ANALOGOWE UKŁADY SCALONE Ćwiczenie to ma na celu zapoznanie z przedstawicielami najważniejszych typów analogowych układów scalonych. Będą to: wzmacniacz operacyjny µa 741, obecnie chyba najbardziej rozpowszechniony wzmacniacz o uniwersalnym zastosowaniu; komparator µa 710 również szeroko stosowany; monolityczny stabilizator µa 723, jeden z pośród wielu dostępnych typów scalonych stabilizatorów. Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się z następującymi zagadnieniami: 1. Co to jest wzmacniacz operacyjny?. Pojęcie wzmacniacza idealnego; typowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych; wzmacniacz odwracający, nieodwracający, różnicowy; jak obliczyć wzmocnienie, impedancję wejściową takich układów; wzmacniacze realizujące sumę i różnicę; wtórnik napięcia; wzmacniacz logarytmujący; wzmacniacz całkujący i różniczkujący; filtry aktywne RC i generatory RC ze wzmacniaczami operacyjnymi. Parametry rzeczywiste wzmacniaczy operacyjnych; wzmocnienie z otwartą pętlą, zakres liniowości wzmocnienia, wejściowe napięcie niezrównoważenia, wejściowy prąd polaryzacji, pasmo przenoszenia i wpływ sprzężenia zwrotnego na nie. Najważniejsze dane katalogowe wzmacniacza operacyjnego µa 741. 2. Podstawowe wiadomości o komparatorach napięcia. Charakterystyka przejściowa; czas opóźnienia. Współpraca komparatora µa 710 z układami logicznymi serii TTL. Przykłady zastosowań komparatorów, np. w woltomierzach cyfrowych. 3. Podstawowe wiadomości o elektronicznych stabilizatorach napięcia. Stabilizatory szeregowe i równoległe. Dioda Zenera jako źródło napięcia odniesienia; zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych w stabilizatorach tranzystorowych jako wzmacniacz błędu. Blokowy schemat monolitycznego układu µa 723 i zrozumienie jego działania. WYKONANIE ĆWICZENIA Przystępując do wykonania ćwiczenia, otrzymamy uniwersalną płytkę drukowaną z wlutowanymi podstawkami do układów scalonych. Na tej płytce wykonujemy samodzielnie wszystkie układy, które należy zbadać. Podobnie jak w innych ćwiczeniach otrzymamy przybory w pudełkach. Dodatkowe części można otrzymać od osoby wydającej pudełka. 1. Wykonanie stabilizowanego zasilacza 12V lub 6V przy użyciu µa 723 Do budowy prostego zasilacza stabilizowanego z zabezpieczeniem prądowym, o bardzo dobrych parametrach wystarczy układ scalony µa 723 i kilka elementów zewnętrznych. Układ budujemy według rys.1. Prosimy pamiętać o tym, żeby nie pomylić numeracji nóżek przy lutowaniu odwrotnej strony płytki! Przed włączeniem napięcia, prawidłowość połączeń układu musi zostać koniecznie sprawdzona przez asystenta (dotyczy to wszystkich układów w tym ćwiczeniu). 1
Po sprawdzeniu prawidłowości połączeń naszego zasilacza, podajemy na jego wejście napięcie z zasilacza laboratoryjnego znajdującego się na stole pomiarowym. Ustawiamy napięcie na zasilaczu laboratoryjnym: 18V dla wersji 12V zasilacza stabilizowanego, 10V dla wersji 6V zasilacza stabilizowanego. Potencjometrem P1 ustawiamy na wyjściu stabilizatora napięcie 12V lub 6V. 1. Włączamy na wyjście stabilizatora obciążenie 500 omów (rezystor 500Ω), mierzymy napięcie wyjściowe w funkcji U wej. (od 0V do 30V ). 2. Włączamy na wyjście stabilizatora opornice dekadową. Przy ustalonym napięciu U wej. (np.18v dla wersji 12woltowej lub 12V dla wersji 6V) mierzymy U wyj. w zależności od pobieranego prądu. Zmiany prądu obciążenia uzyskujemy zmieniając rezystancje opornicy dekadowej. 3. Wykreślamy otrzymane charakterystyki i tłumaczymy ich kształt. UWAGA Wersję zasilacza 6V czy 12V ustala asystent. Na rys.2 przedstawiony jest dodatkowo prostszy układ zasilacza, który może być wykonywany zamiast układu z rys.1. Decyzję który układ będzie wykonywany podejmuje asystent prowadzący. Zakres pomiarów w tym wypadku ustala również asystent. Rys. 1.A Zasilacz stabilizowany 12V z układem µa 723. 2
Rys. 1.B Zasilacz stabilizowany 6V z układem µa 723. Rys. 2 Zasilacz 6V lub 12V ze wzmacniaczem operacyjnym µa 741. Nieopisane wartości oporów należy obliczyć samemu. 3
2. Badanie wzmacniacza operacyjnego µa 741 Wzmacniacz ten wymaga symetrycznego zasilania z dwóch źródeł +15V i 15V. Pierwszą czynnością będzie więc podłączenie źródła zasilania, według schematu na rys.3. Proszę zwrócić uwagę, że wzmacniacz µa 741 nie ma wyprowadzenia (nóżki) masy. Ten fakt, który może w pierwszej chwili wydać się paradoksem, nie wynika jednak z niedopatrzenia konstruktorów. Wzmacniacz po prostu nie potrzebuje takiej nóżki dla poprawnej pracy. W układzie masą jest punkt B na rys. 3. Rys. 3 Sposób podłączenia zasilania do wzmacniacz µa741. Po przylutowaniu zasilania, lutujemy i badamy niektóre z poniższych układów. Które układy badamy ustala asystent prowadzący. 1. Wzmacniacz odwracający rys.4. Badamy wzmocnienie dla napięcia sinusoidalnego, pasmo przenoszenia, zakres liniowości. Dlaczego łączymy (podpieramy) wejście nieodwracające opornikiem 5,1k z masą? 2. Wzmacniacz nieodwracający rys.5. Pomiary j.w. 4
Rys. 4 Realizacja wzmacniacza odwracającego. Rys. 5 Realizacja wzmacniacza nieodwracającego. 5
3. Układ całkujący rys.6. Badamy odpowiedź układu na ciąg prostokątnych impulsów o częstotliwości 1 khz. Porównujemy to z działaniem biernego układu całkującego RC, przy oporze 5,6k i tej samej pojemności. Rys. 6 Układ całkujący 4. Układ różniczkujący (rys.7). Badamy odpowiedź układu na ciąg impulsów trójkątnych o częstotliwości 1kHz. Robimy to samo dla biernego układu różniczkującego RC o tych samych wartościach oporu i pojemności. Rys. 7 Układ różniczkujący 6
5. Wzmacniacz realizujący sumę i różnicę napięć. Zbuduj układ według rys.8. Zbadaj przedział wartości, w których układ pracuje poprawnie. Zwróć uwagę, by nie podać na wejście wzmacniacza napięć wyższych, niż na to zezwalają normy katalogowe. Rys.8 Układ realizujący działanie A+BCD. Potencjometr P1 służy do kompensacji wejściowego napięcia niezrównoważenia, czyli do ustawienia zera na wyjściu, gdy wszystkie wejścia są zwarte z masą. 6. Wtórnik napięciowy. Układ jest tak prosty, że nie podajemy nawet schematu. Jaka powinna być wartość oporu w pętli sprzężenia zwrotnego? Zaproponuj metodę pomiaru i zmierz impedancję wejściową wtórnika. 7
8
9
Uwaga! Nie trzeba robić żadnych dodatkowych połączeń lutowanych aby podłączyć płytkę do zestawu komputerowego. Płytka montażowa jest tak skonstruowana, że wystarczy połączyć badany układ z polami o symbolach WE, WY, +,,, a wszystkie potrzebne sygnały będą automatycznie widziane przez zestaw pomiarowy za pośrednictwem gniazda CANON umieszczonego na płytce. Należy zwrócić uwagę, by nie pomylić pól. Dodatkowo dla kontroli poprawności na płytce zostały umieszczone numery przy polach kontrolnych. W razie jakichkolwiek wątpliwości można sprawdzić czy sygnały na polach kontrolnych są zgodne z tabelą poniżej. Nr pola kontrolnego Symbol na płytce Komentarz WE Wejście układu (do generatora) WY Wyjście układu (do oscyloskopu) Zasilanie 15 V Masa + Zasilanie +15 V 10
Widok uniwersalnej płytki drukowanej do ćwiczenia 11