Pomiar podstawowych parametrów liniowych układów scalonych

Transkrypt

1 Instytut Fizyki ul Wielkopolska Szczecin 5 Pracownia Elektroniki Pomiar podstawowych parametrów liniowych układów scalonych Zakres materiału obowiązujący do ćwiczenia: wzmacniacz operacyjny, cechy idealnego wzmacniacza; typowe parametry wzmacniacza operacyjnego; wzmocnienie napięciowe wzmacniacza z otwartą pętlą; zastosowanie sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczach operacyjnych; charakterystyka przenoszenia wzmacniacza operacyjnego i zakres jej liniowości; podstawowe układy pracy wzmacniacza operacyjnego (Oprac dr Radosław Gąsowski)

2 Przebieg ćwiczenia 1 Wyznaczanie wzmocnienia napięciowego z otwartą pętlą wzmacniacza operacyjnego na podstawie charakterystyki przenoszenia Układ do pomiaru wzmocnienia napięciowego A U z otwartą pętlą metodą zmiennoprądową przedstawia rysunek 1 (Układ nr 1): Układ nr 1 +U Z Do kanału X oscyloskopu G430 V640 V U S U S U O U O Do kanału Y oscyloskopu 0 U Z Rys1 Elementy otoczone linią przerywaną znajdują się na płytce pomiarowej, do której należy podłączyć odpowiednio zasilanie wzmacniacza z zasilacza ZI 300 (zaciski +, i 0) Następnie przy pomocy przewodu koncentrycznego łączymy wejście wzmacniacza U S z generatorem G430 (zaciski LO i HI) oraz z woltomierzem V640 i dalej do kanału X oscyloskopu Wyjście wzmacniacza U O łączymy za pomocą przewodu koncentrycznego z kanałem Y oscyloskopu Na zasilaczu ZI 300 ustalamy napięcie U Z =15V (przyciski), a na generatorze G430 ustalamy sygnał w postaci fali sinusoidalnej o częstotliwości 20-30Hz Na mierniku V640 należy wcisnąć klawisz mcz oraz ustawić odpowiedni zakres Włączyć oscyloskop, zasilanie wzmacniacza operacyjnego, a następnie generator i miernik V640 2

3 a) Ustalić wielkość sygnału wyjściowego z generatora U G =100mV (odczyt z miernika V640) Dobrać odpowiednie parametry oscyloskopu (współczynnik odchylania dla X i Y) aby na ekranie uzyskać odpowiedni obraz charakterystyki przenoszenia wzmacniacza Nachylenie charakterystyki jest proporcjonalne do wzmocnienia A U badanego wzmacniacza Z obserwowanego przebiegu wyznaczyć wielkość sygnału wejściowego U S (w kierunku X) i odpowiadającą mu wielkość sygnału wyjściowego U O (w kierunku Y) b) Powtórzyć pomiary dla U G =200mV, 500mV, 1V, 2V, 5V Dla sygnału wyjściowego U G =5V określić maksymalną wielkość sygnału wyjściowego U Omax oraz odpowiadającą mu wielkość sygnału U S w obszarze nienasycenia charakterystyki przenoszenia Tabela pomiarowa do punktów a i b (podać jednostki dla U G i współczynniki odchylania): U G 100mV 200mV 500mV 1V 2V 5V Wielkość mierzona Wsp odchylania X [dz] X [dz] Y [dz] Y [dz] 3

4 c) Dla sygnału wyjściowego U G =5V określić maksymalną wielkość sygnału wyjściowego U Omax zmieniając napięcie zasilania U Z w zakresie 9V do 18V Tabela pomiarowa: U Z [V] Wsp odchylania Y [dz] Y [dz] Pomiar wejściowego napięcia i prądu niezrównoważenia oraz wejściowego prądu polaryzacji a) Połączyć układ nr 2 zgodnie z rys2 Zasilanie zasilacza doprowadzić na płytkę jak w punkcie 1 Do gniazda U W podłączyć miernik V640 (przewód koncentryczny) Zakres pomiarowy miernika V640 ustawić na 1,5V lub 500mV (wcisnąć klawisz "+" lub "-") Włączyć zasilanie układu U Z =15V i odczekać około 5 minut Do czasu ustabilizowania się warunków pracy badanego układu U W V640 V 0 Układ nr 2 Uwaga: r=10ω R=R 1 =R 2 =R 3 =10kΩ Rys2 4

5 b) Dokonać pomiaru napięcia na wyjściu wzmacniacza pomiarowego WP dla 4 kombinacji położeń przełączników P 1 i P 2 UWAGA: W trakcie pomiaru należy dostosować polaryzację miernika (klawisze + i -) Tabela pomiarowa: Oznaczenie napięcia Położenie przełączników U w [V] Zakres [V] U w1 P 1 i P 2 wciśnięte U w2 P 1 i P 2 wyciśnięte U w3 P 1 wciśnięty, P 2 wyciśnięty U w4 P 1 wyciśnięty, P 2 wciśnięty 5

6 Opracowanie wyników 1 Wyznaczanie wzmocnienia napięciowego z otwartą pętlą wzmacniacza operacyjnego na podstawie charakterystyki przenoszenia 11 W oparciu o wyniki uzyskane w punkcie 1a) i 1b), obliczyć wartości U S, U O, U S i U O, a następnie obliczyć wielkość wzmocnienia napięciowego wzmacniacza z otwartą pętlą A U oraz niepewność A U korzystając z zależności: A U O U = α, gdzie: U S α = R + R R 1 =500kΩ, R 1 =5kΩ; R 2 =50Ω, R 2 =1Ω Tabela wyników: 1 R 2 2 U G U O [V] U O [V] U S [V] U S [V] A U [V/V] A U [V/V] 100mV 200mV 500mV 1V 2V 5V Określić nieliniowość charakterystyki amplitudowej korzystając ze wzoru: κ = A2 A1 A2 gdzie: A 1 - wzmocnienie dla sygnału wejściowego odpowiadającego maksymalnej wartości napięcia wyjściowego U Omax (przy U G =5V) wyrażone w decybelach; A 2 - wzmocnienie napięciowe dla małego sygnału wejściowego z generatora (U G =100mV) wyrażone w decybelach 12 Z wyników uzyskanych w punkcie 1c), dla każdej wartości U Z obliczyć maksymalną wielkość sygnału wyjściowego U Omax Wyniki umieścić w tabeli, a następnie wykreślić zależność maksymalnego napięcia wyjściowego od napięcia zasilającego U Omax =f(u Z ) 6

7 Tabela wyników: U Z [V] U Omax [V] U Omax [V] przyjąć dokładność U Z =0,1V 2 Pomiar wejściowego napięcia i prądu niezrównoważenia oraz wejściowego prądu polaryzacji Tabela wyników: Oznaczenie napięcia U w1 U w2 U w3 U w4 Położenie przełączników U w [V] U w [V] P 1 i P 2 wciśnięte P 1 i P 2 wyciśnięte P 1 wciśnięty, P 2 wyciśnięty P 1 wyciśnięty, P 2 wciśnięty Wyznaczyć na podstawie powyższej tabeli następujące wielkości (oraz ich niepewności) zgodnie ze wzorami: 21 Wejściowe napięcie niezrównoważenia: U I 0 = U w1 K ; 22 Wejściowy prąd niezrównoważenia: I K ( U U ) R I 0 = w2 w1 ; 22 Wejściowy prąd polaryzacji: I gdzie: IB K = ( U w4 U w3 ) ; 2R r K = r + r=10ω R 3 R=R 1 =R 2 =R 3 =10kΩ 7

8 Przykładowe obliczenia Dla każdego punktu ćwiczenia podać po 1 przykładzie obliczenia wyznaczanej wielkości oraz niepewności pomiarowej, wg schematu: wzór końcowy = podstawione zmierzone wielkości wraz z jednostkami = wynik końcowy Dyskusja i wnioski Przeprowadzić analizę otrzymanych wyników i niepewności pomiarowych Zestaw przyrządów i wyposażenia 1 Oscyloskop HM404; 2 Zasilacz stabilizowany typ ZI300; 3 Generator G430 4 Multimetr V640; 5 Badane układy scalone 2 szt; 6 Przewody 3 szt i koncentryczne 3 szt Literatura 1 Ćwirko R, Rusek M, Marciniak W, Układy scalone w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 1987; 2 Nadachowski M, Kulka Z, Analogowe układy scalone, WKiŁ, Warszawa 1983; 3 Spiralski L, Kołodziejski J, Miernictwo układów scalonych, WKiŁ, Warszawa 1979; 1 4 Soclof S, Zastosowanie analogowych układów scalonych, WKiŁ, Warszawa,