Podstawowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych wzmacniacz odwracający i nieodwracający

Transkrypt

1 Podstawowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych wzmacniacz odwracający i nieodwracający. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest praktyczne poznanie właściwości wzmacniaczy operacyjnych i ich podstawowych zastosowań. Zakres ćwiczenia obejmuje projektowanie oraz pomiary analogowych układów ze wzmacniaczami operacyjnymi.. Budowa układu. Na rys.a przedstawiono schemat układu, w którym możliwe jest realizowanie podstawowych zastosowań wzmacniaczy operacyjnych (wzmacniacz: odwracający, nieodwracający, różnicowy, całkujący, różniczkujący). ys.b przedstawia widok płytki drukowanej według schematu z rys.a ys.. Układ podstawowych zastosowań wzmacniacza operacyjnego: a) schemat zastępczy układu, b) widok płytki z rozmieszczeniem elementów, c) wzmacniacz operacyjny TL06 wyprowadzenie pinów; kondensatory C-C służą odprzęganiu zasilania.

2 Symbol Parametr Tab.. Podstawowe parametry wzmacniacza operacyjnego TL 06 Warunki pomiaru Wartości Min Typ Max VCC Napięcie zasilania ±8 V VI Maksymalne napięcie wejściowe ±5 V VIO Wejściowe napięcie niezrównoważenia UO = 0V 5 mv IIO Wejściowy prąd niezrównoważenia 5 00 pa KU óżnicowe wzmocnienie napięciowe L = kω, f = 0Hz Jedn. 0 5 V/V GB=fT Pole wzmocnienia (gain bandwidth) L = 0kΩ MHz I ezystancja wejściowa 0 Ω O ezystancja wyjściowa 60 Ω CM współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego db S szybkość zmian napięcia wyjściowego VI = 0mV, L = 0kΩ, Ku =.5,5 V/µs.. Wzmacniacz odwracający Na rys. przedstawiono układ wzmacniacza odwracającego realizowanego w strukturze układu z rys.. ys.. Wzmacniacz odwracający Przy założeniu, że we wzmacniaczu operacyjnym KU, wzmocnienie napięciowe układu wzmacniacza odwracającego opisane jest zależnością: ezystancja wejściowa wzmacniacza odwracającego jest równa: WE K U =, () UWE =, () I natomiast rezystancja wyjściową w przybliżeniu można wyznaczyć z zależności: WE

3 K U WY O, () KU ponieważ O przyjmuje niewielkie wartości (dziesiątki omów) a KU bardzo duże (0 5 ), rezystancja wyjściowa wzmacniacza odwracającego jest pomijalna i układ zachowuje się w przybliżeniu jak idealne sterowane źródło napięciowe. Górną częstotliwość układu wzmacniacza odwracającego można przybliżyć zgodnie z zależnością: gdzie: f T f g, () KU ft częstotliwość graniczna wzmacniacza (inaczej - pole wzmocnienia ft = fgku), Poprzez równoległe dołączenie kondensatora do rezystora, można zmieniać wartość górnej częstotliwości granicznej wzmacniacza odwracającego. Wówczas górna częstotliwość graniczna układu będzie w przybliżeniu równa: f g '. (5) π C.. Wzmacniacz nieodwracający Na rys. przedstawiono układ wzmacniacza odwracającego realizowanego w strukturze układu z rys.. ys.. Wzmacniacz nieodwracający Przy założeniu, że we wzmacniaczu operacyjnym KU, wzmocnienie napięciowe układu wzmacniacza nieodwracającego opisane jest zależnością: K U + ezystancja wejściowa wzmacniacza nieodwracającego jest równa: natomiast rezystancja wyjściowa w przybliżeniu jest równa: =, (6) WE = I, (7)

4 O WY. (8) KU Górną częstotliwość układu wzmacniacza nieodwracającego można przybliżyć zgodnie z zależnością (). Natomiast poprzez dodatkowy kondensator łączony równolegle do. można kształtować wartość tej częstotliwości zgodnie z zależnością (5).. Przygotowanie do zajęć... Materiały źródłowe [] Materiały Laboratorium i Wykładów Zespołu Układów Elektronicznych. [] U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa, 996, s. -85, -5. [] P. Horowitz, W. Hill, Sztuka elektroniki, WKiŁ, Warszawa, 00, s [] Z. Kulka, M. Nadachowski, Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania, cz., WNT, Warszawa, 98, s. 7-79, Zadanie szczegółowe. Zaprojektować wzmacniacz nieodwracający i odwracający zgodnie z danymi podanymi przez prowadzącego. Przeanalizować oba układy w programie analizy układów elektronicznych typu SPICE (np. LTspice) wyznaczając charakterystykę amplitudowa i fazową (wzmocnienie w db, skala częstotliwości logarytmiczna).. Pytania kontrolne. Omów podstawowe parametry idealnego wzmacniacza operacyjnego.. Wyjaśnij pojęcie masy pozornej?. W jaki sposób realizowane jest zasilanie symetryczne wzmacniacza operacyjnego?. Narysuj schemat i opisz zasadę działania układu wzmacniacza odwracającego. 5. Narysuj schemat i opisz zasadę działania układu wzmacniacza nieodwracającego. 6. Co to jest zakres liniowej pracy wzmacniacza? 7. Kiedy w układzie wzmacniacza nieodwracającego możliwe jest do uzyskanie wzmocnienie napięciowe równe? 8. Jakiego rodzaju sprzężenia zwrotne stosowne są w układach wzmacniacza odwracającego i nieodwracającego? 9. Jeśli w poniższych układach znane są wartości rezystorów oraz napięć wejściowych, to jakie będzie napięcie wyjściowe?

5 A B -E -E Uin +E Uout Uin Uin +E Uout C D -E Uin +E Uout E F. Przebieg ćwiczenia... Wzmacniacz odwracający Dla kilku zadanych wartości wzmocnienia napięciowego układu, należy:. Złożyć układ wzmacniacza nieodwracającego zgodnie z rys... Zasilić wzmacniacz operacyjny napięciem ± V.. Do WE- podłączyć generator przebiegu sinusoidalnego. ównolegle do wejścia i wyjścia układu podłączyć sondy oscyloskopu.. Zmierzyć charakterystykę liniowości UWY = f(uwe) poprzez zmianę amplitudy generatora i obserwację obrazu na oscyloskopie w trybie XY. Pomiary przeprowadzić w zakresie amplitud wejściowych od ±V/KU. Wyznaczyć zakres linowej pracy układu oraz wzmocnienie w tym zakresie. 5

6 5. Dla amplitud generatora UWE(MS) <00mV, zmieniając częstotliwość generowanego sygnału, wyznaczyć trzydecybelową górną częstotliwość graniczną wzmacniacza. (Opcjonalnie: narysować charakterystykę amplitudową (w db) i fazową w logarytmicznej skali częstotliwości). UWAGA: W przypadku pomiarów wykonywanych oscyloskopem dobrze jest wybrać pomiary napięć wejściowego i wyjściowego jako CycMS oraz uśredniania wyświetlania (Acquire -> Average-> 6) 6. Dla częstotliwości bliskiej częstotliwości granicznej wzmacniacza, zwiększając amplitudę wejściową, uzyskać obraz właściwy dla zjawiska związanego z parametrem S wzmacniacza (przebieg na wyjściu ma kształt zbliżony do trójkątnego). Oszacować parametr S. 7. Podłączyć równolegle z rezystancją (pole Z na płytce rys.b) kondensator o dowolnej wartości pojemności (np. n) i przeprowadzić ponownie pomiary zgodnie z pkt.5.. Wzmacniacz nieodwracający Dla kilku zadanych wartości wzmocnienia napięciowego układu, należy: 8. Złożyć układ wzmacniacza nieodwracającego zgodnie z rys.. 9. Zasilić wzmacniacz operacyjny napięciem ± V. 0. Do WE+ podłączyć generator przebiegu sinusoidalnego. ównolegle do wejścia i wyjścia układu podłączyć sondy oscyloskopu.. Zmierzyć charakterystykę liniowości UWY = f(uwe) poprzez zmianę amplitudy generatora i obserwację obrazu na oscyloskopie w trybie XY. Pomiary przeprowadzić w zakresie amplitud wejściowych od ±V/KU. Wyznaczyć zakres linowej pracy układu oraz wzmocnienie w tym zakresie.. Dla amplitud generatora UWE(MS) <00mV, zmieniając częstotliwość generowanego sygnału, wyznaczyć trzydecybelową górną częstotliwość graniczną wzmacniacza. (Opcjonalnie: narysować charakterystykę amplitudową (w db) i fazową w logarytmicznej skali częstotliwości). UWAGA: W przypadku pomiarów wykonywanych oscyloskopem dobrze jest wybrać pomiary napięć wejściowego i wyjściowego jako CycMS oraz uśredniania wyświetlania (Acquire -> Average-> 6). Dla częstotliwości bliskiej częstotliwości granicznej wzmacniacza, zwiększając amplitudę wejściową, uzyskać obraz właściwy dla zjawiska związanego z parametrem S wzmacniacza (przebieg na wyjściu ma kształt zbliżony do trójkątnego). Oszacować parametr S.. Podłączyć równolegle z rezystancją (pole Z na płytce rys.b) kondensator o dowolnej wartości pojemności (np. n) i przeprowadzić ponownie pomiary zgodnie z pkt.5 5. Wnioski.. Wyznaczyć zakresy liniowej pracy wzmacniaczy. Omówić wpływ wzmocnienia KU na ten zakres.. Porównać uzyskane wyniki wzmocnienia i fg z wartościami obliczonymi ze wzorów.. Porównać oszacowany współczynnik S z podanym w katalogu dla użytego układu.. Ocenić wpływ dodatkowego kondensatora w układzie. 6