KWALIFIKACJA ELM5 - STYCZEŃ 2017

PYTANIE NR 36.
Na rysunku pokazano układ wzmacniacza sumującego napięcia stałe U1 i U2. Jaka jest wartość rezystora R w tym układzie?
Ilustracja przedstawia schemat układu wzmacniacza operacyjnego, który sumuje napięcia stałe U1 i U2.
A.
B.
C.
D.
Wyjaśnienie poprawnej odpowiedzi:
Wzmacniacz sumujący (odwracający) realizuje sumę ważoną napięć wejściowych, a wzmocnienia składowych zależą od stosunku rezystora sprzężenia zwrotnego do rezystorów wejściowych.
Aby dobrać R, korzysta się z zależności dla sumatora i porównuje wymagane wzmocnienie z wartościami rezystorów z rysunku. Daje to R = 2 kΩ.

Pełne wyjaśnienie:

Układ sumujący na wzmacniaczu operacyjnym najczęściej pracuje w konfiguracji odwracającej. W takim układzie wejście nieodwracające jest na potencjale odniesienia (zwykle masa), a dzięki ujemnemu sprzężeniu zwrotnemu węzeł wejścia odwracającego ma w przybliżeniu ten sam potencjał (tzw. wirtualna masa). To pozwala opisać prądy płynące przez rezystory wejściowe tylko z prawa Ohma i I prawa Kirchhoffa.

Dla idealnego wzmacniacza operacyjnego zakłada się, że prąd wpływający do wejść WO jest pomijalny. Zatem prądy z gałęzi z U1 i U2 sumują się w węźle wejścia odwracającego i muszą popłynąć przez rezystor sprzężenia zwrotnego. Otrzymuje się zależność typu:

Uwy = −R · (U1/R1 + U2/R2)

gdzie R jest rezystorem w pętli sprzężenia zwrotnego, a R1 i R2 to rezystory w torach doprowadzających U1 i U2. Na podstawie wartości elementów podanych na rysunku (rezystory wejściowe) dobiera się R tak, aby spełnić wymaganą proporcję (wagi) składników sumy na wyjściu. Po przekształceniu zależności i podstawieniu danych z rysunku wychodzi wartość 2 kΩ.

  • Odpowiedź "1 kΩ" odpowiadałaby zbyt małemu wzmocnieniu (za mały stosunek R do rezystorów wejściowych), więc suma na wyjściu miałaby zbyt małą wartość bezwzględną.
  • Odpowiedź "3 kΩ" oznacza większy stosunek R/Rwe i zawyżałaby wzmocnienie sumy w porównaniu z wymaganym w układzie z rysunku.
  • Odpowiedź "6 kΩ" jest jeszcze większym rezystorem sprzężenia, co prowadziłoby do wielokrotnie większego wzmocnienia niż wynika ze schematu; to typowa pułapka polegająca na wybieraniu "dużej" wartości bez analizy wag.

Wskazówka egzaminacyjna: zawsze najpierw rozpoznaj, który rezystor jest w sprzężeniu zwrotnym, a dopiero potem licz wzmocnienia poszczególnych wejść jako stosunki rezystorów.

Dodatkowe pytania

Dodatkowe pytania (FAQ):
To układ, w którym sygnały z kilku wejść są sumowane (często jako suma ważona) i pojawiają się na wyjściu WO. W wersji odwracającej węzeł wejścia "−" jest wirtualną masą, a wagi sumy zależą od stosunków rezystora sprzężenia do rezystorów wejściowych.
Stosuje się I prawo Kirchhoffa w węźle wejścia odwracającego i prawo Ohma dla rezystorów wejściowych. Dla idealnego WO: Uwy = −Rf·(U1/R1 + U2/R2 + ...). Znak "−" wynika z konfiguracji odwracającej.
Ujemne sprzężenie zwrotne sprawia, że WO "dąży" do wyrównania napięć na wejściach. Jeśli wejście "+" jest na masie, to wejście "−" ma prawie 0 V mimo że nie jest połączone bezpośrednio z masą. Ułatwia to liczenie prądów w węźle.
Rezystor sprzężenia zwrotnego (często oznaczany jako R lub Rf) zamienia sumę prądów z wejść na napięcie wyjściowe. To on ustala skalę (wzmocnienie) sumy: im większy Rf przy tych samych rezystorach wejściowych, tym większa wartość bezwzględna napięcia na wyjściu.
W typowych zadaniach egzaminacyjnych przyjmuje się model idealny: prądy wejściowe są pomijalne, a napięcie między wejściami jest bardzo małe. Dzięki temu całe "sumowanie" odbywa się przez rezystory, a obliczenia sprowadzają się do praw Kirchhoffa i zależności dla sumatora.
Najczęściej myli się rezystor sprzężenia zwrotnego z rezystorem wejściowym, pomija znak minus (inwersję), albo zakłada, że napięcia na wejściu "−" sumują się bezpośrednio. Błędy daje też nieuwzględnienie, że to stosunki rezystorów wyznaczają wagi sygnałów.
Typowe cechy to: kilka rezystorów doprowadzających sygnały do wejścia "−", wejście "+" dołączone do masy (lub napięcia odniesienia) oraz rezystor z wyjścia do wejścia "−" (ujemne sprzężenie). Taki układ realizuje sumę ważoną z odwróceniem znaku.
Sumowanie DC stosuje się m.in. do dodawania offsetu, tworzenia napięcia odniesienia z kilku źródeł, korekcji czujników (np. dodanie stałej kalibracyjnej) lub realizacji prostych funkcji: skalowanie + przesunięcie. Sumator pozwala to zrobić jednym stopniem analogowym.
To znaczy, że każde wejście wpływa na wyjście z inną "wagą" (wzmocnieniem), zależną od rezystorów. Dla wejścia U1 wzmocnienie wynosi w przybliżeniu −Rf/R1, a dla U2: −Rf/R2. Różne wartości R1 i R2 pozwalają ustawić proporcje składowych.
Porównaj rząd wielkości: rezystor sprzężenia zwrotnego Rf zwykle jest podobny do rezystorów wejściowych, jeśli wzmocnienia mają być około 1. Gdy Rf jest kilka razy większy, wzmocnienie rośnie. Gdy kilka razy mniejszy, wzmocnienie maleje. To pomaga wykluczyć skrajne opcje.
info

Statystycznie 26% uczniów zna prawidłową odpowiedź. bardzo trudne

Źródła:

  • Wikipedia: Summing amplifier (opis wzmacniacza sumującego i zależności dla konfiguracji odwracającej), https://en.wikipedia.org/wiki/Summing_amplifier (dostęp: 2026-03-01)
  • A. S. Sedra, K. C. Smith, "Microelectronic Circuits", rozdział o wzmacniaczach operacyjnych i konfiguracjach z ujemnym sprzężeniem zwrotnym (summing amplifier) – źródło książkowe
  • P. Horowitz, W. Hill, "The Art of Electronics", część o wzmacniaczach operacyjnych i sumowaniu sygnałów – źródło książkowe

Materiały:

  • Rozdziały o wzmacniaczu operacyjnym w podręcznikach do elektroniki analogowej
  • Noty aplikacyjne producentów wzmacniaczy operacyjnych o sumatorze odwracającym
  • Zestawy zadań z obliczania układów na WO (sumator, integrator, różniczkujący)

Aktualizacja pytania: 31.03.2026



Aktualizacja pytania: 31.03.2026
📡 Brak połączenia internetowego