Ćw. 7 Wyznaczanie parametrów rzeczywistych wzmacniaczy operacyjnych (płytka wzm. I)

Transkrypt

1 Ćw. 7 Wyznaczanie parametrów rzeczywistych wzmacniaczy operacyjnych (płytka wzm. I) Celem ćwiczenia jest wyznaczenie parametrów typowego wzmacniacza operacyjnego. Ćwiczenie ma pokazać w jakich warunkach wzmacniacz operacyjny może być traktowany jako idealny, a w jakich nie może. Właściwości idealnego wzmacniacza operacyjnego nieskończenie duże wzmocnienie napięciowe sygnałów różnicowych (K u diff ) idealne tłumienie (zerowe wzmocnienie) sygnału wspólnego (CMRR ) prądy wejściowe równe zeru, idealne zrównoważenie (zero na wyjściu przy zerowym różnicowym napięciu wejściowym), zachowanie w/w cech niezależnie od częstotliwości (nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia wzmacniacza) nieograniczone napięcie wyjściowe i prąd wyjściowy Zadania do wykonania w trakcie ćwiczenia: Wyznaczyć parametry wzmacniacza według co najmniej połowy opisanych niżej metod 1. Wzmocnienie różnicowe, Pomiar wzmocnienia układu z otwartą pętlą (1a), jako stosunku napięć wyjścia do wejścia, jest utrudniony ze względu na konieczność mierzenia bardzo małych sygnałów wejściowych, stosowanych dla uniknięcia wejścia wzmacniacza w ograniczenie. Jest to jednak metoda rekomendowana przez IEC. Ta metoda (1a) jest kłopotliwa ze względu na trudne ustalenie punktu pracy wzmacniacza z otwartą pętlą w obszarze liniowym. Wzmacniacz w takiej konfiguracji ma tendencje do wchodzenia w jeden ze stanów nasycenia. Z tego powodu podczas prostych laboratoryjnych pomiarów korzystniej jest stosować układ z zamkniętą pętlą(1b). Dla ułatwienia pomiaru wzmacniacz włączono w konfiguracji z zamkniętą pętlą i wzmocnieniem w przybliżeniu równym -1 (R1 = R2). Sygnał z generatora sinusoidalnego przed podaniem na wejście jest doprowadzony do dzielnika (R3, R4). Dzięki temu na wejściach wzmacniacza mierzy się większe napięcia. a) metoda definicyjna:

2 b) metoda praktyczna: R 1 = 50 [k Ω] R 2 = 50 [k Ω] R 3 = 99 [k Ω] R 4 = 1 [k Ω] 2. Charakterystyka częstotliwościowa Wyznacza ją się w układzie opisanym powyżej (1b). 3. Maksymalna szybkość zmian sygnału na wyjściu (ang. slew rate) Podłączając generator sygnału prostokątnego (o częstotliwości dużo niższej aniżeli graniczna i o stromym nachyleniu zboczy) na wejście układu (3) na wyjściu obserwuję się różnicę nachylenia zbocza narastającego i opadającego. 4. Wejściowe napięcie niezrównoważenia Układ do pomiaru tego parametru pokazano na rysunku (4). W tym wypadku napięcie R1 = 100 [ Ω] R2 = 100 [k Ω] R3 = 50 [k Ω], 100 [ Ω], 10 [M Ω]

3 niezrównoważenia jest wzmacniane poprzez wzmacniacz odwracający do poziomu łatwo mierzalnego. Wartość zmierzonego napięcia wyjściowego zależy od sumarycznego wpływu wejściowego napięcia niezrównoważenia U I0 i wejściowego prądu niezrównoważenia I I0. Przy założeniu, że: i nieznaczącym prądzie polaryzacji wejścia odwracającego, I io, można obliczyć wejściowe napięcie niezrównoważenia: Należy sprawdzić wpływ prądu polaryzacji wejścia nieodwracającego na wynik pomiaru, zmieniając rezystancję R3. 5. Wejściowe prądy polaryzujące, a) Wejściowy prąd polaryzacji wejścia nieodwracającego. Pierwsza metoda (5a1) jest to wtórnik wzmacniający sygnał, który pojawi się na wejściu nieodwracającym, a będzie to napięcie odłożone na rezystancji R1 w skutek przepływu prądu polaryzującego. R1 = 10 [M Ω ] Druga metoda (5a2) polega na przemiennym załączaniu i otwieraniu przełącznika S1. W chwili zwarcia S1 prąd polaryzujący spływa do masy, a w kondensatorze nie gromadzi się żadna energia, a po chwili rozwarcia S1 kondensator ładuję się prądem polaryzującym.

4 Odbywa się to ze stałą czasową: I pol + = u 2 t C 1 u 2 t. Prąd polaryzujący wejścia odwracającego wynosi: b) Wejściowy prąd polaryzacji wejścia odwracającego. Układem pomiarowym jest wzmacniacz odwracający. Przepływający prąd polaryzujący wejście odwracające powoduje odkładanie się napięcie na rezystancji R2. Napięcie to w skutek zjawiska zera pozornego przenosi się na wyjście wzmacniacza. Otrzymujemy, więc wzór: R2 = 10 [M Ω] 6. Współczynnik tłumienia sygnału wspólnego CMRR, a) metoda definicyjna: b) metoda praktyczna: Jeżeli rezystory są dobrane zgodnie z warunkiem R1 = R 2, R 3 =R 4 to na wejściach

5 wzmacniacza występuje tylko sygnał sumacyjny. W wyniku nieidealnego tłumienia tego sygnału pojawia się pewne napięcie wyjściowe V2. Pomiary takie powinny być wykonywane dla kilku wartości skutecznych napięcia V1. Przy: R1 = R2 R3 =R4 R1 = 100 [Ω] R2 = 100 [ Ω] R3 = 50 [k Ω] R4 = 50 [k Ω] 7. Rezystancja wejściowa różnicowa Rezystancję wejściową różnicową mierzy się w układzie poniżej (7) przez wyznaczanie wartości napięcia wyjściowego przy przełącznikach S1 i S2 zwartych i rozwartych. Jednoczesne otwarcie obu przełączników powoduje zmniejszenie wzmocnienia układu z powodu obciążenia wejść rezystorami R 4 i R 5. Następuje zmniejszenie napięcia wyjściowego od wartości V 21 przy przełącznikach rozwartych od V 22 przy zwartych, co można zapisać: przy R5 = R4. V 12 i V 22 są mierzone przy zwartym S1 i S2, a V 11 = V 12 = V 1. Postać wyjściową równania na rezystancję różnicowa możemy zapisać jako:

6 R1 = 50 [k Ω] R2 = 50 [k Ω] R3 = 99 [k Ω] R4 = 10 [M Ω] R5 = 10 [M Ω] R6 = 1 [k Ω] Opisany pomiar nie jest możliwy do zrealizowania we wzmacniaczach o bardzo dużej rezystancji wejściowej, np. w układach z tranzystorami unipolarnymi na wejściu. 8. Rezystancja wejściowa wspólna, Pomiaru składowej sumacyjnej Ric rezystancji wejściowej dokonuje się w układzie poniżej (8). Wzmacniacz operacyjny pracuje w układzie wtórnika napięciowego. Przez dołączenie rezystora R1 szeregowo z wejściem nieodwracającym tworzy się dzielnik złożony z rezystancji Ric i R1. Jeżeli napięcie wyjściowe przy zwartym przełączniku S1 jest równe V22, to przy rozwarciu maleje do wartości V21 zgodnie ze wzorem: z którego po przekształceniu można wyliczyć rezystancje wejściową dla sygnału sumacyjnego: R1 = 10 [k Ω], 10 [M Ω] 9. Rezystancja wyjściowa, a) z zamkniętą pętla sprzężenia zwrotnego,

7 Do pomiaru rezystancji wyjściowej z zamknięta pętlą sprzężenia zwrotnego stosujemy rysunek poniżej (9a). Pomiar polega na obciążeniu wyjścia układu rezystorem R3 i pomiarze dwóch napięć wyjściowych: V21 bez obciążenia i V22 z obciążeniem (zwarty S1). Zakładając równość napięć wejściowych dla każdego z przypadków: V11= V12= V1 Rezystancję wyjściową oblicza się z zależności: dla: R1 = 10 [k Ω] R2 = 10 [k Ω] R3 = 50 [k Ω], 1 [k Ω] b) z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego, Podobnie postępujemy w celu pomiaru rezystancji wyjściowej wzmacniacza z otwartą pętla sprzężenia zwrotnego (9b). Pomiar polega na obciążeniu wyjścia układu rezystorem R3 i zmierzeniu dwóch napięć wyjściowych: V21 bez obciążenia i V22 z obciążeniem (zwarty S1). Należy zwrócić uwagę na to, że układ bez pętli sprzężenia zwrotnego będzie znajdował się w stanie nasycenia. Rezystancję wyjściową oblicza się z zależności: R1 = 10 [k Ω] R 2 = 50 [k Ω ], 1 [kω]