Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIKA EKS1A300024 ZASTOSOWANIE WZMACNIACZY OPERACYJNYCH W UKŁADACH LINIOWYCH BIAŁYSTOK 2015
1. WSTĘP Celem ćwiczenia jest ugruntowanie wiadomości dotyczących: elementarnej teorii sprzężenia zwrotnego, zastosowań wzmacniaczy operacyjnych w układach liniowych oraz kształtowania charakterystyk częstotliwościowych układów ze wzmacniaczami operacyjnymi. Ćwiczenie składa się z dwóch części. Pierwsza dotyczy badania trzech podstawowych układów: wzmacniacza odwracającego, wzmacniacza nieodwracającego oraz wtórnika napięciowego. Druga część dotyczy podstawowych zagadnień związanych z kształtowaniem charakterystyk częstotliwościowych wzmacniaczy za pomocą zewnętrznych elementów RC oraz wykorzystaniem wzmacniaczy operacyjnych do liniowego przetwarzania sygnałów. 2. OPIS MAKIETY LABORATORYJNEJ Makieta laboratoryjna (rys. 1, 2) pozwala na badanie różnorodnych układów ze wzmacniaczem operacyjnym. Wzmacniacz może pracować ze sprzężeniem zwrotnym ujemnym lub/i dodatnim albo bez sprzężenia zwrotnego. Rys. 1 Widok makiety laboratoryjnej do badania układów liniowych ze wzmacniaczami operacyjnymi. Makieta zawiera podstawkę do układów scalonych DIP8, w której należy umieścić wzmacniacz operacyjny (np. TL081), złącza typu WAGO 255-502 z przyciskami i zaciskami sprężynowymi, które pozwalają na umieszczenie potrzebnych elementów (diody, rezystory, kondensatory, zworki) oraz gniazda bananowe i gniazda BNC, służące do doprowadzenia zasilania oraz sygnałów.
Rys. 2 Schemat ideowo - montażowy makiety, z zachowaniem rozmieszczenia elementów. 3. WYKAZ APARATURY NIEZBĘDNEJ DO WYKONANIA ĆWICZENIA makieta laboratoryjna oscyloskop cyfrowy generator funkcyjny zasilacz laboratoryjny multimetry 4. PRZYGOTOWANIE DO ĆWICZEŃ Student przygotowany do zajęć laboratoryjnych powinien: 4.1 znać podstawowe parametry wzmacniacza operacyjnego (wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą, współczynnik tłumienia składowej sumacyjnej (CMRR), impedancja wejściowa, impedancja wyjściowa, wejściowe napięcie niezrównoważenia, wejściowy prąd niezrównoważenia, wejściowe prądy polaryzacji, częstotliwości graniczne, maksymalna szybkość zmian napięcia wyjściowego (SR)); 4.2 rozumieć pojęcia: idealny wzmacniacz operacyjny (znać jego parametry), zwarcie pozorne, masa pozorna; 4.3 znać schematy ideowe wzmacniacza odwracającego, wzmacniacza nieodwracającego oraz wtórnika napięciowego; umieć wyjaśnić rolę poszczególnych elementów układu; 4.4 umieć zaprojektować wzmacniacz o zadanym wzmocnieniu napięciowym oraz rezystancji wejściowej; 4.5 umieć oszacować górną częstotliwość graniczną (f g3db ) zaprojektowanego wzmacniacza zakładając, że wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego wynosi 200000 V/V, a jego częstotliwość graniczna jest równa 10Hz;
4.6 przed zajęciami zaprojektować układ (obliczyć wartości elementów dyskretnych) o asymptotycznej charakterystyce amplitudowej wybranej dowolnie spośród zamieszczonych na rys. 3. Rys. 3. Asymptotyczne charakterystyki amplitudowe założenia projektowe. Nachylenia odcinków charakterystyk wynoszą: 0dB/dek lub +20dB/dek lub -20dB/dek. 4.7 przed zajęciami zaprojektować układ (obliczyć wartości elementów dyskretnych), wybrany spośród niżej wymienionych: a) integrator, przetwarzający falę prostokątną o amplitudzie 5V, współczynniku wypełnienia około 0,2 i okresie równym 0,5ms na napięcie trójkątne o wartości międzyszczytowej 2V. b) sumator dwóch napięć, spełniający zależność: U wy = -(U we1 + 3U we2 ) c) przetwornik prąd-napięcie, spełniający zależność: U wy = -1000I we, dla I we (0, 10mA)
d) przetwornik prąd-napięcie, spełniający zależność: U wy = -500I we, dla I we (-20mA, 0) e) wzmacniacz o wzmocnieniu regulowanym płynnie w zakresie wartości od 0 do +5V/V; f) wzmacniacz różnicowy o wzmocnieniu różnicowym wynoszącym 2. 5. OBSERWACJE I POMIARY 5.1 Zaprojektować i zbudować wzmacniacz odwracający. Wartość wzmocnienia oraz wartość rezystancji wejściowej uzgodnić z prowadzącym ćwiczenia. 5.2 Na wejście wzmacniacza podać przebieg sinusoidalny o częstotliwości 1kHz i amplitudzie 100 mv. Obejrzeć na ekranie oscyloskopu i zarejestrować sygnały wejściowy i wyjściowy. Zwrócić uwagę na przesunięcie fazowe obu sygnałów. Zmierzyć wzmocnienie napięciowe. 5.3 Zaobserwować (i zarejestrować) zmiany przebiegu wyjściowego przy zwiększaniu amplitudy sygnału wejściowego. Porównać wartość maksymalnego napięcia wyjściowego (przy przesterowaniu) z napięciem zasilającym. 5.4 Zmierzyć częstotliwość graniczną wzmacniacza odwracającego. Przy częstotliwości równej częstotliwości granicznej zaobserwować przesunięcie fazowe sygnałów na wejściu i wyjściu. Oszacować dodatkowy przyrost fazy w porównaniu do przesunięcia, obserwowanego przy niskich częstotliwościach. 5.5 Zaprojektować i zbudować wzmacniacz nieodwracający. Wartość wzmocnienia uzgodnić z prowadzącym ćwiczenia. Dokonać pomiaru wzmocnienia, częstotliwości granicznej oraz przesunięcia fazowego przebiegów przy częstotliwości granicznej. Zarejestrować przebiegi napięć. 5.6 Zbudować wtórnik napięciowy. Porównać (i zarejestrować) przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego przy trzech wybranych wartościach amplitudy sygnału wejściowego. 5.7 Zbudować, zaprojektowany przed zajęciami, układ o asymptotycznej charakterystyce amplitudowej wybranej dowolnie spośród zamieszczonych na rys. 3. Dokonać pomiaru charakterystyki amplitudowej układu. 5.8 Zbudować, zaprojektowany przed zajęciami, jeden z układów z punktu 4.7. Sprawdzić poprawność działania układu. 6. BEZPIECZEŃSTWO I HIGIENA PRACY Studenci wykonujący ćwiczenie zobowiązani są do bezwzględnego przestrzegania regulaminu porządkowego oraz przepisów BHP obowiązujących w Laboratorium.
7. LITERATURA [1] Z. Nosal, J. Baranowski: Układy elektroniczne, cz. I. Układy analogowe liniowe, WNT, Warszawa 2003. [2] A. Filipkowski: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT, Warszawa, 2006. [3] P. Górecki: Wzmacniacze operacyjne, Wydawnictwo BTC, 2002. [4] P. Horowitz, W. Hill: Sztuka elektroniki. Część 1 i 2. WKŁ, Warszawa 2013. [5] U. Tietze, Ch. Schenk: Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 2009. [6] W. Wawrzyński: Podstawy współczesnej elektroniki. WPW, 2003.