Instrukcja nr 6. Wzmacniacz operacyjny i jego aplikacje. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.

Transkrypt

1 Instrukcja nr 6 Wzmacniacz operacyjny i jego aplikacje AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.1

2 Wzmacniacz operacyjny Wzmacniaczem operacyjnym nazywamy różnicowy wzmacniacz prądu stałego o bardzo dużym wzmocnieniu (oraz dużej impedancji wejściowej). Napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego powinno być proporcjonalne do różnicy napięć wejściowych, zgodnie z zależnością: U out = K U ( U B - U A ) K U - współczynnik wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego (tzw. wzmocnienie różnicowe). V DD - zasilanie dodatnie (zwykle +15V) V SS - zasilanie ujemne (zwykle 15V) Wzmocnienie sygnału różnicowego w idealnym wzmacniaczu operacyjnym jest równe nieskończoność. Do wejść A i B nie wpływa żaden prąd. Wzmocnienie sygnału wspólnego jest równe 0. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.2

3 Wzmacniacz operacyjny U B, U A - napięcia mierzone na wejściach: nieodwracającym (+) i odwracającym (-) Jeżeli do obu wejść zostaną doprowadzone takie same sygnały względem masy (U A = U B ), to sygnał na wyjściu będzie równy zeru (U out = 0). Tego rodzaju sygnał wejściowy nazywa się sygnałem wspólnym. Wzmacniacze operacyjne wykorzystuje się w układach ze sprzężeniem zwrotnym. Sprzężenie zwrotne polega na doprowadzeniu części sygnału wyjściowego z powrotem do wejścia wzmacniacza. Ujemne sprzężenie zwrotne ma miejsce, gdy fazy sygnału wejściowego i sygnału sprzężenia zwrotnego są przeciwne. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.3

4 Wzmacniacz odwracający fazę I 1 + I 2 = 0 U in UAB R 1 + U out UAB R 2 = 0 U AB = 0 U in R 1 = U out R 2 U out = R 2 R 1 U in Wzmocnienie układu: K = U out U in AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.4

5 Symulacja 1 (MULTISIM) Zaprojektuj wzmacniacz odwracający o wzmocnieniu 10, 50, 100. Do symulacji można wykorzystać wzmacniacz np. TL032ACD Na wejście wzmacniacza podaj sygnał z generatora o amplitudzie 0.1V Zaobserwuj sygnał na wyjściu przy pomocy oscyloskopu. W jaki sposób można zmierzyć wzmocnienie układu? Dla wzmocnienia 10 i 100 sprawdź jak zachowa się sygnał wyjściowy gdy częstotliwość sygnału wejściowego wzrośnie (nie zmieniać amplitudy sygnału wejściowego). Przy jakiej częstotliwości sygnału amplituda wyjściowa będzie się zmniejszać? AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.5

6 Wzmacniacz nie odwracający fazy U A R 1 = U out R 1 + R 2 U A = U in U out = R 1 + R 2 R 1 U in Wzmocnienie układu: K = U out U in Zauważ, że wzmocnienie układu jest zawsze większe od 1. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.6

7 Symulacja 2 (MULTISIM) Zaprojektuj wzmacniacz nieodwracający o wzmocnieniu 20, 40, 120. Do symulacji można wykorzystać wzmacniacz np. TL032ACD Na wejście wzmacniacza podaj sygnał z generatora o amplitudzie 0.1V Zaobserwuj sygnał na wyjściu przy pomocy oscyloskopu. W jaki sposób można zmierzyć wzmocnienie układu? Dla wzmocnienia 20 i 120 sprawdź jak zachowa się sygnał wyjściowy gdy częstotliwość sygnału wejściowego wzrośnie (nie zmieniać amplitudy sygnału wejściowego). Przy jakiej częstotliwości sygnału amplituda wyjściowa będzie się zmniejszać? AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.7

8 Wzmacniacz nieodwracający o wzmocnieniu 1 (wtórnik emiterowy) Wzmacniacz nieodwracający o wzmocnieniu 1 uzyskujemy gdy R2=0. Jest on stosowany gdy chcemy odseparować sygnał wejściowy (przed wtórnikiem) od następnego stopnia układu (za wtórnikiem). Np. źródło napięcia referencyjnego jakim jest dioda Zenera. U A R 1 = U out R 1 U A = Uin U out = R 1 R 1 U in U out = U in Wzmocnienie wtórnika emiterowego: K = 1 AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.8

9 Symulacja 3 (MULTISIM) Zaprojektuj wtórnik emiterowy o wzmocnieniu 1. Do symulacji można wykorzystać wzmacniacz np. TL032ACD Na wejście wzmacniacza podaj sygnał ze źródła 5V przez dzielnik napięcia (dwa rezystory). Napięcie podawane na wzmacniacz będzie zależało od dobranych oporników. Zmierz multimetrem jakie napięcie jest podawane na wejście nieodwracające wzmacniacza. Między wyjście wzmacniacza a masę podepnij opornik 300Ω. Multimetrem zmierz napięcie na wyjściu. Czy wartość opornika ma wpływ na mierzone napięcie? AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.9

10 Wzmacniacz sumujący U out = U 1 + U 2 + U 3 + U 4, gdy R1 = R2 = R3 = R4 = R (np. 10kΩ) AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.10

11 Symulacja 4 (MULTISIM) Zaprojektuj wzmacniacz sumujący. Na wejście wzmacniacza podaj sygnał ze źródła DC_Power: np. U 1 =1V, U 2 =1V, U 3 =2V, U 4 =3V. Napięcie sumacyjne na wyjściu zmierz woltomierzem. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.11

12 Sumator różnicowy Gdy R1 = R2 = RA = RB (np. 10kΩ) U out = U 3 + U 4 U 1 + U 2 AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.12

13 Symulacja 5 (MULTISIM) Zaprojektuj sumator różnicowy. Na wejście wzmacniacza podaj sygnał ze źródła DC_Power: np. U 1 =4V, U 2 =2V, U 3 =2V, U 4 =1V. Napięcie sumacyjne na wyjściu zmierz woltomierzem. Sprawdź napięcie wyjściowe przy różnych wartościach sygnałów wejściowych. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.13

14 Układ całkujący u out t = 1 RC t 1 t 2 u in t dt AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.14

15 Symulacja 6 (MULTISIM) Zaprojektuj układ całkujący. Sprawdź jak działa dla różnych przebiegów wejściowych (sinus, prostokąt, trójkąt) oraz dla różnych wartości R i C. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.15

16 Układ różniczkujący u out t = RC du in(t) dt AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.16

17 Symulacja 7 (MULTISIM) Zaprojektuj układ różniczkujący. Sprawdź jak działa dla różnych przebiegów wejściowych (sinus, prostokąt, trójkąt) oraz dla różnych wartości R i C. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.17

18 Komparator Komparator analogowy służy do porównywania napięć. W zależności od tego, które napięcie jest większe komparator daje stan wysoki lub niski na wyjściu. Najprostszy komparator analogowy można zbudować ze wzmacniacza operacyjnego. Jeśli napięcie różnicowe jest dodatnie, wtedy na wyjściu komparatora będzie sygnał bliski dodatniemu napięciu zasilania. Zbuduj układ jak na rysunku. Sprawdź jak działa dla różnych ustawień potencjometru. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.18

19 Komparator Wyjście takiego komparatora przełącza się zawsze dla tego samego napięcie niezależnie czy sygnał narasta czy opada. Gdy sygnał wejściowy jest zaszumiony może to powodować, że układ będzie niestabilny (szybkie przełączenia jeśli sygnał oscyluje przy progu przełączania AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.19

20 Komparator Wstaw na wejście komparatora źródło szumu białego i sprawdź jak zachowuje się Komparator. Poziom komparacji powinien być ustawiony na 0V (potencjometr na 50%) AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.20

21 Komparator Aby uniknąć przypadkowych przełączeń komparatora stosuje się komparatory z histerezą. Histereza powoduje, że napięcia włączenia i wyłączenia są inne. Zbuduj układ jak na rysunku. Zauważ, że w tym przypadku mamy do czynienia z dodatnim Sprzężeniem zwrotnym rezystor R2 łączy wyjście z dodatnim wejściem wzmacniacza operacyjnego. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.21

22 Histereza Histereza jest przedstawiona na wykresach. Pierwszy z nich opisuje sytuacje gdy napięcie U 2 jest stałe, drugi gdy napięcie U 1 jest stałe. Strzałki oznaczają kierunek zmian napięcia narastanie lub opadanie. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.22

23 Histereza Aby wyznaczyć charakterystyczne poziomy napięć należy wykorzystać równania (pierwsze z nich opisuje sytuacje gdy napięcie U 2 jest stałe, drugi gdy napięcie U 1 jest stałe): AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.23

24 Komparator z histereza Zaprojektuj komparator którego szerokość histerezy tzn. różnica napięć U 2max i U 2min będzie równa ok. 5V. Pamiętaj o odpowiednim podpięciu napięcia stałego. Sprawdź szerokość histerezy podając na wejście komparatora sygnał trójkątny. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.24