Praktyczny kurs op-ampów 1. Wprowadzenie do wzmacniacza operacyjnego 741

Używając prostych eksperymentów, nauczymy Cię jak projektować wszelkiego rodzaju układy z op-ampem 741. Układy stanowiące podstawę elektroniki analogowej, czyli tej części elektroniki, w której pracuje się z napięciami o wszystkich możliwych wartościach. Mimo rewolucji cyfrowej, analogowa elektronika nadal odgrywa ważną rolę. Nie można pomyśleć o urządzeniu elektronicznym bez elektroniki analogowej w nim. Czy jest to starożytny 741, czy bardziej współczesny typ nie ma znaczenia. Wszystkie op-ampy działają identycznie i jeśli po przebrnięciu przez ten kurs potrafisz zaprojektować dość skomplikowany układ z 741-kami, to możesz zrobić to samo z każdym innym op-ampem. 

Uczymy się przez eksperymentowanie

W przypadku niektórych eksperymentów kończymy rozdział pustym wykresem, w którym możesz wpisać zmierzone wartości. W ten prosty i nieco zabawny sposób nauczysz się rozumieć korelację między napięciami wejściowymi i wyjściowymi.
Oczywiście można też bez zbędnych analiz budować opisane układy z użyciem innych op-ampów we własnych projektach różnych urządzeń. Ponieważ op-ampy, na tym poziomie rozważań, mają prawie identyczne właściwości, twoje układy na pewno będą działać.

Co to jest op-amp?

Pytanie może zbędne, ale ten kurs powinien zacząć się od odpowiedzi na to pytanie. Wzmacniacz operacyjny to układ scalony złożony z rezystorów, diod, tranzystorów i czasami kondensatora, którego wewnętrzna struktura sprawia, że idealnie nadaje się do wzmacniania napięć.

Oprócz niezbędnych połączeń zasilających i niektórych połączeń pomocniczych, op-amp ma zawsze dwa wejścia i jedno wyjście. Jedno wejście nazywane jest wejściem nieodwracającym lub dodatnim, drugie zaś wejściem odwracającym lub ujemnym. Op-amp jest w zasadzie wzmacniaczem różnicowym: wzmacnia różnicę napięcia, która występuje między jego dwoma wejściami.

Właściwości

Wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się szeregiem właściwości, które schematycznie przedstawiono na rysunku 1.

Rysunek 1. Trójkątny symbol op-ampa, z wrysowanymi w niego głównymi wielkościami charakterystycznymi

Współczynnik wzmocnienia

Po pierwsze, masz do czynienia ze współczynnikiem wzmocnienia A, który wskazuje jak bardzo op-amp wzmacnia różnicę napięć pomiędzy dwoma wejściami. Wartość współczynnika wzmocnienia A samego op-ampa (który często nazywany jest współczynnikiem wzmocnienia w otwartej pętli, czyli wzmocnienia bez wpływu obwodów zewnętrznych układu scalonego) jest bardzo duża. Im większa tym lepiej, dlatego na rynku są op-ampy, które wzmacniają aż pół miliona razy! Normalny op-amp, taki jak 741, jest nieco skromniejszy: jego wzmocnienie w otwartej pętli wynosi około 200 000 razy. Jest to niewyobrażalnie duża wartość: różnica napięcia 1 mV między wejściami teoretycznie doprowadziłaby do napięcia wyjściowego 200 V, gdyby op-amp potrafił generować takie napięcia! W praktyce należy więc zwykle podejmować działania ograniczające wzmocnienie układu.

Impedancja wejściowa

Drugą ważną wielkością jest impedancja wejściowa, reprezentowana przez Zi na rysunku 1. Jest to opór pozorny pomiędzy dwoma wejściami. Podłączanie omomierza nie ma sensu, wspomniana wielkość jest obecna, ale nie można jej zmierzyć taką metodą. Zi nie jest więc obecny w układzie scalonym w postaci rezystora, ale wynika z działania stopnia wejściowego układu. Impedancja wejściowa określa jednak realne obciążenie, jakiego doświadczają obwody poprzedzające układ scalony.

Jeśli Zi jest niskie, to IC będzie pobierał duży prąd z poprzedzającego go obwodu, co oczywiście nie jest takie idealne. Stąd ta wielkość w op-ampach powinna być również jak największa. Obecnie znane są wzmacniacze operacyjne o Zi 15.000 MΩ! Są to tzw. wzmacniacze BiMOS, zbudowane z FET-ów na wejściu. Tu również 741 jest dość skromny: jego impedancja wejściowa wynosi tylko 2 MΩ.

Rezystancja wyjściowa

Ostatnim ważnym parametrem jest rezystancja wyjściowa Ro. To również jest rezystor pozorny, nie występujący jako taki, ale wyrażający się w momencie obciążenia wyjścia układu scalonego. To obciążenie (np. kolejny stopień) żąda prądu od op-ampa i w efekcie na Ro powstaje spadek napięcia. Napięcie wyjściowe op-ampu spada. Im mniejsza rezystancja wyjściowa, tym mniejszy spadek napięcia i tym mniej problemów może się pojawić. Stąd wymóg, aby Ro było jak najmniejsze. W przypadku 741 obowiązuje skromna wartość 75 Ω.

Podsumowanie

Podsumowując, można stwierdzić, że wzmacniacz operacyjny jest określony przez:

• jego współczynnik wzmocnienia A, który powinien być jak największy;
• jego impedancję wejściową Zi, która również powinna być jak największa;
• jego rezystancję wyjściową Ro, która powinna być jak najmniejsza.

Zasilanie op-ampa

Op-amp jest zwykle zasilany symetrycznie. Oznacza to, że do dodatniego pinu zasilania podłączasz napięcie dodatnie względem masy +VS, a do ujemnego pinu zasilania napięcie ujemne względem masy –VS, które są równe co do wartości bezwzględnej. Typowe wartości to: ±12 V lub ±15 V. Pod wpływem napięć na wejściach, napięcie na wyjściu op-ampa może zmieniać się pomiędzy dwoma wartościami napięć zasilających. Mówi się wtedy o symetrycznym wyjściu układu scalonego.

Cztery warianty sterowania

Z faktu, że op-amp ma dwa wejścia wynika, że można wysterować układ na cztery różne sposoby. Zostały one narysowane na rysunku 2.

Rysunek 2. Cztery różne możliwości sterowania wzmacniaczem operacyjnym

• Jeśli wejście ujemne jest podłączone do masy, a sygnał, który ma być wzmocniony jest podawany na wejście dodatnie, to wyjście będzie zmieniać się w fazie z napięciem wejściowym. Jeśli napięcie wejściowe wzrośnie, to napięcie wyjściowe również wzrośnie.
• Jeśli połączysz wejście dodatnie z masą i podasz sygnał wejściowy na wejście ujemne, to napięcie wyjściowe będzie w przeciwfazie do wejściowego. Jeśli napięcie wejściowe wzrośnie, napięcie wyjściowe spadnie.
• Trzeci rodzaj sterowania zakłada równe napięcia na obu wejściach. Ponieważ op-amp jest wzmacniaczem różnicowym i w tym przypadku nie ma różnicy napięć pomiędzy obu wejściami, to wyjście nie dostarczy żadnego sygnału.
• Czwarty rodzaj sterowania zakłada przeciwstawne sygnały na obu wejściach. Jeśli napięcie na wejściu dodatnim wzrośnie, to w tym samym czasie napięcie na wejściu ujemnym spadnie. Różnica napięć między wejściami będzie wtedy zawsze maksymalna, a więc i napięcie wyjściowe będzie maksymalne.

Oczywiście, narysowane obwody są bardzo zgrubnymi uproszczeniami. Jeśli użyjesz op-ampa w ten sposób, to duży współczynnik wzmocnienia układu scalonego spowoduje, że przy najmniejszej różnicy napięć między wejściami wyjście „skoczy” do poziomu jednego z napięć zasilających. (Dla większości op-ampów napięcie wyjściowe może osiągać wartości maksymalne o kilka woltów poniżej napięć zasilających, tylko dla specjalnych op-ampów, nazywanych „rail-to-rail” tzw. swing napięcia wyjściowego osiąga poziom zaledwie 100 mV poniżej napięć zasilających.)

Praktyczne układy wzmacniające ze wzmacniaczami operacyjnymi są możliwe tylko dzięki dołączeniu obwodów sprzężenia zwrotnego. Stosując rezystory między wyjściem a wejściem ujemnym, można zmniejszyć A op-ampa do wartości użytkowych.

Pierwszy eksperyment

W poprzednim punkcie stwierdziliśmy, że op-amp nie dostarcza żadnego sygnału na wyjściu, jeśli na oba wejścia są podane identyczne napięcia. Można to wypróbować podłączając oba wejścia do masy. Schemat tego układu jest narysowany na rysunku 3. Podłącz miernik do wyjścia 5.

Rysunek 3. Pierwszy eksperyment, który pozwala zbadać, czy układ rzeczywiście dostarcza 0 V na wyjściu, gdy nie ma napięcia różnicowego między wejściami

Napięcie wyjściowe układu nie jest zerowe, jak powinno być, ale na przykład ok. +10 V lub –8 V. Jak to możliwe?

Przesunięcie

W tym pierwszym eksperymencie figle płata zła cecha wzmacniaczy operacyjnych: offset, czyli przesunięcie.

Przyjrzyj się rysunkowi 4, prostemu przedstawieniu stopnia wejściowego op-ampa. Dwa tranzystory T1 i T2 są połączone w układzie wzmacniacza różnicowego, czyli ze wspólnymi złączami emiterowymi. Baza jednego tworzy wejście dodatnie op-ampa, baza drugiego wejście ujemne. Oba tranzystory przewodzą, więc między bazą a emiterem jest normalne napięcie przewodzenia Ube wynoszące około 0,7 V.

Rysunek 4. Wyjaśnienie zjawiska offsetu wynika z tego schematu stopnia wejściowego op-ampa

W teorii Ube1 powinno być równe Ube2. W praktyce nigdy tak nie jest, bo ten parametr zależy od wielu czynników, takich jak budowa układu scalonego (IC), temperatura otoczenia itp. Ta różnica w Ube jest nazywana offsetem op-ampa.

Dwa Ube są interpretowane przez IC jako część sygnału wejściowego. Jeśli uziemisz oba wejścia, to IC „myśli”, że na wejściu dodatnim jest napięcie Ube1, a na ujemnym Ube2. Pierścieniowa różnica między tymi dwoma wielkościami jest wzmacniana 200 000 razy i prowadzi do pełnego dodatniego lub ujemnego nasycenia wyjścia układu. Stąd +10 V lub –8 V na wyjściu układu scalonego.

Kompensacja przesunięcia

Przesunięcie jest bardzo niepożądane, dlatego prawie wszystkie op-ampy mają dwa zaciski, do których można podłączyć potencjometr regulacyjny i skompensować to przesunięcie. – Podłącz potencjometr 10 kΩ do pinów 1, 5 (Offset Null), suwak potencjometru do –VS. Obracaj ostrożnie suwak potencjometru. W pewnym momencie napięcie wyjściowe przeskoczy z jednej polaryzacji do drugiej. Ten punkt to prawidłowe ustawienie kompensacji przesunięcia.

Jest to punkt przejściowy od przesunięcia dodatniego do ujemnego. To, że nie można wyregulować wyjścia IC na zero jest logiczne. Nawet szczątkowe przesunięcie o ułamek mV jest wzmacniane 200 000 razy i wysyła wyjście układu do jednego z napięć zasilających.

Jeśli w kolejnych eksperymentach nauczysz się jak okiełznać to duże wzmocnienie w otwartej pętli, to w praktyce okaże się, że kompensacja offsetu jest bardzo płynna.

Wnioski

Wzmacniacz operacyjny jest bardzo dobrym wzmacniaczem, bo ma bardzo duże wzmocnienie. Ta właściwość ma jednak tę wadę, że z gołym układem nie można zrobić zbyt wiele. W prawie wszystkich przypadkach, włączając obwody rezystorów pomiędzy wejściami i wyjściami, zmusisz op-amp do zrobienia tego, czego oczekujesz.

I to właśnie zamierzamy zrobić w kolejnych ćwiczeniach, abyś stał się znakomitym konstruktorem układów stosujących op-ampy!