ĆWICZENIE 2 Wzmacniacz operacyjny z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 2 Wzmacniacz operacyjny z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Wykonanie ćwiczenia 1. Zapoznać się ze schematem ideowym układu ze wzmacniaczem operacyjnym. 2. Zmontować wzmacniacz odwracający fazę o wzmocnieniu 100 i 1 (wg rysunku powyżej). Zdjąć charakterystyki częstotliwości obu układów dla napięć wejściowych odpowiednio nie większych od 0,1V oraz 1V. 3. Zmontować sumator o dwóch wejściach. Sprawdzić sumowanie napięć stałych. Zsumować drgania sinusoidalne z dwóch generatorów, obserwować zdudnienia przebiegów. 4. Zmontować wtórnik napięciowy (rysunek poniżej), a następnie zmierzyć jego rezystancję wejściową oraz wzmocnienie. 5. Zbudować układ różniczkująco-całkujący o zadanych elementach (rysunek poniżej). Wyznaczyć jego charakterystykę częstotliwościową oraz porównać doświadczalne wartości częstotliwości granicznych z teoretycznymi.

2 ĆWICZENIE 3 Wzmacniacz operacyjny z dodatnim sprzężeniem zwrotnym. Wykonanie ćwiczenia 1. Dla zadanego napięcia histerezy równego 1V zbudować przerzutnik Schmidta (rysunek poniżej). Zaobserwować i odrysować przebiegi napięcia wyjściowego przy sinusoidalnym i trójkątnym napięciu wejściowym. Zmierzyć histerezę i wykreślić statyczną charakterystykę układu. 2. Zbudować multiwibrator astabilny (rysunek poniżej). Zaobserwować i odrysować przebiegi impulsów na wyjściu układu oraz w punkcie 1. Porównać dla trzech wartości pojemności C oraz dwu wartości β = R 1 /(R 1 +R 2 ) wyznaczone wartości okresu drgań multiwibratora z wartościami teoretycznymi.

3 3. Zbudować generator przebiegów sinusoidalnych z mostkiem Wiena (rysunek poniżej) zakładając f=1/(2π RC) w przedziale (1-5) khz i dobierając wartości rezystorów tak, aby R 1 = 2R 2 oraz R 2 5kΩ. Rezystor zmienny (regulowany) powinien umożliwić uzyskanie R 1 2R 2 oraz R 1 2R 2. Zmierzyć częstotliwość i amplitudę drgań. Zaobserwować zależność stabilności układu i kształtu sygnału generowanego od wartości rezystora R 2. Literatura 1. S. Kulka, Z. Nadachowski, Liniowe układy scalone, WŁK, Z. Nadachowski, S. Kulka, Analogowe układy scalone, WŁK, S. Sońta, Ch. C. Halkias, Układy i ich zastosowanie 4. J. Millman, Ch. C. Halkias, Układy scalone analogowe i cyfrowe, WNT, S. Micek, Elektronika Fizyczna, skrypt U.J. 6. P. Górecki, Wzmacniacze operacyjne, BTC, 2002

4 II. Teoria (*) 1.DEFINICJA Wzmacniacz operacyjny jest to wzmacnacz prądu stałego o bardzo dużym wzmocnieniu. Jego nazwa wywodzi się od pierwotnego zastosowania do wykonywania operacji matematycznych (np. sumowania, logarytmowania, różniczkowania, całkowania itp.) w maszynach analogowych. Właściwości funkcjonalne wzmacniacza operacyjnego mogą być bowiem kształtowane przez odpowiedni dobór pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. Z tego względu jest to najbardziej uniwersalny układ analogowy o bardzo szerokich możliwościach zastosowań. Wzmacniacz operacyjny, którego symbol przedstawiono na rys1, ma dwa wejścia umożliwiające symetryczne (różnicowe) podawanie sygnału wejściowego i niesymetryczne wyjście. Wejście, względem którego sygnał wyjściowy jest przesunięty w fazie o 180, jest nazywane odwracającym i oznaczane znakiem ". Drugie wejście, dla którego sygnał wyjściowy ma fazę zgodną z sygnałem wejściowym, jest nazywane nieodwracającym i oznaczane przez + ". Sygnał doprowadzony miedzy wejścia wzmacniacza jest nazywany sygnałem różnicowym. Napięcie wyjściowe jest wprost proporcjonalne do amplitudy tego sygnału (rys. 1). Rys. 1. Symbol wzmacniacza operacyjnego (a) i jego charakterystyka przejściowa (b) 2.Parametry idealnego wzmacniacza operacyjnego. Idealny wzmacniacz operacyjny powinien charakteryzować się następującymi właściwościami: / - nieskończenie dużym wzmocnieniem przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (A Q => co); - nieskończenie szerokim pasmem przenoszenia (od O do oo); - zerową rezystancją wyjściową (RQ => 0) i nieskończenie dużą rezystancją wejściową (R t => co) przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego; - napięciem wyjściowym równym zeru przy zerowej wartości różnicowego napięcia wejściowego, czyli zerowym napięciem niezrównoważenia (V m => 0).

5 3. Budowa scalonego wzmacniacza operacyjnego. Uproszczony schemat blokowy typowego scalonego wzmacniacza operacyjnego (np. ua741, LM108) przedstawiono na rys. 2. W stopniu wejściowym zastosowano wzmacniacz różnicowy o symetrycznym wejściu i niesymetrycznym wyjściu, zapewniający dużą rezystancję wejściową i małe nie zrównoważenie oraz względnie duże wzmocnienie sygnału różnicowego (np. w ua741 Rys.2. Schemat blokowy typowego scalonego wzmacniacza operacyjnego. ok. 200 V/V). Zadaniem drugiego stopnia wzmacniającego jest uzyskanie dużego wzmocnienia napięciowego (ok V/V dla ua741). Stopniem wyjściowym jest zazwyczaj wtórnik emiterowy zapewniający małą rezystancję wyjściową. Parametry rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego tylko w przybliżeniu odpowiadają wymienionym wyżej postulatom idealizującym. We współczesnych wzmacniaczach operacyjnych uzyskuje się bowiem następujące wartości tych parametrów: - wzmocnienie z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego A 0 = l V/V; - rezystancja wejściowa (różnicowa) R f = 0, MΩ; - rezystancja wyjściowa z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego R 0 = Ω; -częstotliwość graniczna (przy której A 0 = l)f1 = l MHz. 4. Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych. Wzmacniacze operacyjne w przeważającej większości zastosowań, a szczególnie w układach liniowych, pracują z pętlą napięciowego ujemnego sprzężenia zwrotnego. W tym celu część napięcia wyjściowego jest podawana zwrotnie na wejście odwracające. Właściwości obwodu sprzężenia zwrotnego decydują w głównej mierze o właściwościach całego układu ze wzmacniaczem operacyjnym. Zależnie od tego, które z wejść wzmacniacza jest wejściem odniesienia, a do którego jest doprowadzany sygnał, rozróżnia się dwa podstawowe układy pracy: układ odwracający oraz układ nieodwracający.

6 5. Właściwości wzmacniacza operacyjnego w układzie odwracającym. W układzie odwracającym (rys.3) wzmacniany sygnał jest doprowadzany do wejścia odwracającego, wejście nieodwracające zaś jest dołączone do masy układu. Rys.3. Układ wzmacniacza odwracającego (a) i jego charakterystyka przejściowa (b). Rezystory R 1 i R 2 stanowią obwód sprzężenia zwrotnego (napięciowe równoległe). Napięcie wejściowe U I, jest podawane przez rezystor R 1 na wejście odwracające wzmacniacza. Jeżeli jego rezystancja wejściowa jest bardzo duża, to można przyjąć, że prąd wpływający do wejścia wzmacniacza jest równy zeru, a więc prądy I 1 i I 2 są sobie równe Podstawiając U R = U 0 /A 0, po przekształceniu otrzymuje się wyrażenie na wzmocnienie A t układu odwracającego z pętlą sprzężenia zwrotnego Znak minus wskazuje, że napięcie wyjściowe U 0 jest przesunięte w fazie o 180 (ma przeciwny znak) względem napięcia wejściowego U I (rys. 3. b). Zauwa- żmy, że przy założeniu bardzo dużej wartości wzmocnienia A 0, każdej skończonej wartości napięcia wyjściowego U 0 odpowiada bliska zeru wartość wejściowego napięcia różnicowego U R (np. A 0 = l 0 5 V/V i U 0 = 10 V otrzymuje się U R = 0,1 mv). Stąd, ponieważ wejście nieodwracające jest na potencjale masy, węzeł dołączenia sprzężenia zwrotnego w układzie odwracającym jest nazywany masą pozorną układu. W konsekwencji rezystancja wejściowa układu odwracającego R If jest w przybliżeniu równa rezystancji R l R If =ok U I /I I = R l

7 6.Właściwości wzmacniacza operacyjnego w układzie nieodwracającym. Rys. 4. Układ wzmacniacza nieodwracającego (a) i jego statyczna charakterystyka przejściowa (b) W układzie nieodwracającym (rys.4) sygnał jest doprowadzany do wejścia nieodwracającego, do wejścia odwracającego zaś jest dołączony dzielnik napięciowy (rezystory R 1 i R 2 ) obwodu sprzężenia zwrotnego (napięciowe szeregowe). Dla tego układu spełnione są równania Uo = U R A 0 gdzie napięcie różnicowe U R = U 1 U f przy czym napięcie zwrotne U f można obliczyć z dzielnika napięciowego obwodu sprzężenia zwrotnego Po przekształceniach otrzymuje się wyrażenie na wzmocnienie A f układu nieodwracającego z pętlą sprzężenia zwrotnego

8 Napięcia wejściowe i wyjściowe są we wzmacniaczu nieodwracającym w tej samej fazie. W tym układzie, w przeciwieństwie do wzmacniacza odwracającego, nie jest możliwe uzyskanie wzmocnienia mniejszego od l. Rezystancja wejściowa układu jest bardzo duża (przy wejściu nie ma masy pozornej), wyjściowa zaś bardzo mała, zgodnie z właściwościami układu z napięciowym szeregowym sprzężeniem zwrotnym. 6. Przerzutnik Schmitta zbudowany ze wzmacniacza operacyjnego. Układ o właściwościach przerzutnika Schmitta może być zbudowany ze scalonego wzmacniacza operacyjnego lub komparatora napięcia, a także z bramek logicznych. Przykład takiego układu ze wzmacniaczem operacyjnym przedstawiono na rys.5a. Dioda stabilizacyjna (Zenera) włączo- Rys. 5. Przerzutnik Schmitta ze wzmacniaczem operacyjnym: a) schemat układu; b) charakterystyka przejściowa na w obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego ogranicza napięcie wyjściowe do wartości U 0max = U z i U 0max 0,7 V (napięcie przewodzenia diody). Dzielnik rezystancyjny R 1, R 2, włączony w obwód dodatniego sprzężenia zwrotnego, ustala wartości progowe napięcia przełączania.

9 7. Multiwibrator astabilny ze wzmacniaczem operacyjnym. Układ multiwibratora astabilnego zbudowanego przy wykorzystaniu wzmacniacza operacyjnego przedstawiono na rys. 6. Rezystory R 2 i R 3 tworzą obwód dodatniego sprzężenia zwrotnego o współczynniku sprzężenia β = R 3 /(R 2 + R 3 ), ustalającym na wejściu nieodwracającym wzmacniacza napięcie βu 0. Elementy R 2 i C tworzą dla sygnału wyjściowego obwód całkujący, włączony w pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego. Działanie układu polega na okresowej zmianie stanu nasycenia wzmacniacza (od + U sat do U sat i odwrotnie) następującej w chwili, w której napięcie na przeładowywanym kondensatorze C przekroczy aktualną wartość napięcia na wejściu nieodwracającym (odpowiednio + βu sat i - βu sat ). Okres generowanego przebiegu prostokątnego zależy od stałej czasowej R sat C i współczynnika sprzężenia zwrotnego β według wzoru Rys. 6. Multiwibrator astabilny ze wzmacniaczem operacyjnym: a) schemat układu; b) przebiegi napięć na wejściu i wyjściu wzmacniacza

10 8. Generator RC z mostkiem Wiena. Układ generatora z mostkiem Wiena przedstawiono na rys. 7. Mostek Wiena jest włączony w obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego, a więc przesuwającego fazę o 360. Elementy R 1, C 1, R 2 i C 2 mostka zapewniają dodatnie sprzężenie zwrotne dla częstotliwości quasi-rezonansowej f 0, natomiast elementy R 3 i R 4 mostka, wejścia odwracającego tr, stanowią obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego ustalającego wzmocnienie wzmacniacza (A u = l + R 3 /R 4 ) oraz stabilizującego częstotliwość i amplitudę generowanego przebiegu. Aby jednak generacja była możliwa, czyli możliwy był do spełnienia warunek amplitudy, sygnał dodatniego sprzężenia zwrotnego dla częstotliwości f 0 musi być odpowiednio większy od sygnału sprzężenia ujemnego. Relacja ta jest spełniona, gdy mostek nie jest zrównoważony, a wiec wartość rezystancji R 3 jest nieco większa od podwójnej wartości rezystancji R 4 (czyli R 3 > 2R 4 ). Rys.7 Generator ze wzmacniaczem operacyjnym i mostkiem Wiena (*) opracowano na podstawie: Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, M. Rusek i J. Pasierbiński.

11