POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA
Stanowisko do badania i symulacji podstawowych parametrów pracy wzmacniaczy pomiarowych.
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów ze wzmacniaczami pomiarowymi ich budową, zasadą działania, zastosowaniami oraz pomiar ich podstawowych parametrów poprzez symulowanie układów przy pomocy programu komputerowego. Do tego celu użyto programu symulacyjnego PSpice student.
2. Wiadomości wstępne.
Wzmacniacze operacyjne są obecnie najczęściej stosowanymi elementami we wszelkiego rodzaju układach analogowych, można nawet zaryzykować stwierdzenie, że są one fundamentem współczesnej elektroniki analogowej.
Podczas dokonywania wielu pomiarów, bardzo często sygnał niosący informację pomiarową występuje w obecności zakłóceń. Dlatego też pomiędzy sensorem (czujnikiem) a np. torem przetwornika A/C umieszcza się dodatkowy tor wstępnej obróbki sygnału, którego zadaniem jest wyselekcjonowanie z zakłóceń użytecznego sygnału i standaryzację jego poziomu do wymagań toru przetwornika.
Nieodzownym elementem takiego toru, obok układów filtrów jest układ wzmacniacza pomiarowego, będącego najczęściej specjalnym rozwiązaniem układu wzmacniacza różnicowego, charakteryzującego się dużym wzmocnieniem dla sygnału różnicowego UR pomiędzy jego wejściami oraz silnym tłumieniem składowej współbieżnej UW pojawiającej się jednocześnie na obu wejściach wzmacniacza.
3. Podstawowe rodzaje wzmacniaczy operacyjnych.
Idealny wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się bardzo dużym (dążącym do nieskończoności) wzmocnieniem napięciowym (Ku→∞), nieskończenie wielką impedancję wejściową (Zwe→∞), impedancję wyjściową równą zero (Zwy→0) i nieskończenie szerokim pasmem przenoszenia.
Rzeczywisty wzmacniacz operacyjny scalony zawiera w swojej strukturze rys.3.1. źródło prądowe, wzmacniacze różnicowe zrównoważone (przeważnie dwa stopnie), wtórnik emiterowy układ przesuwania poziomu napięcia stałego i stopień wyjściowy.
Rys. 3.1. Schemat blokowy wzmacniacza operacyjnego rzeczywistego
Niektóre zastosowania wymagają niskiej wartości wejściowego napięcia niezrównoważenia (napięcia offsetu) tj. napięcia, jakie trzeba przyłożyć między wejściami, aby zniwelować niesymetrię wejściowego stopnia wzmacniacza, a także małej wartości współczynnika cieplnego wejściowego napięcia niezrównoważenia. Aby spełnić szczególnie ostre wymagania dotyczące tych właściwości, zbudowano wzmacniacz z przetwarzaniem. Napięcie wejściowe jest zamieniane przez przełącznik analogowy na ciąg impulsów o dużej częstotliwości, a kondensator podtrzymuje przebieg w czasie między próbkowaniami. Technika przetwarzania umożliwia osiągnięcie wartości napięcia niezrównoważenia rzędu ok. 1µV. Dryft temperaturowy napięcia jest również bardzo mały i wynosi 0,05µV / stopni C. Technikę przetwarzania używa się głównie dla sygnałów stałoprądowych lub wolnozmiennych.
Różnorodność zastosowań wzmacniaczy operacyjnych powoduje, że na świecie produkuje się kilkadziesiąt podstawowych ich typów o parametrach optymalizowanych pod względem ich zastosowań. Można je sklasyfikować w następujących podstawowych grupach:
· ogólnego przeznaczenia (np. μA 709, μA 741)
· szerokopasmowe (tzw. szybkie, np. μA 715, AD 509)
· do zastosowań dokładnych (o dużej rezystancji wejściowej, małe dryfy i szumy, np. μA 777, LM 108, CA 3130, AD 504)
· do zastosowań specjalnych (technika kosmiczna, biomedycyna, np. μA 735, AD 515)
Wzmacniacze operacyjne ogólnego przeznaczenia konstruuje się na zasadzie kompromisu dążąc do uzyskania możliwie najlepszych wszystkich istotnych parametrów. Natomiast podczas projektowania wzmacniaczy specjalnych kładzie się nacisk na jakość jednego lub kilku wybranych parametrów, przy gorszych pozostałych.
Rodzaje wzmacniaczy specjalnych:
- precyzyjne
- szybkie
- superszybkie
- o szczególnie małych prądach wejściowych
- niskoszumowe
- o zwiększonej wydajności wyjścia.
3.1. Wzmacniacz odwracający.
Najprostszym układem pracy wzmacniacz operacyjnego jest wzmacniacz odwracający fazę sygnału wejściowego. Układ ten umożliwia łatwe wyjaśnienie działania mechanizmu sprzężenia zwrotnego i zrozumienie zasad i metod stosowanych podczas analizy i praktycznej realizacji układów ze wzmacniaczami operacyjnymi. Zasady te są związane z idealizacją samych wzmacniaczy operacyjnych, pojmowanych jako urządzenia o bardzo dużych wartościach (niemal nieskończonych) wzmocnienia i rezystancji wejściowej oraz o nieskończenie małej wartości rezystancji wyjściowej i małych sygnałach niezrównoważenia.
Rys 3.2. Wzmacniacz odwracający
W celu jakościowego zbadania układu zakładamy, że napięcie wejściowe wzrasta od zera do pewnej dodatniej wartości Uwe. Wówczas UN przyjmuje wartość
(3.1)
Ponieważ w pierwszej chwili Uwy jest jeszcze równe zeru. Napięcie różnicowe UR jest więc ujemne. Ze względu na duże wzmocnienie kuf napięcie wyjściowe gwałtownie maleje do wartości ujemnych, wskutek czego maleje UN. Napięcie na wyjściu zmienia się do chwili osiągnięcia na wejściu wartości zerowej.
(3.2)
Stąd
(3.3)
Po podstawieniu impedancji wzór na wzmocnienie przybierze postać
(3.4)
oraz
(3.5)
i będzie wykorzystywany dla sygnałów zmiennych.
Działanie ujemnego sprzężenia zwrotnego polega na tym iż w obszarze pracy liniowej wzmacniacz operacyjny dąży do osiągnięcia takiego napięcia wyjściowego Uwy, by Un ~0.Wejście (-) zachowuje się jak zacisk połączony z masą. Dlatego też ten punkt układu nazwany jest masą pozorną lub punktem sumacyjnym.
W celu dokładniejszych obliczeń wzmocnienia napięciowego z ujemnym sprzężeniem zwrotnym należy uwzględnić wartości napięcia różne od zera
(3.6)
Otrzymamy wtedy
(3.7)
gdzie
(3.8)
przy założeniu, że
(3.9)
stąd
(3.10)
Rezystancja wejściowa układu jest tu znacznie mniejsza od rezystancji wejściowej samego wzmacniacza. Dla UN różnego od zera
(3.11)
Dla Uwe=const właściwości małosygnałowe są identyczne.
3.2. Wzmacniacz nieodwracający.
Układ wzmacniacza nieodwracającego przedstawionego na rys 3.3 powstaje poprzez objecie pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego (napięciowo-szeregowego) wzmacniacza operacyjnego. Część sygnału zwrotnego doprowadzona jest do wejścia odwracającego a sygnał wejściowy jest doprowadzony do wejścia nieodwracającego (można do tego wejścia dołączyć rezystor szeregowy).
Z zasady pozornego zwarcia wynika iż napięcie na rezystancji R1 musi być równe napięciu Uwe. Ponieważ przez rezystancje R1 i RF płynie ten sam prąd, to napięcie na rezystancji RF wynosi :
(3.12)
Napięcie wyjściowe Uwy równe jest zaś sumie napięć na rezystancjach R1 i R2 :
(3.13)
stąd wzmocnienie napięciowe kUf wyraża się wzorem (3.14):
(3.14)
Jest ono co do modułu większe o 1 od wzmocnienia wzmacniacza pracującego w konfiguracji odwracającej fazę sygnału. W rzeczywistości obi te konfiguracje są identyczne, a różnią się jedynie miejscem doprowadzenia sygnału wejściowego, co powoduje że we wzmacniaczu nieodwracającym rezystancje R1 i RF tworzą dzielnik tylko dla sygnału sprzężenia zwrotnego, a w odwracającym także dla sygnału wejściowego.
Ważną odmianą wzmacniacza nieodwracającego jest układ wtórnika napięciowego. układ ten powstaje poprzez objęcie poprzedniego układu 100%
ujemnym sprzężeniem zwrotnym (R1= ¥ : RF=0, wtedy Uwy = Uwe).
Rezystancja wyjściowa RWYf opisana zależnością (3.15) wzmacniaczy objętych ujemnym sprzężeniem zwrotnym typu napięciowego zmniejsza się w takim samym stopniu co ich wzmocnienie napięciowe.
(3.15)
gdzie RWY jest rezystancją wyjściową wzmacniacza operacyjnego w otwartej pętli sprzężenia. Ponieważ w układzie wtórnika napięciowego wzmocnienie napięciowe kUf »1, a kU ®¥ to rezystancja wyjściowa wtórnika jest bardzo mała i dąży do zera. Powoduje to iż wtórnik ma szerokie zastosowanie jako tzw. transformator impedancji w wielu układach dopasowywujących i wyjściowych.
3.3. Wzmacniacz napięcia stałego.
Wzmacniaczem napięcia stałego nazywamy wzmacniacz przystosowany do wzmacniania sygnałów dowolnie wolnozmiennych. Jednak występowanie wolnozmiennych zmian sygnałów nie wyklucza możliwości równoczesnego występowania zmian szybkich, a więc składowych sygnału o wielkich częstotliwościach.
W długich okresach pracy takich wzmacniaczy mogą zachodzić różnorakie zmiany (powyżej zmiany napięć zasilających, zmiany temperatury, zmiany parametrów tranzystora lub innych elementów). Zmiany te jeżeli wzmacniane są wraz z sygnałem wejściowym, powodują znaczne zniekształcenia sygnału wyjściowego. Zniekształcenia te możemy podzielić na szumy (o dużej częstotliwości) i tzw. dryf wzmacniacza - wolne zmiany napięcia wejściowego przy stałym napięciu wejściowym. Najlepszym sposobem na wyeliminowanie dryfu jest zastosowanie tzw. wzmacniaczy różnicowych (rys.3.4.)
Rys.3.4. Schemat wzmacniacza różnicowego
Wzmacniacz różnicowy może być sterowany na dwa rodzaje:
- jeżeli sygnał jest podawany między zaciski wejściowe lub jeżeli sygnały podawane na zaciski wejściowe są w przeciwfazie - jest to sterowanie różnicowe,
- jeżeli sygnał jest podawany na zwarte zaciski wejściowe lub sygnały podane na zaciski wejściowe są w fazie - jest to sterowanie sumacyjne.
Budowa wzmacniacza różnicowego polega na zapewnieniu dużego wzmocnienia sygnału różnicowego i małego wzmocnienia sygnałów sumacyjnych (większość sygnałów szkodliwych jest sygnałami sumacyjnymi), sterowanie wzmacniacza różnicowego ma zapewnić, aby sygnał użyteczny był sygnałem różnicowym.
3.4. Wzmacniacz różnicowy.
Wzmacniacz różnicowy zbudowany w układzie jak na rys.3.5 służy do wzmacniania sygnału różnicowego pochodzącego z dwóch źródeł o podobnym potencjale, mającym charakter sygnału rodzaju wspólnego. Jest to układ o symetrycznym wejściu i niesymetrycznym wyjściu.
Marcin0402