Układy Opercyjne 2013, Notatki, Układy analogowe

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->7. UKŁADY OPERACYJNE7.1. CELĆWICZENIACelemćwiczeniajest zapoznanie się z podstawowymi właściwościami wzmacniacza operacyjnegoi wykorzystaniem go budowy różnych układów elektronicznych (realizujących różne funkcje).7.2. SCHEMAT BLOKOWY UKŁADU POMIAROWEGOSchemat blokowy układu pomiarowego umożliwiającego przeprowadzenie pomiarów własnościelektrycznych badanych układów pracy wzmacniacza operacyjnego przedstawiono na rysunku 7.1.Analizatorcharakterystyk2GeneratorfunkcyjnyWeBadanyukład1OscyloskopWyWoltomierz ACZasilaczRys. 7.1.Schemat blokowy układu pomiarowego do badania układów operacyjnychBadany układ zasilany jest symetrycznie napięciem stałym±15V.Do wejściaWe1dołączony jest generator funkcyjny. Dołączony do wyjściaWy2oscyloskop cyfrowy umożliwiapomiar napięć (wejściowego i wyjściowego) oraz obserwację kształtu przebiegu tych napięć.DodatkoweWe2umożliwia pomiar rzeczywistego napięcia na wejściu poszczególnych układów.7.3. SCHEMAT IDEOWY BADANEGO UKŁADUSchematy ideowe układu do badania własności podstawowych układów pracy wzmacniaczaoperacyjnego (na bazie układów serii 741) przedstawiono na rysunku 7.2. Badany model zawieraukład scalony z rodzinyµA741 zasilany symetrycznie napięciem±15V oraz zespół przełącznikówP1÷P6umożliwiających realizację (poprzez odpowiednią konfigurację) następujących układów:- wzmacniacza napięciowego w układzie nieodwracającym (7.2.a),- wzmacniacza napięciowego w układzie odwracającym (7.2.b),- wzmacniacza sumującego (sumatora) z odwróceniem fazy (7.2.c),- wzmacniacza odejmującego (różnicowego) - (7.2.d),- układu całkującego (integratora) - (7.2.e),- układu różniczkującego (7.2.f).W konfiguracji wzmacniacza odwracającego (7.2.a) sygnał podawany jest z wejściaWepoprzez rezystorR4na wejście odwracające wzmacniacza. Wzmacniacz objęty jest pętlą ujemnegosprzężenia zwrotnego przez rezystorR5. Wejście nieodwracające przez rezystorR6połączone jestdo masy. Wzmocnienie napięciowe tego układu wynosi 10 (Gu=R5/R4). W układzie wzmacniaczanieodwracającego (7.2.b) sygnał podawany jest z wejściaWebezpośrednio na wejścienieodwracające WO. Układ wzmacniacza sumującego (sumatora - 7.2.c) to specjalny przypadekwzmacniacza napięciowego odwracającego fazę. Na jedno z wejść sumatora podawany jest sygnałbezpośrednio zWe1, zaś na drugie wejście sygnał z dzielnika napięciowego zbudowanego zR1iR2.1Rys. 7.2.Schematy ideowe poszczególnych badanego układu2W przypadku wzmacniacza odejmującego (7.2.d) sygnały doprowadza się poprzez rezystorywejściowe (R1iR2) do obu wejść wzmacniacza operacyjnego. Analogicznie jak w poprzednimprzypadku sygnały wejściowe pochodzą zWe1oraz dzielnika napięciowego utworzonego przy tymwejściu.Do budowy układu całkującego na bazie wzmacniacza operacyjnego (7.2.e) wykorzystujesię lekko zmodyfikowany układ wzmacniacza napięciowego w konfiguracji odwracającej. Sygnałwejściowy podawany jest poprzez rezystorR18na wejście odwracające wzmacniacza, natomiast wpętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego włącza się kondensatorC2. Układ różniczkujący (7.2.f)uzyskuje się podając sygnał na wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego przez kondensatorC2, natomiast pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego zamyka rezystorR20.7.4. WYBRANE WŁASNOŚCI BADANYCH UKŁADÓW7.4.1. WstępIdealne wzmacniacze operacyjne powinny mieć właściwościźródłanapięciowego sterowanegonapięciem i charakteryzować się następującymi parametrami:- nieskończenie dużym wzmocnieniem napięciowym przy otwartej pętli (praktyczne wartościzawierają się w zakresie 105...106);- impedancją wyjściową równą zero (praktycznie kilkadziesiąt omów);- nieskończenie dużą impedancją wejściową zarówno między wejściami, jak i między każdym zwejść a masą (praktycznie rzędu megaomów);- napięcie wyjściowe równe zeru przy równych napięciach wejściowych.W tabeli 3.1 przedstawiono podstawowe parametry wzmacniacza operacyjnego z grupy ogólnegozastosowaniaμA741oraz wzmacniacza specjalistycznego VN2018.Tab. 7.1Nazwa parametrujedn.V/VMΩΩMHzV/μsTyp wzmacniaczaogólnegob. szybkizastosowaniaz BiCMOS(np.μA741)(np.VN2018)2∗10527510,51∗1060,068200500Wzmocnienie otwartopętloweRezystancja wejściowa różnicowaRezystancja wyjściowaSzerokość pasma (dla Gu= 1 )Maks. szybkość zmian napięciawyjściowego (SR)Wzmacniacze operacyjne są z reguły układami o trzech stopniach wzmocnienia. Wykresamplitudowej oraz fazowej charakterystyki częstotliwościowej układu o trzech biegunachprzedstawiono na rysunku 7.3. Stosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego, które poprawianiektóre właściwości układu, powoduje,żew zakresie wyższych częstotliwości może nastąpić takieprzesunięcie fazy, iż sprzężenie zmieni charakter z ujemnego na dodatnie i wzmacniacz stanie sięniestabilny.W celu zapewnienia stabilnej pracy wzmacniacza stosuje się różne układy kompensujące.We wzmacniaczach operacyjnych z rodzinyμA741zastosowano tzw. wewnętrzną kompensację.Wewnętrzna kompensacja (zwana często kompensacją biegunem dominującym) polega na takimzmniejszeniu częstotliwości granicznej jednego ze stopni, aby transmitancja układu była funkcjąjednobiegunową. Na rys. 7.3 linią przerywana przedstawiono charakterystyki dla idealnego układuWO. W strukturze układuμA741 funkcje taką pełni wewnętrzna pojemność o wartości ok. 30 pF.Trzeba jednak stwierdzić,żekompensacja biegunem dominującym przy wszystkich swoich3zaletach (zapewnienie stabilności i kształtu charakterystyki częstotliwościowej) powoduje jednakznaczne ograniczenia szybkości reakcji, a w niektórych zastosowaniach wzmacniacz staje się„przekompensowanym”. Powoduje to więc nadmierne ograniczenie pasma częstotliwości.Gu2*105-20dB/dek-20dB/dek-40dB/dek-60dB/dek1fg0fg11/10f110f1fg2fg3f1fTfϕ-45-90f-180-270Rys. 7.3.Charakterystyki częstotliwościowe nieskompensowanego rzeczywistego WO (linia ciągła) oraz skompensowanego idealnegoWO (linia przerywana) wzmacniacza operacyjnego w układzie odwracającym typu 741Dla szybko zmiennych sygnałów wejściowych, nie tylko typu impulsowego, ale równieżsinusoidalnych, przy dużych wartościach amplitud sygnału wejsciowego, układy ze wzmacniaczemoperacyjnymłatwoulegają przesterowaniu, mimo pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego.Przesterowanie to powoduje ograniczenie prędkości narastania napięcia wyjściowego określonejprzez współczynnik SR (ang.slew-rate).7.4.2. Wybrane aplikacje wzmacniacza operacyjnego w układach wzmacniającychWzmacniacze operacyjne mogą pracować w wielu różnych konfiguracjach układowych. Dopodstawowych konfiguracji można zaliczyć:§wzmacniacz napięciowy odwracający i nieodwracający,§wtórnik napięciowy,§wzmacniacz sumujący,§układ różniczkujący i całkujący (układy kształtujące napięcie),§konwerter prąd-napięcie i napięcie -prąd.7.4.2.1. Wzmacniacz napięciowy odwracającySchemat uproszczony wzmacniacza odwracającego (fazę sygnału wejściowego) przedstawiono narysunku 7.5. Sygnał wejściowy w tym układzie doprowadzany jest do wejścia odwracającego WOpoprzez rezystorR1. Część sygnału z wyjścia podawana jest na wejście WO przez rezystorR2pełniący rolę pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego napięciowego równoległego.Przy założeniu nieskończenie dużej rezystancji wejściowej WO (wartości prądówwejściowych równe są zeru) i zerowej rezystancji wyjściowej, prąd płynący przez rezystorR1równa się prądowi płynącemu przez rezystorR2.4Założenie o pomijalnie zerowej wartości prądu wejściowego WO upoważnia dostwierdzenia,żenapięcieUdjest bliskie zeru. Wówczas potencjał punktu Z jest bliski potencjałowimasy, a punkt ten potocznie określamy mianem „punktu masy pozornej” układu.I2I1R1R2ZUdUweR5UwyRys. 7.5.Wzmacniacz w konfiguracji odwracającejW związku z tym napięcie wyjścioweUwyodpowiada spadkowi napięcia naR2, zaś całenapięcie wejściowe odkłada się na rezystorzeR1. Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza wkonfiguracji odwracającej (będące stosunkiem napięcia wyjściowego do wejściowego) zależy odstosunku wartości rezystancji występujących w obwodzie sprzężenia zwrotnego i na wejściuukładu:Guf=UwyUwe=−R2R1(7.1)Znak minus oznacza,żenapięcie wyjściowe ma przeciwną fazę w stosunku do napięciawejściowego.Rezystancja wejściowa wzmacniacza w takiej konfiguracji jest równaR1, gdyż rezystancjawidziana między „punktem masy pozornej”, a masą jest pomijalnie mała. Zastosowanie sprzężeniazwrotnego powoduje zmniejszenie ( i tak już małej wartości – patrz tab. 7.1) rezystancji wyjściowejukładu.Wadą układu jest trudność jednoczesnego uzyskania dużej rezystancji wejściowej i dużegowzmocnienia (rezystancja wejściowa jest określona przez wartośćR1, natomiast wzmocnienie jestodwrotnie proporcjonalne do tej wartości).Zastosowanie ujemnego sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu umożliwia nie tylkozredukowanie bardzo dużej wartości wzmocnienia otwartopętlowego (rzędu setek tysięcy razy), alerównież zmianę pasma przenoszenia wzmacniacza. Dla wzmacniaczy o różnych wzmocnieniach(z zastosowaniem tego samego WO) otrzymuje się charakterystyki amplitudowe asymptotyczniezbieżne do charakterystyki amplitudowej WO z otwartą pętla sprzężenia zwrotnego (rys. 7.6), przytym pola wzmocnienia poszczególnych wzmacniaczy są takie same i równe polu wzmocnieniaf1WO, tj:(7.2)GUfg=GUfg=GUfg=...=f11122GuGuGu1-20dB/dekGu21fgfg1fg2f1fRys. 7.6.Zależność górnej częstotliwości układu wzmacniacza od jego wzmocnienia5 [ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • emaginacja.xlx.pl

    •