1 ĆWICZENIE 14 BADANIE SCALONYCH WZMACNIACZY OPERACYJNYCH 14.1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest pomiar wybranych charakterystyk i parametrów określających podstawowe właściwości statyczne i dynamiczne scalonych wzmacniaczy operacyjnych. Celem ćwiczenia jest również poznanie niektórych możliwości wykorzystania scalonych wzmacniaczy operacyjnych w układach liniowych, jak również przedstawienie podstawowych właściwości realizowanych układów. 14.2. WPROWADZENIE Wzmacniaczem operacyjnym nazywamy wzmacniacz o bardzo dużym wzmocnieniu, przeznaczony do pracy z zewnętrznym układem sprzężenia zwrotnego, którego właściwości decydują w głównej mierze o właściwościach całego układu. Obecność ujemnego sprzężenia zwrotnego zapewnia również stałość pracy wzmacniacza, zwiększa zakres jego wysterowania oraz wpływa korzystnie na liniowość i szerokość pasma. Ze względu na technikę układową wzmacniacz operacyjny traktuje się jako „czarną skrzynkę” o określonych wejściach i wyjściach. Nie wnikając w szczegóły budowy wzmacniacza operacyjnego można stwierdzić, że charakteryzuje się on jednolitą budową i obecnie jest wykonywany prawie wyłącznie w postaci monolitycznego układu scalonego. W skład wzmacniacza operacyjnego wchodzą takie układy jak (Rys.14.1a) źródło prądowe, wzmacniacze różnicowe zrównoważone (przeważnie dwa stopnie), wtórnik emiterowy, układ przesuwania poziomu napięcia stałego i stopień wyjściowy o zwiększonej mocy wyjściowej. Ponieważ wzmacniacze takie najczęściej budowane są jako układy o symetrycznym wejściu i niesymetrycznym wyjściu oznacza się je symbolem pokazanym na Rys.14.1b. Rys.14.1. Schemat blokowy wzmacniacza operacyjnego a) i symbol wzmacniacza operacyjnego b) Konwencjonalny wzmacniacz operacyjny ma dwa zaciski wejściowe i jeden zacisk wyjściowy. Jeżeli zacisk oznaczony „ + ” jest uziemiony, a sygnał wejściowy zostanie doprowadzony do zaciski „ - ”, to występuje odwrócenie fazy między wejściem a wyjściem. Zatem zacisk oznaczony „ - ” stanowi wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego. Przeciwnie, jeżeli jest uziemiony zacisk „ - ”, a sygnał doprowadzony do zacisku „ + ”, to nie występuje odwrócenie fazy między wejściem a wyjściem. Dlatego też zacisk „ + ” jest nazywany wejściem nieodwracającym. Idealny wzmacniacz operacyjny powinien wykazywać następujące główne właściwości : - nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego, - nieskończenie szerokie pasmo, - nieskończenie dużą impedancję wejściową (między wejściami oraz między 2 wejściami a masą), - impedancję wyjściową równą zero, - napięcie wyjściowe równe zeru przy sterowaniu sygnałem nieróżnicowym (wspólnym), - wzmocnienie idealnie różnicowe, a więc nieskończenie duże tłumienie sygnału nieróżnicowego, - niezależność parametrów od temperatury. W rzeczywistości produkowane wzmacniacze charakteryzują się skończoną wartością wzmocnienia napięciowego, skończonymi wartościami impedancji wejściowej i wyjściowej oraz ograniczonym pasmem przenoszenia. Z uwagi na to, że wzmacniacze scalone stanowią bloki z dostępnymi tylko zaciskami zewnętrznymi, ich właściwości są opisywane charakterystykami i parametrami dotyczącymi wejścia i wyjścia. W przypadku gdy wejście wzmacniacza jest pobudzone sygnałem stałoprądowym lub zmiennoprądowym o odpowiednio małej częstotliwości, mówi się o jego właściwościach statycznych, opisanych odpowiednimi parametrami statycznymi. Natomiast z przechodzeniem przez wzmacniacz operacyjny sygnałów zmiennych w czasie, sinusoidalnych (o odpowiednio dużej częstotliwości) i impulsowych, są związane jego właściwości dynamiczne. Podstawową charakterystyką statyczną wzmacniacza operacyjnego jest charakterystyka przejściowa (przenoszenia) Uwy = f ( Uwe ). Przebieg takiej charakterystyki (dla idealnie zrównoważonego wzmacniacza) przedstawia linia ciągła na Rys.14.2. W przebiegu charakterystyki przejściowej można wyróżnić dwa obszary: aktywny 1 i nasycenia 2 i 3. Obszar aktywny, który charakteryzuje się liniowym przebiegiem charakterystyki przejściowej, jest bardzo wąski (na poziomie napięć wejściowych rzędu 0.1 mV dla wzmacniaczy bez sprzężenia zwrotnego). Nachylenie odcinka liniowego charakterystyki określone jest wzmocnieniem napięciowym K u. Wzmocnienie scalonego wzmacniacza operacyjnego definiuje się w różny sposób, w zależności od sposobu doprowadzenia napięć pobudzających oraz układu połączeń zastosowanego wzmacniacza. Jeżeli wykorzystuje się wejścia różnicowe wzmacniacza pracującego w pętli otwartej, to operuje się wzmocnieniem różnicowym z pętlą otwartą, definiowany jako stosunek napięcia wyjściowego do różnicowego napięcia na wejściu bez sprzężenia zwrotnego (Rys.14.1b). Rys.14.2. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego : idealnego - linia ciągła, rzeczywistego - linia przerywana 3 Rezystancję wejściową (lub ogólnie - impedancję wejściową) dla sygnału różnicowego definiuje się jako rezystancję między zaciskami 1 i 2 (odwracającym i nieodwracającym - Rys.14.3). Jedną z cech charakterystycznych układów wzmacniaczy różnicowych zrównoważonych jest tłumienie tzw. sygnałów sumacyjnych (tzn. napięć o takiej samej wartości i biegunowości, doprowadzonych jednocześnie do wejścia nieodwracającego i odwracającego).Ponieważ w praktyce wzmocnienie sygnałów doprowadzonych do wejścia odwracającego i nieodwracającego nieco się różnią, tłumienie to nie jest całkowite. Skuteczność tłumienia napięć sumacyjnych można charakteryzować za pomocą wzmocnienia napięciowego sumacyjnego i współczynnika tłumienia sygnału sumacyjnego. Wzmocnienie napięciowe sumacyjne jest to stosunek napięcia wyjściowego do napięcia sumacyjnego na wejściu (Rys.14.4). Rezystancja wejściowa dla sygnału sumacyjnego jest to rezystancja między zwartymi zaciskami wejściowymi 1 i 2 i masą (Rys.14.5) Rezystancja R jest zawsze większa od rezystancji R. Współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego jest równy stosunkowi napięcia wejściowego sumacyjnego do napięcia różnicowego, które wytwarza takie samo napięcie wyjściowe (Rys.14.6). 4 Wzmacniacze operacyjne najczęściej pracują w układach z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego (przede wszystkim ujemnego). Możliwa jest przy tym praca wzmacniacza jako układu odwracającego (Rys.14.7), bądź praca jako układu nieodwracającego (Rys.14.8). W przypadku wzmacniacza operacyjnego ze sprzężeniem zwrotnym korzysta się ze wzmocnienia napięciowego układu z zamkniętą pętlą. Definiuje się je jako stosunek napięcia wyjściowego do różnicowego napięcia na wejściu ze sprzężeniem zwrotnym. W przypadku pracy wzmacniacza w układzie odwracającym (tzn. U1 = Uwe i U2 = 0) jego wzmocnienie napięciowe Rezystancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego odwracającego Z kolei rezystancja wyjściowa wzmacniacza odwracającego przy czym Rwy - rezystancja wyjściowa wzmacniacza bez pętli sprzężenia zwrotnego (jest to rezystancja między zaciskami wyjściowymi a masą). Dla wzmacniacza operacyjnego jako nieodwracającego (U1 = 0 i U2 = Uwe) wzmocnienie napięciowe Jego rezystancja wejściowa jest znacznie większa (w porównaniu z rezystancją wzmacniacza nieodwracającego) i w przybliżeniu równa jest rezystancji wejściowej dla sygnału sumacyjnego Rezystancja wyjściowa wzmacniacza nieodwracającego 5 Rzeczywiste wzmacniacze operacyjne nie są idealnymi układami zrównoważonymi. Występuje w nich m.in. napięcie (Uwen na Rys.14.2) niezrównoważenia oraz zmiany (dryft) tej wielkości pod wpływem zmian temperatury i napięć zasilających. W kontekście tego definiuje się parametr statyczny wzmacniacza operacyjnego, jakim jest napięcie wejściowe niezrównoważenia (Uwen). Jest to wartość napięcia stałego, którą należy doprowadzić do wejścia różnicowego, aby napięcie stałe na wyjściu było równe zero (Rys.14.9). Rys.14.9. Ilustracja napięcia wejściowego niezrównoważenia Niezrównoważenie wzmacniacza operacyjnego od strony wyjścia charakteryzuje napięcie wyjściowe niezrównoważenia (Uwyn), czyli napięcie stałe między wyjściem a masą przy zaciskach wejściowych zwartych z masą (Rys.14.10). Rys.14.10. Ilustracja napięcia wyjściowego niezrównoważenia Właściwości dynamiczne wzmacniaczy są opisane charakterystykami częstotliwościowymi (dla sygnałów sterujących harmonicznych). Do określania parametrów dynamicznych częstotliwościowych wzmacniaczy operacyjnych wykorzystuje się charakterystyki : amplitudowo - częstotliwościową (zależność modułu wzmocnienia napięciowego od częstotliwości) i fazowo - częstotliwościową (zależność przesunięcia fazowego wnoszonego przez wzmacniacz od częstotliwości). Typowy przebieg takich charakterystyk dla scalonych wzmacniaczy operacyjnych, zawierających dwa stopnie różnicowe i układ wyjściowy poziomujący przedstawiono na Rys.14.12. 6 Rys.14.11. Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniaczy operacyjnych : a) amplitudowa, b) fazowa Na podstawie tych charakterystyk definiuje się następujące parametry częstotliwościowe wzmacniaczy operacyjnych: szerokość pasma przenoszenia, częstotliwość graniczną (lub maksymalną szerokość pasma przenoszenia), margines wzmocnienia i margines fazy. Szerokość pasma przenoszenia (B) jest wyznaczona przedziałem częstotliwości od zera do częstotliwości, przy której moduł wzmocnienia maleje o 3 dB. Częstotliwość graniczna (fg) - jest to częstotliwość, przy której moduł wzmocnienia jest równy jedności. Równoważnie z częstotliwością graniczną używa się pojęcia maksymalnej szerokości pasma przenoszenia. Odpowiada ono pasmu przenoszenia, w którym wzmocnienie napięciowe jest większe od jedności. Marginesy wzmocnienia i fazy są określone dla wzmacniaczy pracujących z zamkniętymi pętlami sprzężenia zwrotnego. Parametry te są istotne z punktu widzenia stabilności wzmacniacza pracującego w układzie ze sprzężeniem zwrotnym, gdyż przy pewnej częstotliwości układ zaczyna generować (jeżeli będą spełnione warunki generacji). Najprostsze kryterium stabilności sprowadza się do następujących wymagań : 1. Jeżeli moduł wzmocnienia w pętli jest większy od jedności, to całkowite przesunięcie fazy w pętli musi być mniejsze od . 2. Jeżeli przesunięcie fazy jest równe , to moduł wzmocnienia w pętli musi być mniejszy od jedności. W kontekście powyższego kryterium stabilności można przyjąć następujące definicje : - margines wzmocnienia jest równy odwrotności napięciowego wzmocnienia różnicowego przy częstotliwości, przy której bezwzględna wartość przesunięcia fazowego w pętli zamkniętej jest równa . - margines fazy jest różnicą przesunięcia fazy oraz przesunięcia wnoszone go przez układ z zamkniętą pętlą sprzężenia dla częstotliwości, przy której moduł wzmocnienia w pętli wynosi 1. Wzmacniacze zawierające układy wewnętrznej kompensacji częstotliwościowej (np. A 741) spełniają kryterium stabilności. 7 Wzmacniacze bez kompensacji częstotliwościowej (np. A 709) nie spełniają tego kryterium (nie są zachowane marginesy wzmocnienia i fazy). We wzmacniaczach tych należy stosować zewnętrzne układy korekcyjne. Sposób włączenia zewnętrznych układów korekcyjnych o z góry zadanych konfiguracjach i właściwościach elementów jest zwykle podawany przez producenta. Scalone wzmacniacze operacyjne należą do grupy najbardziej rozpowszechnionych obecnie układów półprzewodnikowych. Zalety i wielka uniwersalność wzmacniaczy operacyjnych wynikają m.in. z możliwości zastosowania sprzężenia zwrotnego. Przy dostatecznie dużym wzmocnieniu wzmacniacza, obwód sprzężenia zwrotnego określa właściwości całego układu. Wzmacniacz operacyjny może np. w prosty sposób realizować operacje dodawania, całkowania i różniczkowania, dzięki czemu znalazł szerokie zastosowanie w analogowych maszynach liczących, Przykładowe układy przedstawia Rys.14.12. Rys.14.12. Przykłady zastosowania wzmacniaczy operacyjnych : a) wzmacniacz sumujący, b) układ całkujący, c) układ różniczkujący W ćwiczeniu układy te nie będą przedmiotem badań. Zajmiemy się natomiast zastosowaniem wzmacniaczy operacyjnych do budowy niektórych podstawowych układów liniowych takich jak : wzmacniacz różnicowy i wzmacniacz o wzmocnieniu regulowanym napięciem stałym. Wzmacniacz różnicowy służy do wzmocnienia różnicy napięć doprowadzonych do wejść. Podstawowy schemat wzmacniacza róznicowego przedstawiono na Rys.14.13. Przy bardzo dużym wzmocnieniu wzmacniacza operacyjnego (Kur ), napięcie wyjściowe Rys.14.13. Podstawowy schemat wzmacniacza różnicowego Dobierając rezystory tak, aby 8 uzyskuje się napięcie wyjściowe proporcjonalne do różnicy napięć wejściowych przy czym Ku = R2/R1 Rezystancje wejściowe układu nie są jednakowe. Rezystancja dla sygnału doprowadzonego do wejścia odwracającego równa jest w przybliżeniu R1, a rezystancja dla sygnału doprowadzonego do wejścia nieodwracającego jest równa w przybliżeniu R3 + R4 . Wzmacniacze o wzmocnieniu regulowanym napięciem stałym wykorzystuje się powszechnie do stabilizacji amplitudy napięcia wyjściowego generatorów bądź wzmacniaczy. Wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego ze sprzężeniem zwrotnym reguluje się przez zmianę wartości rezystancji sprzężenia zwrotnego. Zwykle tej zmiany dokonuje się ręcznie. W niektórych układach potrzebna jest jednak regulacja wzmocnienia napięciem stałym. Wtedy zamiast jednego z rezystorów sprzężenia zwrotnego stosuje się element, którego rezystancja zależy od wartości napięcia. Tym elementem regulacyjnym jest najczęściej tranzystor unipolarny. W zakresie małych napięć dren- źródło (obszar triodowy charakterystyk wyjściowych), rezystancja dren-źródło RDS tranzystora unipolarnego złączowego jest zależna tylko od napięcia sterującego bramka-źródło UGS przy czym UGSo - całkowita rezystancja statyczna kanału, UP - napięcie odcięcia kanału. W obszarze triodowym charakterystyk wejściowych, można zatem uważać, że tranzystor unipolarny złączowy stanowi rezystor sterowany napięciem. Przykładowy schemat prostego wzmacniacza z automatyczną regulacją wzmocnienia przedstawiono na Rys.14.14. Jako napięcie regulujące stosuje się wyprostowane napięcie (dioda D, rezystor R5, kondensator C). W ten sposób następuje stabilizacja amplitudy napięcia wyjściowego przy zmianach sygnału na wejściu. Dla linearyzacji charakterystyki RDS = f (UGS) tranzystora unipolarnego zastosowano sprzężenie zwrotne dren-bramka (rezystor R4). Zbocznikowano go również dodatkowym rezystorem R1. Środki te zmniejszają zniekształcenia sygnału wyjściowego. Rys.14.14. Schemat wzmacniacza z automatyczną regulacją wzmocnienia. 9 14.3. BADANIA Przedmiotem badań proponuje się uczynić wzmacniacze najczęściej obecnie stosowane : z tranzystorami bipolarnymi na wejściu - typu 709 i 741 oraz z tranzystorami unipolarnymi na wejściu - typu 740. Badania będą miały na celu wyznaczenie niektórych podstawowych parametrów statycznych i dynamicznych wzmacniaczy operacyjnych, a także wzmacniacza różnicowego oraz wzmacniacza z automatyczną regulacją wzmocnienia (ARW). 14.3.1. Przygotowanie wzmacniaczy operacyjnych do badań Otrzymanie wiarygodnych wyników pomiarów podczas badań wzmacniaczy operacyjnych wymaga należytego przygotowania wstępnego tych wzmacniaczy. Polega ono przede wszystkim na zrównoważeniu i kompensacji częstotliwościowej. Sposób równoważenia jest uzależniony od typu wzmacniacza i warunków układowych jego pracy, to znaczy od sposobu połączenia go w trakcie wykonywania pomiarów. Sposoby równoważenia poszczególnych typów wzmacniaczy operacyjnych, w zależności od ich zastosowania, są podawane w katalogach przez wytwórców, dlatego nie będą one przedmiotem naszych rozważań. Kompensację częstotliwościową również należy przeprowadzić zgodnie z zaleceniami producenta. 14.3.2. Pomiar wzmocnienia napięciowego Pomiary wzmocnienia napięciowego można przeprowadzić metodą stałoprądową lub zmiennoprądową przy odpowiednio małej częstotliwości i małych amplitudach sygnału pobudzającego (odpowiadającej płaskiej części charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej). Ze względu na prostotę metody zmiennoprądowej ona właśnie zostanie omówiona w niniejszym punkcie. Rys.14.15. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego Układ do pomiaru tą metodą przedstawiono na Rys.14.15. Zawiera on, oprócz badanego wzmacniacza, generator pomiarowy małej częstotliwości G, dwa woltomierze elektroniczne napięć zmiennych, elementy rezystancyjne (R1, R2, R3, R4) i pojemność C. Woltomierze zastosowane w układzie powinny charakteryzować się dużą impedancją wejściową. Pomiar napięcia UWE o niewielkiej wartości nastręcza spore kłopoty. Dlatego mierzy się napięcie U1 o znacznie większej wartości, woltomierzem V1. Umożliwia to dzielnik napięcia R2, R3 o tak dobranych wartościach rezystancji R2 i R3, aby U1>>UWE. Pojemność C redukuje szumy w zakresie wielkich częstotliwości. Przykładowe wartości elementów mogą wynosić : 10 R1 = R4 = 20k , R2 = 99k , R3 = 1k , C = 470pF. Pomiar przeprowadza się następująco : wzmacniacz polaryzuje się napięciem zasilającym o wartościach znamionowych, następnie nastawia się napięcie wyjściowe z generatora pomiarowego o częstotliwości kilku herców oraz amplitudzie zapewniającej żądaną wartość napięcia wyjściowego. Po odczytaniu wskazań woltomierzy V1 i V2 wzmocnienie napięciowe wzmacniacza z otwartą pętlą oblicza się z zależności : gdyż 14.3.3. Pomiary współczynnika tłumienia sygnału sumacyjnego Współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego wzmacniacza operacyjnego o wejściu symetrycznym można wyznaczyć na podstawie pomiarów wzmocnienia różnicowego KUR i wzmocnienia sumacyjnego KUS z zależności 14.4. Wzmocnienie różnicowe i sumacyjne można mierzyć również metodą zmiennoprądową lub stałoprądową. Częściej jednak współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego wyznacza się z pomiarów bezpośrednich. Przykładowy układ do pomiaru HS metodą zmiennoprądową przedstawiono na Rys.14.16, przy czym wartości elementów powinny wynosić np.: R1 = 100 , R2 = 100k . Sygnał wyjściowy z generatora małej częstotliwości należy tak wyregulować, aby przy częstotliwości kilku herców otrzymać ze wzmacniacza napięcie wyjściowe rzędu pojedynczych woltów. Rys.14.16. Schemat układu do bezpośredniego pomiaru współczynnika tłumienia sygnału sumacyjnego wzmacniacza operacyjnego metodą zmiennoprądową Na podstawie wskazań woltomierzy i wartości rezystancji R1 i R2 wyznacza się współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego 11 14.3.4. Pomiar napięcia wejściowego niezrównoważenia Napięcie wejściowe niezrównoważenia wzmacniaczy operacyjnych można zmierzyć w układzie pomiarowym przedstawionym na Rys.14.17. Układ ten zawiera oprócz wzmacniacza badanego wzmacniacz operacyjny pomocniczy, sieć rezystorów o odpowiednio dobranych rezystancjach i woltomierz elektroniczny. Wartości rezystancji decydują o zależności, na podstawie której oblicza się wartość napięcia niezrównoważenia. Jeżeli np. R1 = 100 , a R2 = 10k , to wartość napięcia wejściowego niezrównoważenia (UWEN) przy czym U - wartość napięcia zmierzonego na wyjściu wzmacniacza pomocniczego. Wartość współczynnika 1/101 równa się odwrotności wzmocnienia napięciowego układu. Rys.14.17. Schemat układu do pomiaru wejściowego napięcia niezrównoważenia wzmacniaczy operacyjnych 14.3.5. Pomiar pasma przenoszenia Pomiary charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej, umożliwiające wyznaczenie pasma przenoszenia, można przeprowadzić metodą opisaną w punkcie 14.3.2. Należy wówczas pamiętać o utrzymaniu stałej wartości amplitudy napięcia wejściowego oraz odpowiedniej regulacji częstotliwości sygnału. 14.3.6. Badanie wzmacniacza różnicowego Metodyka badania wzmacniaczy napięciowych i odpowiednie układy pomiarowe omówiono w punkcie 14.3.2 i punkcie 14.3.5. Wiadomości tam zawarte należy wykorzystać przy wykonywaniu zadań pomiarowych dotyczących wzmacniacza różnicowego. 14.3.7. Badanie wzmacniacza z automatyczną regulacją wzmocnienia Wzmacniacz z automatyczną regulacją wzmocnienia (ARW) bada się w układzie przedstawionym na Rys.14.18. Sygnał wejściowy wzmacniacza jest podawany z generatora napięć sinusoidalnych o regulowanej amplitudzie i częstotliwości. Do pomiaru napięcia wejściowego służy woltomierz elektroniczny napięcia zmiennego V1, natomiast częstotliwość można określić bezpośrednio z podziałki generatora lub ze wskazań miernika częstotliwości f albo też mierzyć metodą oscylo- 12 skopową. Na wyjściu wzmacniacza znajduje się woltomierz elektroniczny napięcia zmiennego V2 i miernik zniekształceń. Przebiegi obserwuje się na ekranie oscyloskopu, dołączając go do odpowiednich punktów pomiarowych. W układzie wyznacza się charakterystyki UWY = f (UWE), h = f (UWE) przy różnych częstotliwościach napięcia wejściowego. Rys.14.18. Schemat układu pomiarowego do badania wzmacniaczy z ARW
