1 - Wp

1. Wzmacniacz operacyjny to wielostopniowy, wzmacniacz różnicowy prądu stałego,
charakteryzujący się bardzo dużym różnicowym wzmocnieniem napięciowym rzędu stu
kilkudziesięciu decybeli i przeznaczony zwykle do pracy z zewnętrznym obwodem
sprzężenia zwrotnego, który decyduje o głównych właściwościach całego układu.
Wzmacniacz operacyjny jest najbardziej rozpowszechnionym analogowym układem
elektronicznym, realizowanym obecnie w postaci monolitycznych układów scalonych.
Wielka uniwersalność, przy jednoczesnym wykorzystaniu istotnych właściwości układów
scalonych, daje możliwość stosowania go w rozmaitych układach, urządzeniach i systemach
elektronicznych, zapewniając masową produkcję, niską cenę i bardzo dobre parametry
użytkowe.
2. Wzmacniacz operacyjny posiada dwa wejścia: odwracające (oznaczane symbolem '-',
napięcie na tym wejściu U − ) i nieodwracające (oznaczane symbolem '+', napięcie na tym
wejściu U + ), oraz jedno wyjście (napięcie wyjściu UO); różnica napięć wejściowych nazywa
się napięciem różnicowym (Ud = U + − U − ).
3. Wzmacniacz idealny [edytuj]
Idealny wzmacniacz charakteryzuje się:

nieskończenie dużym różnicowym wzmocnieniem napięciowym:





,
zerowym wejściowym napięciem niezrównoważenia
nieskończenie dużą impedancją wejściową,
zerową impedancją wyjściową,
nieskończenie szerokim pasmem przenoszonych częstotliwości,
nieskończenie dużym zakresem dynamicznym sygnału.
4. Wzmacniacz rzeczywisty [edytuj]
Parametry rzeczywistego wzmacniacza odbiegają od tych założeń, i tak:

wzmocnienie napięciowe sygnału różnicowego nie jest nieskończenie wielkie, choć
bardzo duże i wynosi
[μA741 – 2×105 V/V];





wzmocnienie wejściowego napięcia niezrównoważenia nie jest równe zeru; podaje
się współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego CMRR (Common Mode Rejection
Ratio), który w decybelach określa o ile mniejsze jest wzmocnienie sygnału
wspólnego od wzmocnienia różnicowego (rzędu 80-140dB [μA741 – 90 dB]);
impedancja wejściowa nie jest nieskończenie wielka, choć bardzo duża - rzędu
megaomów [μA741 – 2 MΩ]; wzmacniacz stanowi niewielkie obciążenie dla źródła
sygnału (prądy wejściowe są rzędu nanonamperów lub nawet pikoamperów [μA741 –
20nA])
impedancja wyjściowa nie jest równa zeru (rzędu kilkuset omów[μA741 – 75 Ω]);
pasmo przenoszenia sygnałów nie jest nieograniczone, powyżej częstotliwości
granicznej wzmocnienie zaczyna spadać [μA741 – 1 MHz];
wejścia wzmacniacza nie są idealnie symetryczne, ze względu na ich asymetrię
definiuje się tzw. wejściowe napięcie niezrównoważenia - jest to napięcie różnicowe
(od 1 mikrowolta do kilku miliwoltów [μA741 – 1 mV]), jakie trzeba podać na
wejścia, aby napięcie wyjściowe było równe zero.
5.
6. Parametry wzmacniacza operacyjnego [edytuj]
Różnicowe wzmocnienie napięciowe [edytuj]
Różnicowe wzmocnienie napięciowe jest to stosunek zmiany napięcia wyjściowego do
zmiany różnicowego napięcia wejściowego:
Wejściowe napięcie niezrównoważenia [edytuj]
W idealnym wzmacniaczu operacyjnym jeżeli na obu wejściach jest napięcie równe 0, to na
wyjściu też powinno być napięcie równe 0. Ale w rzeczywistych wzmacniaczach tak nie jest.
Wejściowym napięciem odniesienia określa się napięcie między wejściami wzmacniacza, gdy
na wyjściu panuje napięcie równe 0.
Wzmocnienie sygnału współbieżnego [edytuj]
Napięcie wyjściowe wzmacniacza może zależeć też od sumy napięć na wejściach
wzmacniacza. Współczynnik wzmocnienia sygnału współbieżnego określa wzór:
W uproszczeniu, gdy napięcia na obu wejściach są równe, wzmocnienie sygnału
współbieżnego określa wzór:
Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego [edytuj]
W miejsce wzmocnienie sygnału współbieżnego często podawany jest współczynnik
tłumienia sygnału współbieżnego (ang. Common Mode Rejection Ratio, CMRR), który lepiej
określa własności wzmacniacza. Określa go wzór:
Współczynnik CMRR wyrażany jest zazwyczaj w decybelach.
Wyjściowe napięcie niezrównoważenia [edytuj]
Napięcie na wyjściu wzmacniacza, gdy na obu wejściach napięcie jest równe zero.
Rezystancja wejściowa [edytuj]
Określa się:


Rezystancję sygnału różnicowego, określoną jako rezystancję między wejściami
wzmacniacza przy podawaniu napięcia między wejścia.
Rezystancję sygnału współbieżnego, określoną między jednym z wejść a masą.
Rezystancja wyjściowa [edytuj]
Określa się jako rezystancję wyjścia przy obu sygnałach wejściowych równych zero.
Współczynnik tłumienia wpływu zasilania [edytuj]
Współczynnik tłumienia wpływu zasilania (ang. Power Supply Rejection Ratio, PSRR),
określa się jako stosunek zmiany napięcia zasilania do wywoływanej przezeń zmiany napięcia
wyjściowego.
Współczynnik PSRR wyrażany jest zazwyczaj w decybelach.
Zakres zmian napięcia wejściowego [edytuj]
Zakres zmian napięcia na każdym z wejść względem masy, przy których wzmacniacz pracuje
poprawnie.
Maksymalne napięcie wyjściowe [edytuj]
Jest to maksymalne napięcie jakie można uzyskać na wyjściu bez nasycenia wzmacniacza.
Maksymalny prąd wyjściowy [edytuj]
Jest to maksymalny prąd jaki może przepływać przez wyjście wzmacniacza przy jego
prawidłowej pracy.
Wejściowy prąd polaryzujący [edytuj]
Minimalne natężenie prądu na wejściach wzmacniacza wymagane do jego prawidłowej pracy.
Szybkość zmian napięcia wyjściowego [edytuj]
Pasmo pętli otwartej [edytuj]
Pasmo przenoszenia wzmacniacza przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego.
Szumy wzmacniacza [edytuj]
Pobór mocy [edytuj]
Częstotliwość graniczna [edytuj]
Częstotliwość graniczna - jest to częstotliwość, przy której wzmocnienie wzmacniacza maleje
do jedności. Częstotliwość graniczna zależy od pasma przenoszenia.
Czas narastania odpowiedzi na skok jednostkowy [edytuj]
Parametr jest zdefiniowany jako maksymalny czas zmiany na wyjściu wzmacniacza w
układzie o wzmocnieniu równym 1 i dużym sygnale wejściowym.
Pomiaru parametru dokonuje się w układzie wtórnika napięcia lub układzie odwracającym.
Do wejścia wzmacniacza doprowadza się impulsy prostokątne o odpowiednio dużej
amplitudzie i małym czasie narastania. Czas narastania, równy czasowi wzrostu napięcia w
zakresie liniowym, określa się z oscylogramu przebiegu czasowego napięcia wyjściowego.
Współczynnik cieplny wejściowego napięcia niezrównoważenia [edytuj]
Symbol graficzny:
a) powszechnie stosowany symbol;
b) dodatkowo zaznaczone napięcia zasilające oraz napięcia wejściowe i wyjściowe
Konfiguracje:
Wzmacniacz odwracający
Wzmacniacz odwracający jest wyjściową konfiguracją dla wielu innych układów, dlatego
zostanie omówiony dość dokładnie.
Ponieważ wzmacniacz operacyjny nie pobiera prądu, toteż jednakowy prąd I płynie przez
obydwa rezystory.
Z kolei potencjały obu wejść są jednakowe (bo U + = U − ), skąd wynika, że oba wejścia
wzmacniacza operacyjnego są na potencjale masy. Dlatego napięcie na rezystorze R1 jest
równe U + − uwe = − uwe, skąd
uwy i tutaj również prąd
. Podobnie napięcie na rezystorze R2 jest równe
. Przyrównując prądy:
− R2uwe = R1uwy
Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza odwracającego wynosi
Rezystancja wejściowa układu
. Prąd wejściowy jest równy wyliczonemu
wcześniej I, a podstawiając wyrażenie zawierające uwe otrzymujemy:
Wzmacniacz nieodwracający
W konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego sytuacja ma się podobnie jak w przypadku
wzmacniacze odwracającego: jednakowy prąd I płynie przez oba rezystory. Napięcia na
wejściach wzmacniacza jest równe uwe.
.
Prąd płynący przez R1 dany jest wzorem
przyrównaniu otrzymujemy:
, a dla R2 wzór ma postać
R2uwe = R1uwy − R1uwe
uwe(R1 + R2) = R1uwy
Wzmocnienie wzmacniacza nieodwracającego dane jest wzorem:
Wzmacniacze operacyjne
Ogólny symbol wzmacniacza operacyjnego z uwzględnieniem linii zasilających
przedstawiony jest poniżej.
W praktyce stosuje się uproszczony symbol bez linii zasilających.
. Po
Wzmacniacz operacyjny znajduje zastosowanie przy realizacji elektronicznych układów
scalonych, służących np. do dodawania, lub odejmowania napięć i prądów.