LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Transkrypt

1 Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE e LABORATORIUM PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Ćwiczenie nr 3 Pomiary wzmacniacza operacyjnego Wykonując pomiary PRZESTRZEGAJ przepisów BHP związanych z obsługą urządzeń elektrycznych. Uszkodzenia bądź nieprawidłowości w funkcjonowaniu urządzeń ZGŁOŚ prowadzącemu zajęcia. Urządzenia uszkodzone ODSTAW na stół z opisem Urządzenia uszkodzone. Po wykonaniu pomiarów: ROZŁĄCZ układy pomiarowe. WYŁĄCZ zasilanie urządzeń i stołu, UŁÓŻ przewody w uchwytach, ODSTAW urządzenia przestawione z innych stanowisk na ich pierwotne miejsce. Wrocław 201

2 Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych - 2 Ćwiczenie nr 3 Pomiary wzmacniacza operacyjnego 1. Cel ćwiczenia Zapoznanie się z budową struktury wzmacniacza scalonego. Wyznaczanie parametrów charakterystycznych i pomiar wzmocnienia wzmacniacza Pomiary charakterystyk stałoprądowych i częstotliwościowych wzm. operacyjnego 2. Zagadnienia do samodzielnego przygotowania - Budowa krzemowego bipolarnego monolitycznego układu scalonego - Konstrukcje tranzystorów npn i pnp w układzie scalonym - Parametry charakterystyczne wzmacniaczy operacyjnych - Podstawowe układy pracy (odwracający, nieodwracający) wzmacniacza operacyjnego - Charakterystyka przenoszenia wzmacniacza operacyjnego dla prądu stałego - Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza napięciowego, pasmo 3dB Należy zapoznać się z typem i rodzajem (bipolarny, MOS, Bi-MOS) wzmacniacza operacyjnego znajdującego się na stanowisku. W tabeli, na końcowych stronach tej instrukcji, zestawione są parametry wzmacniaczy różnych typów. - Potrzebny będzie także papier do wykresu w skali log-log 3. Literatura [1] A. Guziński, Liniowe elektroniczne układy analogowe, WNT 1992 [2] Z. Kulka, M. Nadachowski, Liniowe układy scalone i ich zastosowania, WKŁ [3] Z. Szpakowski, Układy scalone w zastosowaniach, WKŁ, 1977 [4] W. Golde, L. Śliwa, Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania, WNT 1982 [] Notatki z wykładu

3 4. Wstęp Wzmacniacze operacyjne należą do najbardziej popularnych analogowych układów scalonych (operacyjny - oznacza tu możliwość użycia go dla realizacji wielu funkcji -operacji). Mimo iż produkowane są w wielu typach i wersjach, to praktycznie zawsze posiadają charakterystyczną strukturę układu opartą na wzmacniaczu różnicowym z bezpośrednim sprzężeniem sygnału, to znaczy mogą pracować zarówno z sygnałami stałoprądowymi jak i z sygnałami zmiennymi. Zalety układu wzmacniacza różnicowego (np. mały wpływ temperatury, czy zakłóceń zewnętrznych) można w pełni zrealizować właśnie w wykonaniu scalenia monolitycznego. Najczęściej stosowana jest technologia bipolarna, a dla uzyskania lepszych parametrów wejściowych wzmacniacza również technologia MOS lub Bi-MOS. W ćwiczeniu mierzymy wybrane parametry stałoprądowe wzmacniacza operacyjnego oraz jego pasmo przenoszenia dla sygnałów zmiennych przy ustalonej wartości sprzężenia zwrotnego. ujemnego. Pomiary Prawidłowa praca wzmacniacza operacyjnego wymaga najczęściej stosowania symetrycznego zasilania układu. Dla mierzonego wzmacniacza ustalamy napięcie UCC = 1 V. Wymaga to użycia zasilacza z wyjściem symetrycznym (np. Agilent E3631A ma jedno z wyjść oznaczone 2 V). Zacisk wyjściowy COM jest masą w tym układzie zasilania. Na zasilaczu należy, przy wybranej opcji TRACK, ustawić 1 V na wyjściu 2V. Wówczas na zacisku ( ) automatycznie pojawi się napięcie 1 V. W trakcie dalszych pomiarów nie należy wyłączać zasilania mierzonego wzmacniacza. Do ewentualnego odcięcia zasilania w zasilaczu E3631A służy przycisk OUTPUT ON/OFF..1. Pomiar charakterystyki stałoprądowej UWY=f(UWE) i wyznaczanie wzmocnienia napięciowego KU Charakterystyki przejściowe UWY =f(uwe) mierzymy z zastosowaniem programu komputerowego REJESTRATOR łącząc układ zgodnie ze schematem pomiarowym pokazanym na rys. 1. W układzie tym źródłem sygnału wejściowego jest zasilacz DC z regulowanym narostem napięcia (np. sterowany komputerem Agilent E3649A). UWAGA! Sygnał wejściowy podawany jest na wejście ( in ) płytki pomiarowej i dalej przez dzielnik napięciowy 100 kω /1 kω na wejście wzmacniacza operacyjnego jako sygnał UWE - patrz rys. 1. Przy wykreślaniu charakterystyk i obliczaniu wzmocnienia należy uwzględnić podział napięcia na dzielniku, a także wpływ rezystancji wejściowej wzmacniacza na wartość napięcia wejściowego uzyskiwanego z dzielnika.

4 Pomiary wykonujemy dla różnych konfiguracji wzmacniacza wykorzystując zwory dla uzyskania odpowiednich połączeń. Wszystkie wyniki pomiarów (charakterystyki) należy zobrazować na jednym wykresie, tzn. zapisywać je jako kolejne serie pomiarowe. Pomiary należy wykonać dla: - układu odwracającego dla sprzężenia zwrotnego Rf= 100 kω oraz 1 MΩ - układu nieodwracającego dla sprzężenia zwrotnego Rf= 100 kω oraz 1 MΩ W obydwu powyższych wypadkach zastosować napięcie wejściowe dodatnie i ujemne, w celu uzyskania pełnej charakterystyki. Wymaga to zmiany polaryzacji napięcia sygnału dc na wejściu ( in ) płytki pomiarowej. a) b) Rys.1. Wzmacniacz operacyjny w układzie pomiarowym: a) schemat ideowy, b) zdjęcie płytki z zamontowanym wzmacniaczem. Na podstawie zmierzonych charakterystyk stałoprądowych UWY=f(UWE) wyznaczyć wzmocnienie KU wzmacniacza dla każdej wartości zastosowanego sprzężenia zwrotnego Rf oraz maksymalną wartość napięcia wejściowego, dla którego charakterystyka jest liniowa (w wypadku Rf = 1 MΩ).

5 .2. Pomiar napięcia niezrównoważenia UOS Napięcie niezrównoważenia wyznaczamy mierząc napięcie wyjściowe dla zerowego napięcia wejściowego i obliczając UOS znając wzmocnienie układu KU. Schemat połączeń układu przedstawiono na rys.2 Przebieg pomiaru: Rys.2. Układ do pomiaru napięcia niezrównoważenia wzmacniacza; sygnał wejściowy równy zero - zewrzeć wejścia przez połączenie zworami obydwu wejść do masy. - podłączyć rezystancję ujemnego sprzężenia zwrotnego Rf = 1 MΩ, - odczytać wartość napięcia wyjściowego na woltomierzu podłączonym jak na Rys. 2. Zmierzone napięcie wyjściowe określone jest wzorem: U WY R f 1 U OS RI OS R, gdzie: IOS = IB2 - IB1 - wejściowy prąd niezrównoważenia. Przy założeniu, że: UOS >> RIOS napięcie wyjściowe UWY jest wzmocnionym napięciem niezrównoważenia - ze wzoru, po uproszczeniu, obliczyć UOS.3. Pomiar charakterystyk częstotliwościowych wzmacniacza operacyjnego Pomiary mają na celu ustalenie zależności pomiędzy pasmem przenoszenia wzmacniacza, a wartością jego wzmocnieniem napięciowego. Ustalić układ wzmacniacza odwracającego lub nieodwracającego fazę. Dla wybranego układu podać z generatora na wejście dzielnika sygnał sinusoidalny (amplituda sygnału z generatora musi być odpowiednia, tzn. taka, aby na wejściu wzmacniacza, po dzielniku napięciowym,

6 sygnał UWE nie przekraczał 0 mv (wartość międzyszczytowa), dzięki czemu unikamy nadmiernych zniekształceń nieliniowych sygnału wyjściowego. Za pomocą oscyloskopu mierzyć amplitudę sygnału wejściowego (CH1) i wyjściowego (CH2) przełączając zworę sprzężenia zwrotnego odpowiednio dla Rf =100 k i Rf=1 M. Zwiększając częstotliwość sygnału mierzymy każdorazowo wartości sygnałów, obliczamy wzmocnienie i zapisujemy wyniki w tabeli 1. Tabela 1. f Rf= 100 k Rf= 1 M Uwe Uwy KU Ku Uwe Uwy KU Ku [Hz] [mv] [V] [V/V] [db] [mv] [V] [V/V] [db] Charakterystyki przenoszenia wzmacniacza KU[V/V] = f(f) wykreślić w skali podwójnie logarytmicznej (log-log) na jednym wykresie. Utworzyć drugą oś rzędnych i opisać jako KU [db]. UWY KU [V/V] = UWY/UWE KU [db] 20 log UWE Zaobserwować wpływ wzmocnienia na pasmo przenoszenia wzmacniacza. Dla każdej wartości rezystora Rf wyznaczyć pasmo 3 db wzmacniacza. Schematy ideowe typowych wzmacniaczy operacyjnych Rys.3 Schemat elektryczny (A) i blokowy (B) wzmacniacza operacyjnego μa741.

7 a) b) Rys.4. Schemat elektryczny (a) i blokowy (b) wzmacniacza operacyjnego CA 3140 firmy RCA wykonany w technologii Bi-MOS.(Układ wejściowy na tranzystorach MOSFET z kanałem p).

8 Tabela 2. Parametry wybranych wzmacniaczy operacyjnych PORÓWNANIE PARAMETRÓW RÓŻNYCH RODZAJÓW MONOLITYCZNYCH WZMACNIACZY OPERACYJNYCH o Parametr (T =2 C) a Jednostka A 709 standrad. A 741 standard. LM 11 Super- -beta LF 16 Bi-FET TL 081 Bi-FET CA 080 Bi-MOS CA 3140A Bi-MOS Wejściowy prąd polaryzujący (max.) Wejściowy prąd niezrównoważenia (max.) Wejściowe napięcie niezrównoważenia (max.) Współczynnik cieplny wejściowego napięcia niezrównoważenia (typ.) Wzmocnienie z otwartą pętlą (min.) Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego (min.) Szybkość zmian napięcia wyjściowego (typ.) Napięcie zasilania (typ.) Moc rozpraszana Wewnętrzna kompensacja częstotliwości na na mv o V/ C V/V db V/ s V mw , , , 1 8 0,0 0,01 0,3 1 2, , ,1 0,02 2, ,2 0, , ,0 0, (typ) 86(typ) 13-0,04 0, HA 230 Bi-MOS