Wzmacniacz operacyjny


Wzmacniacz operacyjny w encyklopedii

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania Symbol graficzny:
a) powszechnie stosowany symbol;
b) dodatkowo zaznaczone napięcia zasilające oraz napięcia wejściowe i wyjściowe Wzmacniacz operacyjny w obudowie metalowej TO-5

Wzmacniacz operacyjny to wielostopniowy wzmacniacz różnicowy prądu stałego charakteryzujący się bardzo dużym różnicowym wzmocnieniem napięciowym i przeznaczony zwykle do pracy z zewnętrznym obwodem sprzężenia zwrotnego, który decyduje o głównych właściwościach całego układu (zob. też wzmacniacz ze sprzężeniem zwrotnym).

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.

Wzmacniacz operacyjny posiada dwa wejścia: odwracające (oznaczane symbolem '-', napięcie na tym wejściu U {\displaystyle U_{-}} ) i nieodwracające (oznaczane symbolem '+', napięcie na tym wejściu U + {\displaystyle U_{+}} ), oraz jedno wyjście (napięcie na wyjściu U O {\displaystyle U_{O}} ); różnica napięć wejściowych nazywa się napięciem różnicowym ( U d = U + U ) . {\displaystyle (U_{d}=U_{+}-U_{-}).}

Spis treści

Parametry wzmacniacza operacyjnego | edytuj kod

Różnicowe wzmocnienie napięciowe | edytuj kod

Różnicowe wzmocnienie napięciowe jest to stosunek zmiany napięcia wyjściowego do zmiany różnicowego napięcia wejściowego:

A u = Δ U O Δ ( U + U ) = Δ U O Δ U d . {\displaystyle A_{u}={\frac {\Delta U_{O}}{\Delta (U_{+}-U_{-})}}={\frac {\Delta U_{O}}{\Delta U_{d}}}.}

Wejściowe napięcie niezrównoważenia | edytuj kod

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 niezrównoważenia określa się napięcie między wejściami wzmacniacza, gdy na wyjściu panuje napięcie równe 0.

Wzmocnienie sygnału współbieżnego | edytuj kod

Napięcie wyjściowe wzmacniacza może zależeć też od sumy napięć na wejściach wzmacniacza. Współczynnik wzmocnienia sygnału współbieżnego określa wzór:

A c = Δ U O Δ ( U + + U 2 ) . {\displaystyle A_{c}={\frac {\Delta U_{O}}{\Delta ({\frac {U_{+}+U_{-}}{2}})}}.}

W uproszczeniu, gdy napięcia na obu wejściach są równe, wzmocnienie sygnału współbieżnego określa wzór:

A c = Δ U O Δ U i . {\displaystyle A_{c}={\frac {\Delta U_{O}}{\Delta U_{i}}}.}

Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego | edytuj kod

W miejsce wzmocnienia sygnału współbieżnego często podawany jest współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (ang. Common Mode Rejection Ratio, CMRR), który lepiej określa własności wzmacniacza. Określa go wzór:

C M R R = A u A c . {\displaystyle CMRR={\frac {A_{u}}{A_{c}}}.}

Współczynnik CMRR wyrażany jest zazwyczaj w decybelach.

Wyjściowe napięcie niezrównoważenia | edytuj kod

Napięcie na wyjściu wzmacniacza, gdy na obu wejściach napięcie jest równe zero.

Rezystancja wejściowa | edytuj kod

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 kod

Określa się jako rezystancję wyjścia przy obu sygnałach wejściowych równych zero.

Współczynnik tłumienia wpływu zasilania | edytuj kod

Współczynnik tłumienia wpływu zasilania (ang. Power Supply Rejection Ratio, PSRR), określa się jako stosunek zmiany napięcia zasilania do wywoływanej przezeń zmiany napięcia wyjściowego.

A c = Δ U p Δ U O . {\displaystyle A_{c}={\frac {\Delta U_{p}}{\Delta U_{O}}}.}

Współczynnik PSRR wyrażany jest zazwyczaj w decybelach.

Zakres zmian napięcia wejściowego | edytuj kod

Zakres zmian napięcia na każdym z wejść względem masy, przy których wzmacniacz pracuje poprawnie.

Maksymalne napięcie wyjściowe | edytuj kod

Jest to maksymalne napięcie jakie można uzyskać na wyjściu bez nasycenia wzmacniacza.

Maksymalny prąd wyjściowy | edytuj kod

Jest to maksymalny prąd jaki może przepływać przez wyjście wzmacniacza przy jego prawidłowej pracy.

Wejściowy prąd polaryzujący | edytuj kod

Wymagane jest pewne minimalne natężenie prądu na wejściach wzmacniacza, aby prawidłowo pracował. Jest ono rzędu nA lub uA.

Szybkość zmian napięcia wyjściowego | edytuj kod

Jest to maksymalna szybkość zmiany napięcia na wyjściu wzmacniacza po pobudzeniu wejścia jednostkowym skokiem napięcia. Zazwyczaj podawana jest to wartość w woltach na mikrosekundę.

Pasmo pętli otwartej | edytuj kod

Pasmo przenoszenia wzmacniacza przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego jest to częstotliwość, przy której amplituda sygnału wyjściowego jest o 3 dB (ok. 1,4 raza) mniejsza, niż na płaskim odcinku charakterystyki wzmacniacza (czyli przy częstotliwościach znacznie mniejszych, niż pasmo otwartej pętli). Pasmo otwartej pętli wynika z ograniczania wprowadzanego przez najwolniejszy filtr RC we wzmacniaczu (najczęściej Ccb pierwszego wzmacniacza OE i opór wyjściowy poprzedzającego go stopnia).

Szumy wzmacniacza | edytuj kod

Pobór mocy | edytuj kod

Iloczyn wzmocnienia i częstotliwości granicznej | edytuj kod

Iloczyn wzmocnienia i częstotliwości granicznej (zwykle oznaczany GBW od angielskiego gain bandwidth product). Od tego parametru zależy górna częstotliwość graniczna praktycznego wzmacniacza przy określonym wzmocnieniu.

Czas narastania odpowiedzi na skok jednostkowy | edytuj kod

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 kod

Wzmacniacz idealny | edytuj kod

Idealny wzmacniacz charakteryzuje się:

Wzmacniacz rzeczywisty | edytuj kod

Parametry rzeczywistego wzmacniacza odbiegają od tych założeń, i tak:

  • wzmocnienie napięciowe sygnału różnicowego nie jest nieskończenie wielkie, choć bardzo duże i wynosi
A u 10 5 ÷ 10 7 V V 100 ÷ 140 dB {\displaystyle A_{u}\approx 10^{5}\div 10^{7}{\frac {\operatorname {V} }{\operatorname {V} }}\approx 100\div 140\operatorname {dB} } [μA741 – 2×105 V/V];
  • tłumienie wejściowego napięcia niezrównoważenia nie jest nieskończone; 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.
Schemat wzmacniacza operacyjnego μA741

Bibliografia | edytuj kod

  • Michał Nadachowski, Zbigniew Kulka: Analogowe układy scalone. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1980.

Linki zewnętrzne | edytuj kod

Kontrola autorytatywna (układ scalony):
Na podstawie artykułu: "Wzmacniacz operacyjny" pochodzącego z Wikipedii
OryginałEdytujHistoria i autorzy