Wzmacniacz operacyjny
|
Ten artykuł wymaga uzupełnienia informacji. |
Wzmacniacz operacyjny – 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).
Układ scalony μA741, jeden z najbardziej popularnych wzmacniaczy operacyjnych | |
Typ | |
---|---|
Wynalazca |
Karl D. Swartzel Jr. |
Symbol {{{opis symbolu}}} |
a) powszechnie stosowany symbol;
b) dodatkowo zaznaczone napięcia zasilające oraz napięcia wejściowe i wyjściowe
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 ) i nieodwracające (oznaczane symbolem „”, napięcie na tym wejściu ) oraz jedno wyjście (napięcie na wyjściu ); różnica napięć wejściowych nazywa się napięciem różnicowym
Parametry wzmacniacza operacyjnego
edytujRóżnicowe wzmocnienie napięciowe
edytujRóżnicowe wzmocnienie napięciowe jest to stosunek zmiany napięcia wyjściowego do zmiany różnicowego napięcia wejściowego:
Wejściowe napięcie niezrównoważenia
edytujW 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
edytujNapięcie 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
edytujW 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:
Współczynnik CMRR wyrażany jest zazwyczaj w decybelach.
Wyjściowe napięcie niezrównoważenia
edytujNapięcie na wyjściu wzmacniacza, gdy na obu wejściach napięcie jest równe zero.
Rezystancja wejściowa
edytujOkreśla 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
edytujOkreśla się jako rezystancję wyjścia przy obu sygnałach wejściowych równych zero.
Współczynnik tłumienia wpływu zasilania
edytujWspółczynnik 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
edytujZakres zmian napięcia na każdym z wejść względem masy, przy których wzmacniacz pracuje poprawnie.
Maksymalne napięcie wyjściowe
edytujJest to maksymalne napięcie jakie można uzyskać na wyjściu bez nasycenia wzmacniacza.
Maksymalny prąd wyjściowy
edytujJest to maksymalny prąd jaki może przepływać przez wyjście wzmacniacza przy jego prawidłowej pracy.
Wejściowy prąd polaryzujący
edytujWymagane jest pewne minimalne natężenie prądu na wejściach wzmacniacza, aby prawidłowo pracował. Jest ono rzędu nA lub uA.
Szybkość zmian napięcia wyjściowego
edytujJest 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
edytujPasmo 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
edytujPobór mocy
edytujIloczyn wzmocnienia i częstotliwości granicznej
edytujIloczyn 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
edytujParametr 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
edytujJest to stosunek zmiany wejściowego napięcia niezrównoważenia do powodującej ją zmiany temperatury. Parametr ten wyrażany jest w [μV/°C].
Wzmacniacz idealny
edytujIdealny 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.
Wzmacniacz rzeczywisty
edytujParametry 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];
- 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 80–140 dB [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 – 20 nA])
- 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.
Bibliografia
edytuj- Michał Nadachowski, Zbigniew Kulka: Analogowe układy scalone. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1980.