Statyczne badanie wzmacniacza operacyjnego - ćwiczenie 7

Transkrypt

1 Statyczne badanie wzmacniacza operacyjnego - ćwiczenie 7 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi zastosowaniami wzmacniacza operacyjnego, poznanie jego charakterystyki przejściowej oraz zbadanie odpowiedzi czasowej wzmacniacza dla określonych sygnałów wejściowych. 2. Wykaz przyrządów: generator przebiegu prostokątnego, sinusoidalnego, piłokształtnego zasilacz programowalny uniwersalny zestaw pomiarowy/woltomierz cyfrowy oscyloskop 2-kanałowy z pamięcią, komputer z kartą pomiarowo-sterującą, płytka montażowa ze wzmacniaczem operacyjnym oraz elementami R i C. 3. Przedmiot badań Wzmacniacz operacyjny pracujący w układzie: o odwracającym o nieodwracającym o różniczkującym o całkującym 4. Wprowadzenie Wzmacniacze operacyjne należą do najczęściej stosowanych układów w elektronice analogowej są to analogowe wzmacniacze scalone, umożliwiające wzmacnianie napięć stałych i zmiennych. Charakteryzują się bardzo dużym wzmocnieniem napięciowym przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Praktycznie wzmacniacz operacyjny wykorzystuje się prawie zawsze w konfiguracji z pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego, co umożliwia realizację różnych operacji matematycznych, takich jak: dodawanie, odejmowanie, różniczkowanie, całkowanie itp. Sprzężenie zwrotne polepsza właściwości wzmacniacza zmniejsza nieliniowość charakterystyk i niezrównoważenie, poszerza pasmo przenoszenia i umożliwia dobór wzmocnienia. 1

2 Rys. 1. Symbol wzmacniacza operacyjnego Powyższy rysunek przedstawia podstawowy symbol wzmacniacza operacyjnego; jeżeli do wejścia (-), zwanego odwracającym, doprowadzimy sygnał wejściowy, wtedy na wyjściu pojawi się sygnał w fazie przeciwnej. Jeżeli zaś zostanie on doprowadzony na wejście (+), zwane nieodwracającym, nie nastąpi odwrócenie fazy pomiędzy sygnałem wejściowym a wyjściowym. Napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego jest proporcjonalne do różnicy napięć wejściowych, zgodnie ze wzorem: gdzie: - to współczynnik wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego, - to napięcia podane na wejścia: odwracające, nieodwracające. Analizując pracę wzmacniacza operacyjnego z różnymi rodzajami sprzężeń zwrotnych korzysta się często z modelu idealnego wzmacniacza operacyjnego. W tabeli poniżej przedstawiono podstawowe parametry jakimi powinien charakteryzować się idealny wzmacniacz, w zestawieniu z parametrami powszechnie stosowanego wzmacniacza µa741 oraz z typowymi przedziałami wartości parametrów obecnie używanych wzmacniaczy operacyjnych. Nazwa parametru (jednostka) Wzmacniacz idealny µa741 Inne WO Wzmocnienie różnicowe napięciowe V/V Rezystancja wejściowa różnicowa MΩ 1 0,05 Rezystancja wyjściowa Ω Częstotliwość graniczna MHz

3 4.1. Wzmacniacz odwracający Rys. 2. Schemat układu wzmacniacza odwracającego Wzmocnienie wzmacniacza odwracającego: Rezystor R 3 zapewnia zmniejszenie niekorzystnego wpływu prądów niezrównoważenia. Jego wartość powinna w przybliżeniu być równa wartości rezystancji wynikającej z równoległego połączenia i Wzmacniacz nieodwracający Rys. 3. Schemat układu wzmacniacza nieodwracającego Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza nieodwracającego: 4.3. Wzmacniacz całkujący Rys. 4. Schemat układu wzmacniacza całkującego 3

4 Napięcie wyjściowe wzmacniacza całkującego wyznaczamy ze wzoru: gdzie: wartość napięcia w chwili początkowej t=0 Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza całkującego jest dane zależnością: Wzmocnienie K u zmienia się wraz ze zmianą częstotliwości sygnału wejściowego Wzmacniacz różniczkujący Rys. 5. Schemat układu wzmacniacza różniczkującego Napięcie wyjściowe wzmacniacza różniczkującego wyznaczamy ze wzoru: Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza różniczkującego jest dane zależnością: 5. Przebieg ćwiczenia Napięcia zasilające wzmacniacz: V, V (wzgl. masy) Przed włączeniem zasilania należy skonsultować z prowadzącym zajęcia poprawność podłączenia układu! 5.1. Wyznaczanie charakterystyki przejściowej wzmacniacza operacyjnego Wyznaczyć charakterystykę dla wzmacniacza pracującego w układzie: o odwracającym fazę o nieodwracającym fazy Zakres napięć wejściowych przyjąć tak, aby nie przekraczało 4

5 Charakterystykę wyznaczyć na podstawie trzydziestu jeden punktów pomiarowych (przykładowo: od -15V do +15V co 1V lub od -7,5V do 7,5V co 0,5V) Pomiary zapisać w tabeli: Nr pomiaru [V] [V] Rys. 6. Schemat układu do wyznaczenia charakterystyki przejściowej wzmacniacza odwracającego 5.2. Wyznaczanie odpowiedzi czasowych wzmacniaczy operacyjnych Wyznaczyć odpowiedzi czasowe dla wzmacniaczy: o różniczkującego/całkującego o odwracającego/nieodwracającego Jako sygnały wejściowe należy przyjąć: o sygnał sinusoidalny o sygnał prostokątny o sygnał piłokształtny 5

6 Amplitudę sygnałów wejściowych należy dobrać tak, aby odpowiedź układu miała odpowiednio dużą amplitudę, lecz nie przekraczającą zakresu napięć wejściowych urządzenia pomiarowego. Dla każdego rodzaju sygnału wejściowego zmierzyć: o amplitudę sygnału wejściowego i wyjściowego o przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałem wejściowym i wyjściowym Rys. 7. Schemat układu do obserwacji odpowiedzi czasowych wzmacniacza operacyjnego, pracującego jako wzmacniacz różniczkujący 6. Sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia Na podstawie przeprowadzonych pomiarów należy przygotować sprawozdanie, które powinno zawierać: schematy układów zrealizowanych na zajęciach, tabelę z wynikami pomiarów oraz wykreśloną na ich podstawie charakterystykę przejściową badanego układu (wg pkt. 5.1), a także przebiegi sygnałów na wejściach i wyjściach badanych układów (wg pkt. 5.2). Należy pamiętać o wartościach dobranych częstotliwości sygnałów jak i o wartościach elementów R i C. 6