JU Mješovita Elektrotehnička Školska godina: 2005/06i drvoprerađivačka srednja škola Bihać

MATURSKI RADPredmet: ELEKTRONIKA

Tema: Neinvertirajuće operaciono pojačalo

Mentor: ________________ Bihać, Maj 2006 Učenik: ________________

1

SADRŽAJ

Uvod..........................................................................................................................2Parametri operacionog pojačavača...........................................................................3Idealni operacioni pojačavač.....................................................................................4Stvarni operacioni pojačavač.................................................................................... 5Neinvertirajući pojačavač sa idealnim operacionim pojačavačem.............................8Literatura..................................................................................................................10

2

Uvod

Pojačala su neophodna za pojačanje signala malih vrijednosti na vrijednosti prikladne za daljnju obradu.Osnovni gradbeni element pojačala signala jest integrisano operaciono pojačalo, koje se odlikuje visokim pojačanjem i izvodi se tako da može pojačavati signale u širokom rasponu frekvencija.Operacijskom se pojačalu izvana dodaje pasivna mreža koja određuje dinamička i statička svojstva pojačala.

3

Parametri operacionog pojačala

- Ulazna struja napajanja (eng. Input bias current) jednaka je aritmetičkoj sredini struja na ulaznim stezaljkama operacionog pojačala kad je izlazni napon jednak nuli. Pri tome napon napajanja i temperatura imaju nazivni iznos:

1

IB = — (IB1 + IB2) za UP = 0 2

- Ulazna struja namještanja ili ulazna struja izjednačenja (eng. input offset current) jednaka je razlici ulaznih struja u istim uvjetima u kojima se definira ulazna struja napajanja:

IN = IB1 - IB2 za UP = 0

- Ulazni napon namještanja ili ulazni napon izjednačenja (eng. input offset voltage) definira se kao napon koji mora djelovati između ulaznih stezaljki da bi izlazni napon bio jednak nuli.

- Izlazni napon namještanja ili izlazni napon izjednačenja (eng. output offset voltage) definira se kao izlazni napon operacionog pojačala kad su ulazne stezaljke uzemljene.

Svaka od tih veličina ima i odgovarajući pomak pri promjeni temperature.Veličina tog pomaka ocjenjuje se omjerom promjene iznosa odgovarajuće veličine i promjene temperature koja uzrokuje taj pomak.Današnja realna operaciona pojačala s bipolarnim tranzistorima imaju ulaznu struju napajanja tipično do 100 nA, ulaznu struju namještanja tipično od 20 nA, a ulazni napon namještanja od nekoliko mV. Pomak ulazne struje namještanja iznosi tipično 0,1 nA/˚C, a pomak ulaznog napona namještanja 5 μV/˚C.

- Brzina promjene izlaznog napona (eng. slew – rate) definiše se kao maksimalna brzina promjene izlaznog napona pri pobuđivanju velikim impulsnim signalom. Pri tome operaciono pojačalomora ostati u linearnom području.

4

Idealni operacioni pojačavač

Operacioni pojačavač ja prvobitno korišten u oblasti analognew računarske tehnike, gdije je obavljao osnovne matematičke operacije – sabiranje, oduzimanje, množenje, dijeljenje, diferenciranje, integrisanje – odakle mu potiče i ime.Idealni operacioni pojačavač je pojačavač koji se koristi sa negativnom povratnom spregom, tako da su osobine rezultitajućeg kola u potpunosti funkcija samo komponenata vezanih oko pojačavača. Pri tome on mora da zadovoljava i pocetne uslove da ulazni napon ravan nuli, prouzrokuje i izlazni napon jednak nuli.

Sl 1. Simbol za šematsko prikazivanje operacionog pojačavača

Operacioni pojačavači izrađeni kao integrisana kola, donekle odstupaju od ove definicije idealnog operacionog pojačavača.Integrisano kolo konstruisano kao operacioni pojačavač, ima diferencijalni ulaz i nesimetričan izlaz (slika 1.). Postoje dva ulaza operacionog pojačavača: neinvertirajući (obilježava se sa + ili sa N.I) i invertirajući (obilježava se sa – ili sa INV.).Operacioni pojačavač može da se upotrabljava tako da se jedan ulaz veže za masu, a da se na drugi ulaz dovodi napon koji se pojačava. Pozitivni napon na invertirajućem ulazu , proizvodi pozitivan napon na ulazu, dok pozitivni napon na invertirajućem ulazu, proizvodi negativan napon na izlazu. Opštija je primjena da se na oba ulaza dovode naponi koji treba da se pojačavaju. Tada operacioni pojačavač pojačava razliku napona primjenjenih na njihova dva ulaza. Ukoliko je (+) ulaz operacionog pojačala pozitivniji, napon na izlazu će biti pozitivan, a ukoliko je (-) ulaz operacionog pojačavača pozitivniji, napon na izlazu će biti negativan.

Idealni operacioni pojačavač ima sljedeće osobine:1. Beskonačno veliko naponsko pojačanje;2. Beskonačno veliku ulaznu impedansu;3. Izlaznu impedansu ravnu nuli;4. Beskonačno širok propusni opseg;5. Ofset ravan nuli (napon na izlazu ravan nuli, kada je napon na ulazu ravan nuli)

Iz ovih osobina idealnog operacionog pojačavača proizilaze dva pravila koja se primjenjuju pri analizi kola sa operacionim pojačavačima:a.) Pošto je ulazna impedansa beskonačno velika, zanemaruju se strujekoje ulaze u

bilo koji od ulaza operacionog pojačavača.b.) Kada se operacioni pojačavač koristi sa negativnom povratnom spregom, pošto

je pojačanje samog operacionog pojačavača beskonačno veliko, napon između dva ulazaoperacionog pojačavača je ravan nuli.

5

Prvo od ova dva pravila proizilazi iz predpostavke da idealni operacioni pojačavač ima beskonačno veliku ulaznuimpedansu. Drugo od ova dva pravila proizilazi iz pretpostavke da idealni operacioni pojačavač ima beskonačno veliko pojačanje A0, tako da ako izlazni napon ima bilo koju konačnu vrijednost U0, onda će napon na ulazu pojačala biti dat količnikom U0/A0 ≈ 0.Bez negativne povratne sprege, operacioni pojačavač skoro nijeupotrebljiv.Ukoliko se između njegovih ulaza priključi bilo kakav ulazni napon, pojačavač će doći u zasićenje (bilo u + ili -) zbog beskonačno velikog pojačanja. Na taj način bi operacioni pojačavač mogao da se koristi samo kao prekidačko kolo. Jedino ako se primijeni negativna povratna sprega, operacioni pojačavač će imati konačno pojačanje i biće upotrebljiv.

Pri analizi pojačavačkih kola sa operacionim pojačavačem, služimo se sljedećim oznakama:Ui – ulazni napon;U0 – izlazni napon ;Ii – ulazna struja; I0 – izlazna struja;A0 – naponsko pojačanje operacionog pojačavača bez povratne sprege;A – naponsko pojačanje pojačavača sa povratnom spregom.

Stvarni operacioni pojačavač

Stvarni operacionipojačavač se znatno razlikujeod idealnogoperacionog pojačavača ne samo po naponskom pojačanju, frekvencijskoj karakteristici, propusnom opsegu, ulaznoj impedansi, i izlaznoj impedansi, već i po tome što ima neke karakteristike koje nisu uopšte primjenljive kod idealnog operacionog pojačavača. Među ovim drugim karakteristikama ćemopomenuti samo struju pobude, razdešenost i klizanje.Naponsko pojačanje operacionog pojačavača je odnos izlaznog napona, prema ulaznom naponu koji postoji direktno između (+) i (-) ulaza operacionog pojačavača. Kod stvarnih operacionih pojačavača ono je vrlo veliko, ali ne beskonačno veliko kao kod idealnog operacionog pojačavača – njegova vrijednost je kod raznih operacionih pojačavača, između 10 i 10. Pri davanju vrijednosti za naponsko pojačanje operacionog pojačavača, ono se obično daje za naponsko pojačanje za jednosmjerni signal.Frekventna karakteristika je dijagram koji prikazuje promjenu naponskog pojačanja sa učestanošću, a crta se kao Bodeov dijagram sa logaritamskom razmjerom za učestanost i sa naponskim pojačanjem prikazanim u decibelima (slika 2.).Frekventna karakteristika je u opštem slučaju jedna kriva. Obično ona može da se aproksira sa dvije prave linije AB i SK, koje predstavljaju njene asimptote. Horizontalna prava AB aproksira frekventnu karakteristiku za niske učestanosti, dok prava SK aproksimira frekventnu karakteristiku za visoke učestanosti. Nagib frekventne karakteristike za visoke učestanosti obično iznosi 6 dB po oktavi, odnosno 20 dB po dekadi učestanosti. (To znači da se naponsko pojačanje promijeni za 6 dB, kada se učestanost promijeni dva puta).

6

Slika 2. Frekventna karakteristika operacionog pojačavača i njenaaproksimacija sa dvije asimptotske prave

Na frekventnoj karakteristici su značajne dvije tačke. Jedna je prelomna tačka – to je tačka gdije se sijekuasimptote frekventne karakteristike AB i SK (slika 2.).Druga značajna tačka je tačka u kojoj pojačanje opadne na 0 dB. Učestanost prelomne tačke fp zove se prelomna učestanost. Učestanost pri kojoj je pojačanje dB zove se granična učestanost za jedinično pojačanje fT.Propusni opseg kod operacionih pojačavača ima dvije definicije, odnosno postoje dva različita propusna opsega. Propusni opseg za jedinično pojačanje pokazuje opseg učestanosti u kome operacioni pojačavač pojačava, tj. u kome ima pojačanje veće od 0 dB. To je opseg učestanosti od do fr gdije je fr granična učestanost za jedinično pojačanje. Propusni opseg 3 dB pokazuje opseg učestanosti u kome pojačanjeoperacionog pojačavača opadne za 3 dB u odnosu na pojačanje za jednosmjerni signal.Kada se govori o propusnom opsegu operacionog pojačavača, obično se misli na propusni opseg za pojedinačno pojačanje, jer je to najveći opseg učestanostiu kome operacioni pojačavač može da radi kao pojačavač. Kod operacionih pojačavača koji imaju nagib frekventne karakteristike 6 dB po oktavi, odnosno između napnskog pojačanja A0, prelomne učestanosti fp i granične učestanosti za jedinično pojačanje, dat je izrazom (1.):

fr = A0fp

Ulazna impedansa operacionih pojačavača predstavlja impedansu između dva ulaza operacionih pojačavača, a nikako impedansuizmeđu ulaza i mase. Ulazna impedansa savremenih operacionih pojačavačaiznosi od 100 KΩ do nekoliko MΩ.Izlazna impedansa savremenih operacionih pojačavača je između 100 Ω i 10 KΩ .

7

Struja pobude je struja koju je potrebno uvesti u svaki od ulazaoperacionog pojačavača, da bi se na izlazu dobio napon jednak nuli. Struja pobude se dovodi iz generatora vrlo velikeunutrašnje otpornosti. Ona je reda 0,1 μA do 2 μA.Struja razdešenostije razlika dviju struja pobude koje ulaze u dva ulaza operacionog pojačavača, kada je izlazni napon ravan nuli. Često se koristi termin ofset struja (eng. offset).Ona može da ima i pozitivan i negativan znak. Ona je reda 10 μA do 500 μA.

Slika 3. Kolo za kompenzovanje napona razdešenosti kod operacionog pojačavača μA 709 proizvodnje FATRCHILD

Napon razdešenosti je napon koji treba da se priključi između dva ulaza operacionog pojačavača, da bi izlazni napon bio jednak nuli. On mođe da ima i pozitivan i negativan polaritet, a reda je 1 mV do 10 mV. Za kompenzovanje naponarazdeđenosti primjenjuju se dodatna kola kao na slici 3, pomoću kojih se za svaki operacioni pojačavač posebno podešava potenciometar, tako da se na izlazu dobije napon ravan nuli, kad na ulazu nema signala. Klizanje je pojava promijene izvjesnih karakterističnih struja i napona pri promjeni temperature. Usljed toga operacioni pojačavač podešen na sobnoj temperaturi da ima na izlazu napon ravan nuli, dobija na izlazu napon različit od nule. Ovo klizanje izlaznog napona pri promjeni temperature je isto kao da je prouzrokovano promjenom ulaznog signala i zbog toga predstavlja veliku teškoću, jer ga je teđko razlikovati od promjena prouzrokovanih ulaznim signalom. Struja pobude, struja razdešenosti i napon razdešenosti imaju klizanje pri promjeni temperature.Usljed klizanja, napon razdešenosti može da se promijeni od 0,5 do 10 mV pri promijeni temperature za 70 ˚C.Klizanje napona razdešenosti i struje pobude su posljedica promjene napona između baze i emitera kod tranzistora i promjene inverzne struje zasićenja kolektorskog spoja koji su karakteristični za tranzistore a operacioni pojačavači u sebi sadrše tranzistore. .

8

Neinvertirajući pojačavač sa idealnim operacionim pojačavačem

Kod neinvertirajućeg pojačavača, napon koji se pojačava, dovodi se na neinvertujući (+) ulaz operacionog pojačavača (slika 4.). Napon na izlazu je proporcionalan naponu na ulazu i istog je polariteta kao i napon na ulazu.

Slika 4. Neinverturajući pojačavač

Pretpostavljajući da je upotrebljeni operacioni pojačavač idealan, napon između (+) i (-) ulaza operacionog pojačavača će biti ravan nuli, te će na oba ulaza operacionog pojačavača postojati napon Ui na invertirajućem ulazu operacionog pojačavača može da se izračuna uzimajući da su Rs i Rf vezani kao potenciometa:

Rs

Ui = ———— U0 (jednačina 1.) Rs + Rf

Iz jednačine 1. može da se odredi pojačanje neinvertirajućeg pojačavača kao:

Rs + Rf

U0 = ———— Ui (jednačina 2.) Rs

U0 Rs + Rf A = —— = ———— (jednačina 3.)

Ui Rs

Rf

A = 1 + —— (jednačina 3.) Rs

Poređenjem izraza za pojačanje kod invertirajućeg i neinvertirajućeg pojačavača vidi se da su oni vrlo slični, da u sebi sadrže član Rs | Rf, a da uopšte ne zavise od pojačanja A0 samog operacionog pojačavača bez povratne sprege, već da zavise samo od spoljašnjih komponenata Rs i Rf . Različite kombinacije otpornika Rs i Rf,

9

mogu da daju različite vrijednosti pojačanja A većeg od 1. Ako se otpornik Rs izostavi (Rs = ∞) dobiće se pojačavač sa jediničnim pojačanjem, tj. sleditelj napona.Ulazna impedansa neinvertirajućeg pojačavača sa idealnim operacionim pojačavačem je beskonačno velika, dok je izlazna impedansa ravna nuli.

Operaciono pojačalo u spoju emiterskog sljedila

Literatura

www.apr.fer.hr

10

Poluprovodnička elektronika, Dragan Pantić i Bogoljub Milivojević

11