, gdzie k UR - wzmocnienie różnicowe, k US - wzmocnienie sygnału wspólnego. Widzimy stąd, że dla wzmacniacza idealnego oczekujemy CM RR. W rzeczywistych wzmacniaczach operacyjnych CMRR jest rzędu db. 5. współczynnik PSRR (ang. power supply rejection ratio) - współczynnik określający odporność wzmacniacza na zmiany napięć zasilających, definiowany jako stosunek zmiany napięcia niezrównoważenia do zmiany napięcia zasilania. U N r S r R U WY UP r S 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 różnicowej r R (mierzonej między końcówkami wejściowymi wzmacniacza z otwartą pętlą) oraz wspólnej r S (mierzonej między jednym z wejść a masą). 7. do wejść wzmacniacza operacyjnego wpływają niezerowe prady polaryzujace jego stopień wejściowy. W zależności od technologii wzmacniacza wartości tych prądów wahają się w granicach od kilku fa do kilku na, a w przypadku szybkich wzmacniaczy 1-2 µa. Wejściowe 2

3 prądy polaryzujące są przyczyną błędów wzmacniacza, gdyż mimo braku napięcia wejściowego powodują zmiany napięcia na wyjściu. Różnica wejściowych prądów polaryzujących jest nazywana wejściowym pradem niezrównoważenia I os. W poniższej tabelce, w ramach podsumowania, zestawione są wybrane parametry wzmacniacza operacyjnego idealnego i rzeczywistego: Tablica 1: Wybrane parametry wzmacniacza idealnego i rzeczywistego. Wybrane parametry Idealny WO Rzeczywisty WO wzmocnienie różnicowe pasmo przenoszenia od 0 do kilka MHz napięcie niezrównoważenia 0 kilka µv mv CMRR db PSRR db rezystancja wejściowa kilka MΩ rezystancja wyjściowa 0 kilkadziesiąt do kilkuset Ω prąd polaryzujący 0 kilka fa - na 2.2 Przykładowe wykorzystanie wzmacniaczy operacyjnych w układach nieliniowych 1. Generator funkcyjny U I[A] R R' R F U[V] R charakterystyka idealnej diody U WE R U WY UWY -U R' charakterystyka generatora funkcyjnego UWE Rysunek 3: Generator funkcyjny i jego charakterystyka. Dla U W E = 0 diody są odcięte napięciem RU i nachylenie charakterystyki wyjściowo RR - wejściowej wynosi R F R. Jeśli jedna z diod zacznie przewodzić, to nachylenie wzrośnie dwukrotnie co do wartości bezwzględnej, bowiem du W Y du W E = R F R R. Zajdzie to w przypadku, gdy potencjał katody górnej diody zbliży się do zera po wartościach dodatnich, albo też gdy potencjał anody dolnej diody zbliży się do zera po wartościach ujemnych, to jest gdy U W E R = U. Zakłada się tutaj idealną charakterystykę diod jako zaworów. R 3

4 2. Wzmacniacz logarytmiczny i U i[a] U WE R i I U WY U[V] Rysunek 4: Wzmacniacz logarytmiczny i charakterystyka diody. Zasada działania wzmacniacza logaryticznego opiera się na nieliniowej charakterystyce prądowonapięciowej diody, tutaj spolaryzowanej w kierunku przewodzenia: i = I(e U U T 1) Ie U W Y U T (dla U > 4U T ), gdzie: U T = kt q (przy 20 U T = 25mV ) k - stała Boltzmana T - temperatura w [K] q - ładunek elektronu 3 Uwagi do ćwiczenia 1. Układy są badane przy zastosowaniu: (a) regulowanego źródła napięcia stałego do wyznaczania stałoprądowych charakterystyk, (b) generatora sinusoidalnego w celu wyznaczenia charakterystyk częstotliwościowych, (c) generatora przebiegu prostokątnego i trójkątnego w celu zaobserwowania odpowiedzi na skok jednostkowy i napięcie narastające liniowo. 2. Wielkości zmierzone należy porównać z wyliczonymi teoretycznie na podstawie schematów lub z zamieszczonymi w nocie katalogowej producenta. 3. Charakterystyki częstotliwościowe rysować w typowym układzie: wzmocnienie w db - częstotliwość w skali logarytmicznej. Literatura 1. Kulka Z., Nadachowski M.: Liniowe układy scalone i ich zastosowanie. 2. Tietze U., Schenk Ch.: Układy półprzewodnikowe. 3. Zumbahlen H.: Linear Circuit Design Handbook. 4. Low Power, Precision Rail-to-Rail Output Operational Amplifier AD8622 data sheet: http: // pdf 5. Dual Low-Power JFET-Input General-Purpose Operational Amplifier TL062 - data sheet: http: // 4

5 4 Program ćwiczenia 1. Wtórnik napięciowy U20 Gen. 0 1 U2 UWAGA: Tylko pomiary zmienno-prądowe wtórnika napięciowego na wzmacniaczu U20 wykonać poprzez dopasowany bufor separujący 0 (a) wyznaczyć U 2 = f(u 1 ) dla napięcia stałego, znaleźć nachylenie k u (tj. wzmocnienie dla zerowej częstotliwości) - napięcie zmieniać w zakresie -15V do 15V, (b) znaleźć odpowiedz na skok napięcia dla sygnału małego (kilkaset mv), podać czas narastania, (c) znaleźć odpowiedz na skok napięcia dla sygnału dużego (kilka volt), podać szybkość zmian napięcia na wyjściu, (d) wyznaczyć amplitudową charakterystykę częstotliwościową k u = f(f) dla małych sygnałów, podać częstotliwość graniczną, porównać z wartością katalogową, (e) porównać k u i k u. 2. Wzmacniacz nieodwracający o wzmocnieniu 11V/V R22 R20 U20 U2 5

6 (a) wyznaczyć U 2 = f(u 1 ) dla napięcia stałego, określić nachylenie charakterystyki k u - napięcie zmieniać w zakresie -1.5V do 1.5V, (b) wyznaczyć k u = f(f), określić częstotliwość graniczną. 3. Wzmacniacz odwracający o wzmocnieniu -10V/V R22 (R23) () R20 U20 R29=R20 R22 (R27&R28) 909 (990) U2 (a) wyznaczyć U 2 = f(u 1 ) dla napięcia stałego, określić nachylenie charakterystyki k u - napięcie zmieniać w zakresie -1.5V do 1.5V, (b) wyznaczyć k u = f(f), określić częstotliwość graniczną, wyznaczyć pole wzmocnienia. 4. Wzmacniacz odwracający o wzmocnieniu -100V/V (a) wyznaczyć k 0 = f(f), określić częstotliwość graniczną, wyznaczyć pole wzmocnienia. 5. Wzmacniacz odejmujący o wzmocnieniu -10V/V R22 R20 U20 R25 U3 U2 R26 (a) wyznaczyć U 3 = f(u 2 U 1 ) dla napięć stałych przy stałej wartości U 2 = 1V, określić nachylenie charakterystyki k u. 6. Wzmacniacz sumujący (wzmocnienie -10V/V jednego wejścia, wzmocnienie -2V/V drugiego wejścia) 6

7 R20 R22 R21 5k U20 U2 U3 R24=R20 R21 R (a) wyznaczyć U 2 = f(u 1 U 2 ) dla napięć stałych, określić nachylenie charakterystyki k u. 7. Pomiar wejściowego napięcia niezrównoważenia V OS, pomiar dryfu temperaturowego tegoż napięcia V OS / T R34 R31 U30 R33 R32 Uwyj (a) wyznaczyć wartość wejściowego napięcia niezrównoważenia V OS ze wzoru: V OS = U wyj = U wyj 1 R R 31 Porównać wynik z wartością katalogową. (b) zmierzyć poziom dryfu V OS w funkcji temperatury, Podczas pomiaru V OS jak poprzednio celem wyznaczenia dryfu V OS / T podłączyć do zacisków GRZAŁKA zasilacz napięcia stałego (HP E3631A, dekada: 25V), a w miejsce TEMEPRATURA miernik napięcia. Zmieniać powoli napięcie na zaciskach GRZAŁKA od wartości 2V do 12V jednocześnie odczytując U wyj i napięcie V T EMP ERAT URA na zaciskach TEMPERATURA. Wartość temperatury obliczyć ze wzoru: T [ C] = V T EMP ERAT URA[mV ] 424mV 6.25[ mv C ] Tabela pomiarowa: 7

8 V T EMP ERAT URA [mv ] U wyj [mv ] T EMP ERAT URA[ C] V OS [µv ] Przedstawić graficznie zależność V OS = f(t emp). Wyznaczyć V OS / T, porównać z wartością katalogową. (c) korekta wejściowego napięcia niezrównoważenia, R32 R31 U30 R32 R33 U2 2.5V P30-2.5V Przy U 1 = 0 oczekujemy zerowego napięcia U 2 na wyjściu. Korektę nieidealności dokonać potencjometrem P30. Po korekcie zmierzyć wartość napięcia na suwaku potencjometru P30. Porównać wynik z pomiarem V OS. 8. Pomiar wejściowego prądu polaryzacji I B, pomiar wejściowego prądu niezrównoważenia I OS, (a) wyznaczyć wartość wejściowego prądu polaryzacji I B, Zwierając obie zworki (JMP40 i JMP41) zmierzyć U wyj, obliczyć napięcie V OS : V OS = U wyj 1 R 45 R 40 = U wyj 1001 Zwierając zworkę JMP40 przy rozwartej JMP41 wejściowy prąd polaryzacji IB- płynie przez dużą rezystancję R43 powodując dodatkowy spadek napięcia (I B R43) dokładający się do wcześniej wyznaczonego napięcia niezrównoważenia V OS. Wartość napięcia na wyjściu wynosi: 8

9 U wyj_b = V OS 1001 [1 R ]I B R 43 Zwierając zworkę JMP41 przy rozwartej JMP40 wejściowy prąd polaryzacji I B płynie przez dużą rezystancję R42 powodując dodatkowy spadek napięcia (I B R42) dokładający się do wcześniej wyznaczonego napięcia niezrównoważenia V OS. Wartość napięcia na wyjściu wynosi: U wyj_b = V OS 1001 [1 R ]I BR 42 Wyliczyć wartość wejściowego prądu polaryzacji I B = ( I B I B )/2. Wynik porównać z wartością katalogową. (b) wyznaczyć wartość wejściowego prądu niezrównoważenia I OS Rozwierając obie zworki JMP40 i JMP41 zmierzyć napięcie na wyjściu U wyj. Wyliczyć wejściowy prąd niezrównoważenia I OS ze wzoru: U wyj 1001 V OS R 42 I OS = (I B I B ) = Wynik porównać z wartością katalogową. 9. Generator funkcyjny 15V R51 15k R50 47k R55 7.5k R52 15k D50 U50 R53 15k D51 U2 R54 47k R k -15V (a) wyznaczyć statyczną charakterystykę przejściową U 2 = f(u 1 ) dla danej wartości U r (np. 15V), (b) określić punkty załamania charakterystyki, podać jej nachylenie, (c) dla wejściowego sygnału trójkątnego zaobserwować zniekształcenie przebiegu napięcia na wyjściu spowodowane załamaniem charakterystyki. 9

10 10. Wzmacniacz logarytmiczny R62 9. D60 R60 U60 R61 U61 Uwy2 Uwy1 (a) wyznaczyć charakterystykę U wy2 = f(u 1 ) dla napięcia stałego w przedziale zmienności U 1 pokrywającego co najmniej 3 dekady (np. 10mV.. 10V); napięcie wejściowe podać na wykresie w skali logarytmicznej, (b) oszacować dokładność logarytmowania i podać główne źródła ewentualnego dryfu. 10

11 Dodatek A Parametry katalogowe wzmacniacza operacyjnego AD8622: AD8622 SPECIFICATIONS ELECTRICAL CHARACTERISTICS ±15 V OPERATION VS= ±15 V, VCM = 0 V, TA = 25 C, unless otherwise specified. Table 2. Parameter Symbol Conditions Min Typ Max Unit INPUT CHARACTERISTICS Offset Voltage VOS μv 40 C TA 125 C 230 μv Offset Voltage Drift ΔVOS/ΔT 40 C TA 125 C μv/ C Input Bias Current IB pa 40 C TA 125 C 500 pa Input Offset Current IOS pa 40 C TA 125 C 500 pa Input Voltage Range V Common-Mode Rejection Ratio CMRR VCM = 13.8 V to 13.8 V db 40 C TA 125 C 112 db Open-Loop Gain AVO RL = 10 kω, VO = 13.5 V to 13.5 V db 40 C TA 125 C 120 db Input Resistance, Differential Mode RINDM 1 GΩ Input Resistance, Common Mode RINCM 1 TΩ Input Capacitance, Differential Mode CINDM 5.5 pf Input Capacitance, Common Mode CINCM 3 pf OUTPUT CHARACTERISTICS Output Voltage High VOH RL = 100 kω to ground V 40 C TA 125 C V RL = 10 kω to ground V 40 C TA 125 C V Output Voltage Low VOL RL = 100 kω to ground V 40 C TA 125 C V RL = 10 kω to ground V 40 C TA 125 C V Short-Circuit Current ISC ±40 ma Closed-Loop Output Impedance ZOUT f = 1 khz, AV = Ω POWER SUPPLY Power Supply Rejection Ratio PSRR VS= ±2.0 V to ±18.0 V db 40 C TA 125 C 120 db Supply Current/Amplifier ISY IO = 0 ma μa 40 C TA 125 C 350 μa DYNAMIC PERFORMANCE Slew Rate SR RL = 10 kω, AV = V/μs Gain Bandwidth Product GBP CL = 35 pf, AV = khz Phase Margin ΦM CL = 35 pf, AV = 1 72 Degrees NOISE PERFORMANCE Voltage Noise en p-p f = 0.1 Hz to 10 Hz 0.2 μv p-p Voltage Noise Density en f = 1 khz 11 nv/ Hz Uncorrelated Current Noise Density in f = 1 khz 0.15 pa/ Hz Correlated Current Noise Density in f = 1 khz 0.06 pa/ Hz Rev. 0 Page 3 of 20 11

12 Parametry katalogowe wzmacniacza operacyjnego TL062: 12

13 TL062 Figure 19. AC Amplifier Figure 20. HighQ Notch Filter 0.1 µf 10 kω Inputs 50 Ω 10 kω 0.1 µf 10 kω 1/2 TL kω 1.0 MΩ Output Input R1 C3 C1 R2 R3 C2 1/2 TL062 VEE R1 = R2 = 2R3 = 1.5 MΩ C1 = C2 = fo = C πR1 C1 = 110 pf = 1.0 khz Output Figure 21. Instrumentation Amplifier Input A Input B 100 kω 100 kω VEE VEE 10 kω 0.1% 10 kω 0.1% VEE 10 kω 0.1% 10 kω 0.1% VEE 100 kω 1.0 MΩ 100 Ω Output Figure Hz SquareWave Oscillator Figure 23. Audio Distribution Amplifier RF = 100 kω 15 V 3.3 kω 1/2 TL062 CF = 3.3 µf 15 V 3.3 kω 1 f = 2πRF CF 1.0 kω 9.1 kω Input 1.0 µf 100 kω 100 µf 1.0 MΩ 100 kω 100 kω 100 kω Output A Output B Output C MOTOROLA ANALOG IC DEVICE DATA 7 13

14 TL062 NOTE 2 T SEATING PLANE H F A G D N B C K 0.13 (0.005) M T A M B M OUTLINE DIMENSIONS L P SUFFIX PLASTIC PACKAGE CASE ISSUE K J M NOTES: 1. DIMENSION L TO CENTER OF LEAD WHEN FORMED PARALLEL. 2. PACKAGE CONTOUR OPTIONAL (ROUND OR SQUARE CORNERS). 3. DIMENSIONING AND TOLERANCING PER ANSI Y14.5M, MILLIMETERS INCHES DIM MIN MAX MIN MAX A B C D F G 2.54 BSC BSC H J K L 7.62 BSC BSC M 10 _ 10 _ N D SUFFIX PLASTIC PACKAGE CASE (SO8) ISSUE R A E B C A1 8 1 e D B 5 4 H A 0.25 M C B S A S 0.25 M B M SEATING PLANE 0.10 h X 45_ q C L NOTES: 1. DIMENSIONING AND TOLERANCING PER ASME Y14.5M, DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS. 3. DIMENSION D AND E DO NOT INCLUDE MOLD PROTRUSION. 4. MAXIMUM MOLD PROTRUSION 0.15 PER SIDE. 5. DIMENSION B DOES NOT INCLUDE MOLD PROTRUSION. ALLOWABLE DAMBAR PROTRUSION SHALL BE TOTAL IN EXCESS OF THE B DIMENSION AT MAXIMUM MATERIAL CONDITION. MILLIMETERS DIM MIN MAX A A B C D E e 1.27 BSC H h L q 0 _ 7 _ 8 MOTOROLA ANALOG IC DEVICE DATA 14

15 Dodatek B Schemat funkcjonalny płytki pomiarowej: Wejściowy Prąd Polaryzacji Wzmacniacz Logarytmiczny R45 J61 JMP40 zworka J41 J60 J62 R40 R42 WYJŚCIE R60 R44 1 WEJŚCIE U60 WYJŚCIE U40B R61 R41 zworka R43 U61 U40A JMP41 C41 1uF/cer D60 R62 9. Wejściowe Napięcie Niezrównoważenia Wzmacniacz Funkcyjny J32 J33 J34 2.5V -2.5V P30 J52 V R54 47k GRZAŁKA TEMPERATURA -V Vtemp R k -Vref R53 15k D2 R33 WYJŚCIE J30 JMP33 zworka J50 J53 JMP32 zworka R32 WEJŚCIE WEJŚCIE R52 15k D1 U50 JMP30 zworka J51 R31 U30 J31 R51 15k R55 7.5k Vref R50 47k R34 WYJŚCIE Bufor separujący Wzmacniacz Operacyjny R R26 R27& R J12 R10 50 J13 R25 J7W J8W J9W J10W J11W J13W WEJŚCIE WEJŚCIE 0 J14 J11 WYJŚCIE J14W J14W' J12W U20 WEJŚCIE J2W R21 5k WEJŚCIE - J10 WEJŚCIE J1W R20 J4W R22 J5W R23 J6W Wejście Zasilania Zasilanie ON/OFF 15V 15V -15V -15V WZMACNIACZE OPERACYJNE - Ćwiczenie Laboratoryjne POWER OK. LED 15