W roku 1968 Fairchild Semiconductor wypuścił na rynek układ mA702. Można uznać, że było to pierwszy scalony wzmacniacz operacyjny. Od tamtego czasu op ampy (to popularne slangowe określenie układów tego typu) przeszły wiele rewolucyjnych zmian i usprawnień i nadal są podstawowym elementem elektronicznych układów analogowych. Przyjrzymy się im bliżej, biorąc na tapet najprostsze typy, które są proste w analizie i użyciu.

Cel

W tym module przedstawimy wzmacniacz operacyjny, aktywny obwód, który został zaprojektowany z pewnymi cechami (wysoka rezystancja wejściowa, niska rezystancja wyjściowa i duże wzmocnienie różnicowe), które czynią go niemal idealnym wzmacniaczem i użytecznym blokiem konstrukcyjnym w wielu zastosowaniach. W artykule opiszemy zasady polaryzacji stałoprądowej dla układów aktywnych, przedstawimy też kilka podstawowych funkcjonalnych schematów wzmacniacza operacyjnego. Rozważania teoretyczne zostaną skonfrontowane z eksperymentami praktycznymi.

Materiały

• Aktywny moduł edukacyjny ADALM2000
• Stykowa płytka prototypowa i zestaw przewodów połączeniowych
• Jeden rezystor 1 kΩ
• Dwa rezystory 4,7 kΩ
• Dwa rezystory 10 kΩ
• Dwa układy OP97 (wzmacniacze o niskiej szybkości narastania)
• Dwa kondensatory 0,1 μF (do montażu przewlekanego)

Podstawy wzmacniaczy operacyjnych

Pierwszy krok: Podłączanie zasilania DC

Wzmacniacze operacyjne muszą być zawsze zasilane prądem stałym, dlatego najlepiej jest najpierw skonfigurować te połączenia przed dodaniem jakichkolwiek innych elementów obwodu. Na rys. 1 przedstawiono jeden z możliwych układów zasilania na płytce prototypowej. Używamy dwóch długich szyn, jednej dla dodatniego, drugiej dla ujemnego napięcia zasilania oraz dwóch innych dla wszelkich połączeń uziemiających, które mogą być wymagane. Będziemy korzystać z kondensatorów odsprzęgających zasilanie, które są podłączone między szynami zasilania i uziemienia. Jest zbyt wcześnie, aby szczegółowo omówić ich przeznaczenie, ale są one używane w celu zmniejszenia tętnień na liniach zasilających i uniknięcia pasożytniczych oscylacji. Dobrą praktyką w projektowaniu obwodów analogowych jest dołączanie małych kondensatorów obejściowych w pobliżu pinów zasilania każdego wzmacniacza operacyjnego w obwodzie.

Umieść wzmacniacz operacyjny na płytce prototypowej i dodaj przewody oraz kondensatory zasilające, jak pokazano na rys. 1. Aby uniknąć późniejszych problemów, warto umieścić na płytce drukowanej małą etykietę wskazującą, które szyny odpowiadają napięciom +Vp, -Vn i masie. W utrzymaniu porządku w połączeniach może również pomóc kodowanie kolorami przewodów: czerwony dla Vp, czarny dla Vn i zielony dla masy.

Rys. 1. Połączenia zasilania

Następnie podłącz połączenia zasilania i masy z płytki ADALM2000 do zacisków na płytce stykowej. Użyj przewodów połączeniowych do zasilania szyn, jak pokazano na rysunku. Należy pamiętać, że zacisk GND zasilania będzie naszym odniesieniem do masy obwodu. Po podłączeniu zasilania możesz użyć DMM (multimetr wirtualny oprogramowania Scopy) do bezpośredniego sondowania wyprowadzeń układu scalonego, aby upewnić się, że na nóżce 7 występuje napięcie 5 V, a na nóżce 4 jest napięcie -5 V. Pamiętaj, że musisz mieć uruchomione oprogramowanie Scopy i włączyć zasilacze przed pomiarem napięć za pomocą multimetru używanego jako woltomierz.

Wzmacniacz ze wzmocnieniem jednostkowym (Voltage Follower)

Kontekst

Nasz pierwszy układ ze wzmacniaczem operacyjnym, pokazany na rys. 2, jest bardzo prosty. Taką konfigurację nazywamy buforem o wzmocnieniu jednostkowym lub czasami po prostu wtórnikiem napięciowym, zgodnie z definicją funkcji transferu V_OUT = V_IN. Na pierwszy rzut oka obwód może wydawać się bezużyteczny, ale jak pokażemy później, znajduje zastosowanie ze względu na wysoką rezystancję wejściową i niską rezystancję wyjściową.

Rys. 2. Układ wtórnika napięciowego o wzmocnieniu jednostkowym

Konfiguracja sprzętu

Korzystając z płytki prototypowej i zasilaczy ADALM2000, skonstruuj obwód pokazany na rys. 3. Należy zauważyć, że połączenia zasilania nie zostały tutaj wyraźnie pokazane. Zakładamy, że połączenia te muszą być wykonane w każdym rzeczywistym obwodzie (tak jak w poprzednim kroku), więc od tego momentu nie ma potrzeby pokazywania ich na schemacie. Użyj przewodów połączeniowych do podłączenia wejścia i wyjścia do generatora przebiegów i przewodów oscyloskopu. Nie zapomnij uziemić ujemnych przewodów wejściowych C1- i C2- oscyloskopu (połączenia uziemienia nie są pokazane na schemacie).

Rys. 3. Obwód wzmacniacza jednostkowego na płytce drukowanej

Procedura

Użyj pierwszego generatora przebiegów jako źródła V_IN,. Będzie ono dostarczało sinusoidalny sygnał wejściowy o amplitudzie 2 V i częstotliwości 1 kHz. Skonfiguruj oscyloskop tak, aby sygnał wejściowy był wyświetlany w kanale 2, a sygnał wyjściowy w kanale 1. Zwróć uwagę na parametry przebiegów (wartości szczytowe i podstawowy okres lub częstotliwość). Przebiegi powinny potwierdzać, że badany wzmacniacz jest to układ o wzmocnieniu jednostkowym, czyli pełni funkcję wtórnika napięciowego. Przykładowy oscylogram przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4. Przebiegi układu wtórnika napięciowego o wzmocnieniu jednostkowym

Ograniczenia szybkości narastania (Slew Rate)

W przypadku idealnego wzmacniacza operacyjnego sygnał wyjściowy będzie dokładnie podążał za sygnałem wejściowym dla dowolnych sygnałów wejściowych, ale w rzeczywistym wzmacniaczu sygnał wyjściowy nigdy nie może natychmiast reagować na sygnał wejściowy. Tę nieidealność można zaobserwować, gdy sygnał wejściowy jest szybko zmieniającą się funkcją czasu. W przypadku sygnałów o dużej amplitudzie ograniczenie to jest określane ilościowo przez szybkość narastania (slew rate), która jest maksymalną szybkością zmiany (nachylenia) napięcia wyjściowego, jaką może zapewnić wzmacniacz operacyjny. Jednostki szybkości narastania są zwykle wyrażane jako V/μs.

Ustaw generator tak, aby wytwarzał sygnał prostokątny o amplitudzie 2 V i zwiększaj częstotliwość, aż zobaczysz znaczące odejście od idealnego zachowania – to znaczy, gdy wyjście zacznie wyglądać bardziej jak trapez niż fala prostokątna. Prawdopodobnie konieczne będzie dostosowanie skali czasu (sek/dz) na wyświetlaczu oscyloskopu. Wyeksportuj wykres przebiegu wyjściowego w tym punkcie i zmierz jego czas narastania od 10% do 90% (oraz czas opadania od 90% do 10%) zgodnie z rys. 5. Zanotuj również napięcie międzyszczytowe sygnału wyjściowego. Oblicz i zapisz szybkość narastania i opadania sygnału wyjściowego zgodnie z wynikami pomiarów.

Rys. 5. Szybkość narastania

Oscylogram ilustrujący szybkość narastania przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. Przebieg częstotliwości narastania

Przykład buforowania

Wysoka rezystancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego (zerowy prąd wejściowy) oznacza, że obciążenie generatora jest bardzo małe. Z obwodu źródłowego nie jest więc pobierany prąd, a zatem nie spada napięcie na żadnej wewnętrznej rezystancji Thevenina. W tej konfiguracji wzmacniacz operacyjny działa jak bufor chroniący źródło przed efektami obciążenia z innych części systemu. Z perspektywy układu obciążenia, bufor przekształca nieidealne źródło napięcia w źródło prawie idealne. Na rys. 7 został przedstawiony prosty układ, którego możemy użyć do zademonstrowania funkcji bufora o jednostkowym wzmocnieniu. Na tym rysunku bufor jest umieszczony między obwodem dzielnika napięcia a pewną rezystancją obciążenia.

Rys. 7. Przykład bufora

Wyłącz zasilacze i dodaj rezystory do układu, jak pokazano na rys. 7 (zauważ, że nie zmieniliśmy tutaj połączeń wzmacniacza operacyjnego, po prostu odwróciliśmy symbol wzmacniacza operacyjnego w stosunku do rys. 2).

Włącz zasilacze i ustaw generator przebiegów na sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 kHz i amplitudzie 4 V. Użyj powiększenia, aby jednocześnie obserwować V_IN i V_OUT i zapisz amplitudy napięć.

Usuń obciążenie 10 kΩ i zastąp je rezystorem 1 kΩ. Zapisz amplitudę.

Teraz przesuń obciążenie 1 kΩ między pin 3 i masę, tak aby było równoległe do rezystora 4,7 kΩ. Zapisz, jak zmieniła się amplituda wyjściowa. Czy można przewidzieć nową amplitudę wyjściową?

Proste konfiguracje wzmacniaczy

Wzmacniacz odwracający

Wprowadzenie

Na rys. 8 przedstawiono typową konfigurację wzmacniacza odwracającego z rezystorem obciążenia 10 kΩ na wyjściu.

Rys. 8. Konfiguracja wzmacniacza odwracającego

Konfiguracja sprzętu

Teraz zmontuj układ wzmacniacza odwracającego pokazany na rys. 9, gdzie R2 = 4,7 kΩ. Pamiętaj, aby odłączyć zasilanie przed montażem nowego obwodu. Przytnij i wygnij przewody rezystora w razie potrzeby, aby przylegały płasko do powierzchni płytki i użyj najkrótszych przewodów połączeniowych dla każdego połączenia (jak na rys. 1). Pamiętaj, że płytka drukowana zapewnia dużą elastyczność. Na przykład, przewody rezystora R2 niekoniecznie muszą łączyć wzmacniacz operacyjny od pinu 2 do pinu 6. Zamiast tego, w celu obejścia układu można użyć węzła pośredniego i przewodu połączeniowego.

Rys. 9. Obwód wzmacniacza odwracającego na płytce stykowej

Włącz zasilacze i obserwuj pobór prądu. Upewnij się, że nie ma przypadkowych zwarć. Teraz wyreguluj generator przebiegu, aby na wejściu (V_IN) wytworzyć przebieg sinusoidalny o amplitudzie 2 V i częstotliwości 1 kHz. Ponownie wyświetl zarówno wejście, jak i wyjście na oscyloskopie. Zmierz i zapisz wzmocnienie napięciowe tego obwodu i porównaj je z teorią.

W pewnym momencie ćwiczenia prawdopodobnie będziesz mieć problemy z uruchomieniem obwodu. Nie jest to niespodziewane, nikt nie jest doskonały. Nie należy jednak zakładać, że niedziałający obwód musi oznaczać wadliwie działającą część lub przyrząd laboratoryjny. To prawie nigdy nie jest prawdą. 99% wszystkich problemów z układami to proste błędy w okablowaniu lub zasilaniu. Nawet doświadczeni inżynierowie od czasu do czasu popełniają błędy, a zatem nauka wykrywania problemów jest bardzo ważną częścią procesu uczenia się.

O ile ze wzmacniacza operacyjnego nie wydobywa się dym, na rezystorach nie ma brązowych śladów spalenizny lub kondensator nie eksplodował, wszystkie elementy są prawdopodobnie nieuszkodzone. W rzeczywistości większość z nich może tolerować niewielkie nadużycia, zanim dojdzie do znaczących uszkodzeń. Gdy coś nie działa, najlepiej jest wyłączyć zasilanie i spokojnie wyszukać przyczynę, dopiero na końcu można dopatrywać się uszkodzeń elementów. Cenną pomocą w lokalizowaniu uszkodzeń będzie miernik uniwersalny.

Procedura

Jako źródła sygnału wejściowego V_IN użyj pierwszego generatora. Powinien on generować przebieg sinusoidalny o amplitudzie 2 V i częstotliwości 1 kHz. Skonfiguruj oscyloskop tak, aby sygnał wejściowy był wyświetlany w kanale 2, a sygnał wyjściowy w kanale 1. Przykładowy oscylogram przedstawiono na rys. 10.

Rys. 10. Przebiegi wzmacniacza odwracającego

Nasycenie wyjścia

Teraz zmień rezystor sprzężenia zwrotnego R2 na rys. 8 z 4,7 kΩ na 10 kΩ. Jakie jest teraz wzmocnienie? Powoli zwiększaj amplitudę sygnału wejściowego do 2 V. Napięcie wyjściowe każdego wzmacniacza operacyjnego jest ostatecznie ograniczone przez napięcia zasilania, a w wielu przypadkach rzeczywiste limity są znacznie mniejsze niż napięcia zasilania ze względu na wewnętrzne spadki napięcia w układzie wzmacniacza operacyjnego. Określ ilościowo wewnętrzne spadki napięcia w OP97 na podstawie swoich pomiarów.

Układ wzmacniacza sumującego

Wprowadzenie

Układ z rys. 11 jest podstawowym wzmacniaczem odwracającym z dodatkowym wejściem, zwanym wzmacniaczem sumującym. Używając superpozycji możemy pokazać, że VOUT jest liniową sumą VIN1 i VIN2, każdy z własnym unikalnym wzmocnieniem lub współczynnikiem skali.

Rys. 11. Konfiguracja wzmacniacza sumującego

Konfiguracja sprzętu

Przy wyłączonym zasilaniu zmodyfikuj układ wzmacniacza odwracającego wg rys. 12. Użyj drugiego wyjścia generatora przebiegu dla V_IN2. Zmniejsz amplitudę do zera, aby można było ją regulować od zera podczas eksperymentu.

Rys. 12. Układ wzmacniacza sumującego na płytce stykowej

Teraz zastosuj przebieg sinusoidalny o amplitudzie 2 V dla V_IN1 i 1 V DC dla VIN2. Obserwuj i rejestruj przebiegi wejściowe/wyjściowe na ekranie oscyloskopu. Należy zwrócić szczególną uwagę na poziom sygnału masy kanału wyjściowego na ekranie oscyloskopu. Taką konfigurację można nazwać przesuwnikiem poziomu.

Wyreguluj przesunięcie prądu stałego generatora przebiegu W1 (V_IN1), aż składowa prądu stałego V_OUT będzie zerowa. Oszacuj wymagane przesunięcie prądu stałego, obserwując przebieg wejściowy na oscyloskopie (uwaga: nie jest to -V_IN2).

Wyzeruj przesunięcie generatora przebiegu W1 do zera. W kanale 2 oscyloskopu (kanał podłączony do wyjścia wzmacniacza operacyjnego) ustaw 2 V/dz i powoli zwiększaj napięcie offsetu generatora przebiegu W2, V_IN2. Co stanie się z V_OUT? Zapisz napięcie stałe na wyjściu.

Przywróć napięcie offsetu generatora przebiegu W2 do około 1 V. Ustaw oscyloskop na 1 V/dz i wyreguluj przesunięcie oscyloskopu tak, żeby zobaczyć pełny przebieg V_OUT. Obróć napięcie V_IN2 z powrotem do wartości zwiększonej w poprzednim kroku. Jak wygląda przebieg oscyloskopowy dla V_OUT? Czy wzmacniacz wydaje się wzmacniać?

Procedura

Użyj pierwszego generatora jako źródła V_IN, który powinien generować przebieg sinusoidalny o amplitudzie 2 V i częstotliwości 1 kHz. Drugi generator jest używany do generowania napięcia stałego 1 V. Skonfiguruj oscyloskop tak, aby sygnał wejściowy był wyświetlany w kanale 2, a sygnał wyjściowy na kanale 1. Przykładowy oscylogram przedstawiono na rys. 13.

Rys. 13. Przebiegi wzmacniacza sumującego

Wzmacniacz nieodwracający

Wprowadzenie

Konfiguracja wzmacniacza nieodwracającego została przedstawiona na rys. 14. Podobnie jak bufor o jednostkowym wzmocnieniu, układ ten ma (zwykle) pożądaną właściwość wysokiej rezystancji wejściowej, więc jest przydatny do buforowania nieidealnych źródeł.

Rys. 14. Wzmacniacz nieodwracający ze wzmocnieniem

Konfiguracja sprzętu

Zmontuj układ wzmacniacza nieodwracającego pokazany na rys. 15. Pamiętaj, aby odłączyć zasilanie przed montażem nowego układu. Zacznij od R2 = 1 kΩ.

Rys. 15. Wzmacniacz nieodwracający zmontowany na płytce stykowej

Doprowadź do wejścia przebieg sinusoidalny o amplitudzie 2 V i częstotliwości 1 kHz, a następnie obserwuj na oscyloskopie przebieg wejściowy i wyjściowy. Zmierz wzmocnienie napięciowe tego ukłądui porównaj je z teorią.

Zwiększ rezystor sprzężenia zwrotnego (R2) z 1 kΩ do około 5 kΩ. Jakie jest teraz wzmocnienie?

Zwiększaj rezystancję sprzężenia zwrotnego dalej, aż do wystąpienia obcinania, czyli do momentu, gdy szczyty sygnału wyjściowego zaczną ulegać spłaszczeniu z powodu nasycenia wyjścia. Zapisz wartość rezystancji, przy której to nastąpi. Teraz zwiększ rezystancję sprzężenia zwrotnego do 100 kΩ. Jakie jest teoretyczne wzmocnienie w tym momencie? Jak mały musiałby być sygnał wejściowy, aby utrzymać poziom wyjściowy poniżej 5 V przy tym wzmocnieniu? Spróbuj wyregulować generator przebiegów do tej wartości.

Ostatni krok podkreśla ważną kwestię dotyczącą wzmacniaczy o wysokim wzmocnieniu. Wysokie wzmocnienie musi oznaczać duży sygnał wyjściowy dla małego poziomu wejściowego. Czasami może to prowadzić do niezamierzonego nasycenia spowodowanego wzmocnieniem szumów lub zakłóceń o niskim poziomie – na przykład wzmocnienie sygnałów o częstotliwości 50 Hz z linii energetycznych, które przeniknąć do układu. Wzmacniacze będą wzmacniać wszelkie sygnały na zaciskach wejściowych, niezależnie od tego, czy tego chcesz, czy nie!

Procedura

Użyj pierwszego generatora przebiegów jako źródła V_IN, generującego  przebieg sinusoidalny o amplitudzie 2 V i częstotliwości 1 kHz. Skonfiguruj oscyloskop tak, aby sygnał wejściowy był wyświetlany w kanale 2, a sygnał wyjściowy w kanale 1. Przykładowy wykres przedstawiono na rys. 16.

Rys. 16. Przebiegi wzmacniacza nieodwracającego

Pytania

Biorąc pod uwagę wzmacniacz odwracający z rys. 8, oblicz wzmocnienie jako funkcję zależną od R1 = 1 kΩ i R2 = 4,7 kΩ.

Biorąc pod uwagę wzmacniacz nieodwracający z rys. 14, oblicz wzmocnienie jako funkcję zależną od R1 = 1 kΩ i R2 = 1 kΩ.

Autorzy: Doug Mercer i Antoniu Miclaus

Tłumaczenie i redakcja: Jarosław Doliński

Doug Mercer uzyskał tytuł B.S.E. w Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) w 1977 roku. Od momentu dołączenia do Analog Devices w 1977 r. przyczynił się bezpośrednio lub pośrednio do powstania ponad 30 produktów z zakresu konwerterów danych i posiada 13 patentów. W 1995 roku został mianowany na stanowisko ADI Fellow. W 2009 roku zrezygnował z pełnoetatowej pracy i kontynuował konsultacje w ADI jako emerytowany członek programu Active Learning. W 2016 roku został mianowany inżynierem rezydentem na wydziale ECSE w RPI.

Antoniu Miclaus jest inżynierem aplikacji systemowych w Analog Devices, gdzie pracuje nad programami akademickimi ADI, a także oprogramowaniem wbudowanym dla Circuits from the Lab®, automatyzacją QA i zarządzaniem procesami. Pracę w ADI rozpoczął w lutym 2017 roku w Cluj-Napoca w Rumunii. Obecnie posiada tytuł magistra inżyniera oprogramowania Uniwersytetu Babes-Bolyai oraz tytuł licencjata w dziedzinie elektroniki i telekomunikacji Uniwersytetu Technicznego w Kluż-Napoce.