UKŁADY ELEKTRONICZNE Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych Laboratorium Układów Elektronicznych Poznań 2008
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: wy ( we1 uwe2 ) Auwer u = A u = (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: gdzie: K s jest wzmocnieniem sumacyjnym. A CMRR = 20log (2) K s Idealny wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się następującymi cechami: 2 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,
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 u wer, 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
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 Z 1 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: ( ω) ( ω) ( ω) A( ω) Z1( ω) Z 2 ( ω) ( ) ( ) A ω Z1 ω Z 2 Z1 K ( ω) = (3) Z1 4
Dla układu wzmacniacza nieodwracającego (rys.4b) przy podobnych założeniach, wzmocnienie jest następujące: ( ω) + Z1( ω) Z ( ω) A( ω) ( ω) + 1 Z 2 K ( ω) = (4) 1 A 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
Rys.5 Schemat układu symulacyjnego do badania wzmacniacza odwracającego Rys.6 Schemat układu symulacyjnego do badania wzmacniacza nieodwracającego 6
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
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
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