Badanie wzmacniacza operacyjnego I i II

Transkrypt

1 Badanie wzmacniacza operacyjnego I i II 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie badania wzmacniacza operacyjnego pracującego w podstawoch konfiguracjach oraz poznanie jego właściwości. 2. Przebieg ćwiczenia Należy zestawić układy zgodnie ze schematami ideomi przestawionymi poniżej. Załączenie zasilania układu następuje po sprawdzeniu poprawności połączeń przez prowadzącego. Jeśli nie jest podane inaczej napięcie z zasilające wzmacniacz operacyjny ustawić na +/-13V Wzmacniacz odwracający Wyznaczyć wartości rezystorów koniecznych do budo układu o wzmocnieniu k u =-10 z uwzględnieniem dostępnych wartości rezystorów oraz zestawić układ przedstawiony na poniższym schemacie. Rys. 1. Wzmacniacz odwracający R2 ku = = R1 Następnie znaczyć charakterystykę stałoprądową zadając skokowo napięcie jścio od z do + z. Dla każdej wartości napicia jściogo dokonać pomiaru napięcia jściogo wzmacniacza. Wykreślić charakterystykę =f( ). Nie zmieniając wartości rezystorów, po odłączeniu potencjometru, na jście układu wprowadzić sygnał harmoniczny z generatora funkcyjnego. Wykreślić zależność amplitudy sygnału jściogo w funkcji częstotliwości =f(f). Częstotliwość należy zmieniać skokowo od 1Hz do maksymalnej do uzyskania na generatorze funkcyjnym (10 odczytów dla każdego zakresu) Wzmacniacz nieodwracający Wyznaczyć wartości rezystorów koniecznych do budo układu o wzmocnieniu k u =48 z uwzględnieniem dostępnych wartości rezystorów oraz zestawić układ przedstawiony na poniższym schemacie.

2 Rys. 2. Wzmacniacz nieodwracający R ku = = 1+ R Przeprowadzić pomiary jak dla punktu Wzmacniacz sumujący Zestawić układ przedstawiony na poniższym schemacie R1=150 Ω, R2=1 kω, R3=1 kω oraz znaczyć wartości wzmocnień. 2 1 Rys. 3. Wzmacniacz sumujący k =, k = u1 u2 1 2 Pomiary konać analogicznie jak w punkcie Przerzutnik Shmitta (z histereza) Wzmacniacz operacyjny o dużym wzmocnieniu może zostać korzystany do porównywania napięć. Wyjście wzmacniacza nasyca się w pobliżu ujemnego lub dodatniego napięcia zasilania, albo zbliża się do zera w przypadku, gdy napięcia jścio są sobie równe. Wprowadzenie dodatniego sprzężenia zwrotnego pozwala na konanie przerzutnika bistabilnego. Wzmacniacze operacyjne korzystywane są jako precyzyjne dyskryminatory

3 regeneracyjne ze względu na małe napięcie niezrównoważenia, dobrą kompensację temperaturową i dużą rezystancję jściową wzmacniaczy scalonych. W celu przeprowadzenia ćwiczenia należy zestawić układ przedstawiony na poniższym schemacie. Wyznaczyć wartości rezystorów R1, R2, R3 tak, aby uzyskać a =2.3V, b =2.6V przy z =10V oraz ref =5V. Rys. 4. Przerzutnik Shmitta: zasada działania oraz schemat R R = a ref z R2 R3 R R =, R = R R R b ref z R2 R Przerzutniki konane z w oparciu o wzmacniacze operacyjne cechują się znaczną bezwładnością, która nika z budo wnętrznej wzmacniacza. Budowa standartoch wzmacniaczy operacyjnych nie jest z reguły optymalizowana pod kątem szybkości przełączania, z tego względu ich zastosowanie do pracy impulsoj są ograniczone. W rezultacie stępuje znaczny czas opóźnienia (kilkadziesiąt ns) i powolne narastanie napięcia na jściu, co jest związane z ograniczoną maksymalną szybkością zmian tego napięcia Wtórnik napięcio Wtórnik napięcio charakteryzuje się bardzo dużą impedancją jściową oraz niewielką impedancją jściową. Z tego względu jest stosowany jako stopień separujący, który nie obciąża źródła sygnału pomiarogo. W układzie jak na poniższym schemacie dokonać pomiaru maksymalnej szybkości narastania sygnału jściogo SR (Slew Rate).

4 Rys. 5. Wtórnik napięcio W tym celu na jście układu z generatora funkcyjnego podać sygnał prostokątny o podać sygnał prostokątny o częstotliwości pożej 20kHz. Amplituda sygnału jściogo powinna być brana tak, aby w sygnale jściom widoczne były efekty nasycenia w pobliżu dodatniego i ujemnego napięcia zasilania. Naszkicować sygnał jścio oraz jścio. Na podstawie kresu oszacować czas narastania sygnału jściogo. Szybkość narastania napięcia jściogo jest podstawom parametrem określającym właściwości dynamiczne wzmacniacza. Wyrażana jest w V/µs i przeważnie zawiera się w granicach V/µs dla wzmacniaczy ogólnego przeznaczenia. d SR = dt t 2.5. Pomiar wzmocnienia w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego Wzmocnienie w otwartej pętli dla rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego pracującego w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego jest na poziomie V/V (80-130dB). Wzmocnienie to może zostać zdefiniowane jako: kops ( 2 1 ) gdzie: 1 napięcie jścio na jściu odwracającym, 2 na jściu nieodwracającym. Zakres linioch zmian jest bardzo mały (ułamki mv) i problemem przy pomiarze k ops są zakłócenia. Z tego względu wartość k ops znacza się pośrednio poprzez pomiar w układzie z zamkniętym sprzężeniem zwrotnym jak na poniższym schemacie:

5 Rys. 6. kład do pomiaru wzmocnienia w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego R k = = k, gdzie k = 1+ 3 ops u u 2 1 R4 Wyznaczyć wartość wzmocnienia przy następujących wartościach rezystorów: R1=50 kω, R2=50 kω, R3=100 kω, R4=1 kω dla kilku wartości napięcia jściogo Wzmacniacz różnico Wzmacniacz różnico stanowi bardzo ważny element obwodu jściogo w układach pomiaroch. Pozwala on na pomiar sygnałów o bardzo małych wartościach w obecności zakłóceń transmisyjnych. Zbudować układ przedstawiony na poniższym schemacie: Rys. 7. Wzmacniacz różnico Napięcie jścio układu: R R + R R = k k, gdzie k =, k = R1 R3 + R4 R1 R2 R4 jeśli spełniony jest warunek = wówczas napięcie jścio układu opisane jest R1 R3 2 poprzez: = R ( 1 2) R1 Dobrać wartości rezystorów, aby uzyskać wzmocnienie W celu zbadania właściwości układu dokonać należy dwóch pobudzeń: różnicogo w tym celu należy zewrzeć jście 2 do masy a na 1 podać sygnał harmoniczny z generatora funkcyjnego. Wyznaczyć wartość wzmocnienia. sumacyjnego w tym celu zewrzeć jścia 1 oraz 2 układu i podać sygnał z generatora funkcyjnego. Przy zachowaniu równości stosunków rezystancji sygnał jścio będzie zawierał tylko składową współbieżną. Wyznaczyć wartość współczynnika tłumienia sygnału współbieżnego CMRR (Common Mode Rejection Ratio) przy wartościach rezystorów: R1=100 Ω, R2=100 kω, R3=100 Ω, R4=100 kω zgodnie ze wzorem: R + R = 20 log R1 1 2 ( CMRR) db

6 2.7. kład całkujący Pomiar przeprowadzić dla kilku wartości napięcia jściogo. O dokładności pomiaru decyduje dokładność rezystorów oraz napięcie niezrównoważenia wzmacniacza. kład realizuje operację całkowania zgodnie z zależnością: t = k ( t) dt W rzeczywistości napięcie jścio może różnić się nieznacznie od wartości teoretycznej zarówno pod względem amplitudy jak i fazy. Przyczyną są właściwości dynamiczne wzmacniacza operacyjnego. Należy połączyć układ przedstawiony na schemacie: 0 Rys. 8. kład całkujący Transmitancja układu całkującego opisana jest równaniem: ( s) 1 ωg 1 G( s) = = =, ωg = ( s) sr C s R C ω g jest pulsacją graniczną integratora. W dziedzinie czasu jście układu opisuje zależność: t 1 = ( t) dt R C Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa przedstawiona jest na poniższym rysunku linią przerywaną. Jest to prosta o nachyleniu -20dB/dek przecinająca oś odciętych (moduł transmitancji =1 lub 0 db) w punkcie ω g. Nieidealne własności wzmacniacza operacyjnego (skończone wzmocnienie, pasmo przenoszenia, niezero wartości prądów polaryzujących, napięcie niezrównoważenia, stratność kondensatora) powodują, że rzeczywista charakterystyka układu całkującego odbiega od idealnej i jest przedstawiona na rysunku linią ciągłą. Integrator idealny wprowadza przesunięcie fazo π/2 co oznacza, że charakterystyka fazowo-częstotliwościowa jest linią prostą równoległą do osi odciętych przechodzącą przez punkt π/2.

7 Rys. 9. Charakterystyka układu całkującego idealnego i rzeczywistego Pasmo prawidłoj pracy rzeczywistego układu całkującego zawiera się w przedziale ωg ω < ω < ω, ω = 1 T 1 gdzie k u0 wzmocnienie stałoprądo układu, ω T pulsacja odcięcia wzmacniacza operacyjnego (moduł różnicogo wzmocnienia napięciogo otwartej pętli sprzężenia zwrotnego jest równy 1). Należy znaczyć charakterystyki częstotliwościo układu całkującego. W tym celu na jście układu należy podać sygnał harmoniczny z generatora funkcyjnego. Zmieniając częstotliwość sygnału jściogo (przy utrzymaniu stałej amplitudy) odczytać amplitudę sygnału jściogo oraz przesunięcie fazo. Następnie kreślić charakterystyki =f(f) oraz φ=f(f). Ponadto przedstawić kresy sygnału jściogo oraz jściogo dla 2 branych częstotliwości podając na jście układu sygnał prostokątny oraz piłokształtny kład różniczkujący k u 0 kład realizuje operację różniczkowania zgodnie z zależnością: i jego schemat przedstawiony jest na poniżej. d ( ) t = k dt Rys. 10. kład różniczkujący

8 Transmitancja układu różniczkującego opisana jest równaniem: ( s) s 1 G( s) = = sr2c1 =, ωg = ( s) ω R C ω g jest pulsacją graniczną. W dziedzinie czasu jście układu opisuje zależność: d ( t ) = R1C 2 dt Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa przedstawiona jest na poniższym rysunku linią przerywaną. Jest to prosta o nachyleniu +20dB/dek przecinająca oś odciętych (moduł transmitancji =1 lub 0 db) w punkcie ω g. Idealny układ różniczkujący wprowadza przesunięcie fazo π/2 co oznacza, że charakterystyka fazowo-częstotliwościowa jest linią prostą równoległą do osi odciętych przechodzącą przez punkt π/2. g 2 1 Rys. 11. Charakterystyka układu różniczkującego idealnego i rzeczywistego Nieidealne własności wzmacniacza operacyjnego mają znacznie większy wpływ na charakterystykę układu niż dla integratora. Z tego względu o poprawne działanie układu różniczkującego jest możli w zakresie pulsacji ku0ωg ω < ω2, ω2 = ωgωt = R C Należy znaczyć charakterystyki częstotliwościo analogicznie jak w punkcie Zagadnienia Cechy idealnego wzmacniacza operacyjnego. Podstawo układy, zasada działania, właściwości i parametry wzmacniacza odwracającego, nieodwracającego i wtórnika napięciogo, Shmitta. Podstawo układy pracy, zasada działania, właściwości i parametry wzmacniacza sumującego i różnicogo. Charakterystyki częstotliwościo modułu transmitancji układu całkującego i różniczkującego (idealnego i rzeczywistego) zakresy poprawnej pracy, Wyznaczanie charakterystyki fazoj wzmacniacza operacyjnego za pomocą oscyloskopu. 1 2

9 4. Literatura Golde W., Śliwa L.: Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania, cz.1. podsta teoretyczne, Warszawa, WNT, Guziński A.: Linio elektroniczne układy analogo, Warszawa, WNT, Kulka Z., Nadachowski M.: Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych, Warszawa, WNT, Tietze., Schenk Ch.: kłady półprzewodniko, Warszawa, WNT, 1997 Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektroniki, Tom 1, WKŁ 1995