Badanie wzmacniacza operacyjnego
advertisement
POLITECHNIKA WARSZAWSKA Instytut Radioelektroniki Zakład Radiokomunikacji WIECZOROWE STUDIA NIESTACJONARNE Semestr III LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH Ćwiczenie 2 Temat: Badanie wzmacniacza operacyjnego Instrukcja v.3 Opracował: mgr inŜ. Henryk Chaciński Warszawa 2013 Badanie wzmacniacza operacyjnego 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie słuchaczy z budową i właściwościami wzmacniacza operacyjnego. Zapoznanie się z wpływem poszczególnych elementów wzmacniacza na jego parametry oraz pomiar tychŜe parametrów. 2. Wymagane wiadomości Wymagane są następujące wiadomości: - zasada działania wzmacniacza operacyjnego, - znajomość parametrów wzmacniacza, - znajomość właściwości podstawowych układów pracy wzmacniacza. 3. Podstawy teoretyczne 3.1. Wstęp ogólny Wzmacniacz operacyjny jest analogowym układem scalonym o sprzęŜeniach bezpośrednich. Charakteryzuje się bardzo duŜym wzmocnieniem. Najczęściej przeznaczony jest do pracy z zewnętrznym obwodem sprzęŜenia zwrotnego. Właściwości obwodu sprzęŜenia zwrotnego mają decydujący wpływ na właściwości całego układu. Większość wzmacniaczy operacyjnych ma symetryczne (róŜnicowe) wejścia i niesymetryczne wyjście. Na rys. 1a przedstawiono symbol wzmacniacza operacyjnego, natomiast na rys. 1b przedstawiono jego schemat zastępczy. a) we- - we+ + wy b) + UI2 Ud R Id Au U d + - UO + U I1 - - Rys. 1. Wzmacniacz operacyjny a) symbol wzmacniacza, b) schemat zastępczy. 2 Badanie wzmacniacza operacyjnego Przedstawiony wzmacniacz ma dwa wejścia: wejście „+”, które nosi nazwę wejście nieodwracające, wejście „–” wejście odwracające. Sygnał wejściowy doprowadzony do wejścia „+” i „–” wzmacniacza operacyjnego jest nazwany sygnałem róŜnicowym. Napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego jest proporcjonalne do wartości sygnału róŜnicowego, czyli do róŜnicy napięć na wejściu „+” i na wejściu „–”. Wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się następującymi parametrami: - wzmocnienie przy otwartej pętli sprzęŜenia zwrotnego, - napięcie niezrównowaŜenia, - wejściowe prądy polaryzacyjne, - współczynnik tłumienia sygnału współbieŜnego (CMRR), - szybkość zmian napięcia wyjściowego, - maksymalne pasmo przenoszonych częstotliwości, - rezystancja wejściowa, - maksymalny zakres zmian napięcia na wejściu, - maksymalny zakres zmian napięcia na wyjściu, Wzmacniacze operacyjne są stosowane przede wszystkim w układach z zewnętrznym ujemnym sprzęŜeniem zwrotnym. Ujemne sprzęŜenie zwrotne polepsza właściwości wzmacniacza, między innymi: - poszerza pasmo przenoszonych częstotliwości, - zmniejsza nieliniowości charakterystyki wzmocnienia, - zmniejsza wpływ napięcia i prądu niezrównowaŜenia, - poprawia stałość parametrów, - umoŜliwia dobór wzmocnienia. Pole wzmocnienia fT wzmacniacza operacyjnego moŜna obliczyć ze wzoru: fT = fg kuo) gdzie: kuo – wzmocnienie wzmacniacza dla częstotliwości zerowej fg – częstotliwość dla której wartość wzmocnienia wzmacniacza zmniejsza się o 3 dB ZaleŜność pomiędzy polem wzmocnienia fT wzmacniacza a górną częstotliwością graniczną fgf wzmacniacza z zamkniętą pętlą sprzęŜenia zwrotnego dla wzmacniacza odwracającego jest określona wzorem fgf = fT /(1 + |kuf|) gdzie: kuf – wzmocnienie wzmacniacza z zamkniętą pętlą sprzęŜenia zwrotnego, |kuf| = R2/ R1 gdzie: = R1, R2 – rezystory w obwodzie sprzęŜenia zwrotnego (patrz rys.4.1.) Dla wzmacniacza nieodwracającego zaleŜność pomiędzy polem wzmocnienia fT wzmacniacza a górną częstotliwością graniczną fgf wzmacniacza z zamkniętą pętlą sprzęŜenia zwrotnego jest określona wzorem fgf = fT / |kuf| gdzie: kuf – wzmocnienie wzmacniacza z zamkniętą pętlą sprzęŜenia zwrotnego, |kuf| = (R2/ R1 ) +1 3 Badanie wzmacniacza operacyjnego 4. Przykładowe pytania Warunkiem dopuszczenia do realizacji ćwiczenia jest pozytywne zaliczenie sprawdzianu wejściowego. PoniŜej podano przykładowe zagadnienia na sprawdzianie wejściowym: 1. Podać określenie prąd niezrównowaŜenia. 2. Podać określenie napięcia niezrównowaŜenia. 3. Podstawowe układy pracy wzmacniacza operacyjnego. 4. Podać wartość wzmocnienia napięciowego dla poszczególnych układów pracy wzmacniacza operacyjnego. 5. Podać określenie dolnej częstotliwości granicznej. 6. Podać określenie górnej częstotliwości granicznej. 7. Narysować przykładową charakterystykę przenoszenia sygnału w funkcji częstotliwości wzmacniacza zrealizowanego z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego. 5. Badania i pomiary 5.1. Opis badanego układu Schemat ideowy badanego wzmacniacza operacyjnego przedstawiono na rys. 5.1. WE1 1 W1 R1 2 4.8k 3 WE2 R2 4.8k 1 550k 2 46k 3 C 1nF 1 W4 W3 2 100nF 3 -15V C1 5 4 2 550k 4.8k 2 1 6 741 1 7 R4 46k 4.8k WE4 3 Us + R3 - WE3 +15V 3 W2 D1 +15V Z1 BYP 401-100 1 2 3 D2 C2 + C3 100nF 100uF C4 + C5 100nF 100uF -15V BYP 401-100 Rys. 5.1. Schemat ideowy badanego wzmacniacza operacyjnego 4 27pF WY Badanie wzmacniacza operacyjnego Przełącznik W1 umoŜliwia dołączenie wejścia „-” wzmacniacza do wejść WE1 i WE2 (przełącznik W1 w połoŜeniu 1, W1-1). Jeśli przełącznik W1 jest w połoŜeniu 2 to wejście „-” wzmacniacza jest nigdzie nie podłączone. Przełącznik W1 w połoŜeniu 3 powoduje dołączenie wejścia „- ” wzmacniacza operacyjnego do masy. Za pomocą przełącznika W2 jest zmieniana wartość rezystora łączącego wejście „+” układu scalonego US z masą. Jeśli przełącznik W2 jest w połoŜeniu 1 to dołączony jest d masy rezystor o wartości 4.8kΩ, W2 w połoŜeniu 2 to dołączony jest do masy rezystor o wartości 550kΩ, W2 w połoŜeniu 3 to dołączony jest do masy rezystor o wartości 46kΩ. Za pomocą przełącznika W4 jest zmieniana wartość rezystora włączonego pomiędzy wyjście układu scalonego a jego wejście „-”.Jeśli przełącznik W4 jest w połoŜeniu 1 to dołączony jest rezystor o wartości 4.8kΩ, W4 w połoŜeniu 2 to dołączony jest rezystor o wartości 550kΩ, W4 w połoŜeniu 3 to dołączony jest rezystor o wartości 46kΩ. Przełącznik W3 umoŜliwia dołączanie kondensatora pomiędzy wyjście układu scalonego US a jego wejście „-”. W pozycji 1 przełącznika W3 dołączony jest kondensator o pojemności 1nF, w pozycji 2 nic nie jest dołączone, natomiast w pozycji 3 dołączony jest kondensator o pojemności 100nF. 5.2. Pomiary 5.2.1. Pomiar napięcia i prądu niezrównowaŜenia Pomiary napięcia i prądu niezrównowaŜenia naleŜy przeprowadzić w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 5.2. Rys. 5.2. Schemat blokowy układu pomiarowego Pomiar napięcia niezrównowaŜenia. Zmierzyć wartość napięcia stałego na wyjściu wzmacniacza operacyjnego przy następujących ustawieniach przełączników: W1-3, W2-1, W33 i W4-2. Wyznaczyć wartość napięcia niezrównowaŜenia na wejściu układu scalonego. Pomiar prądu niezrównowaŜenia. Zmierzyć wartość napięcia stałego na wyjściu wzmacniacza operacyjnego przy następujących ustawieniach przełączników: W1-2, W2-2, W33 i W4-2. Wyznaczyć wartość prądu niezrównowaŜenia układu scalonego. 5.2.2. Badanie wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego Badanie wzmocnienia wzmacniacza odwracającego Zbadać zaleŜność wzmocnienia napięciowego wzmacniacza od wartości elementów w obwodzie sprzęŜenia zwrotnego. Pomiary wykonać w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 5.3. 5 Badanie wzmacniacza operacyjnego Rys. 5.3. Schemat blokowy układu pomiarowego wzmocnienia wzmacniacza Zmierzyć wartość wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego przy następujących ustawieniach przełączników: W1-1, W2-1, W3-2 i dla wszystkich trzech pozycji W4. Pomiary wykonać dla takiej częstotliwości sygnału, przy której badane wzmocnienie nie zaleŜy od częstotliwości oraz tak dobrać amplitudę sygnału wejściowego aby sygnał wyjściowy był niezniekształcony. Zmierzoną wartość wzmocnienia porównać z obliczoną. Wartości elementów są podane na schemacie ideowym, rys. 5.1. Badanie wzmocnienia wzmacniacza nieodwracającego. Zbadać zaleŜność wzmocnienia napięciowego wzmacniacza od wartości elementów w obwodzie sprzęŜenia zwrotnego. Pomiary naleŜy wykonać w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 5.4. Zmierzyć wartość wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego przy następujących ustawieniach przełączników: W1-3, W2-1 W3-2 i dla wszystkich trzech pozycji W4. Zmierzoną wartość wzmocnienia porównać z obliczoną.. Pomiary wykonać dla takiej częstotliwości sygnału, przy której badane wzmocnienie nie zaleŜy od częstotliwości oraz tak dobrać amplitudę sygnału wejściowego aby sygnał wyjściowy był niezniekształcony. Wartości elementów są podane na schemacie ideowym, rys. 5.1. Porównać z wynikami otrzymanymi w punkcie poprzednim. Rys. 5.4. Schemat blokowy układu pomiarowego wzmocnienia wzmacniacza 5.2.3. Badanie pasma przenoszenia częstotliwości wzmacniacza operacyjnego Pasmo przenoszenia częstotliwości sygnału wzmacniacza operacyjnego naleŜy zbadać w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 5.3. Zmierzyć pasmo przenoszenia częstotliwości sygnału wzmacniacza operacyjnego dla dwóch róŜnych wartości rezystora R2 , tzn. przy następujących ustawieniach przełączników: - W1-1, W2-1, W3-2 i W4-1, - W1-1, W2-1, W3-2 i W4-2, - W1-1, W2-1, W3-2 i W4-3. 6 Badanie wzmacniacza operacyjnego Na podstawie zmierzonych wartości wzmocnienia sprawdzić czy pole wzmocnienia badanego wzmacniacza jest stałe. Obliczyć częstotliwość graniczną wzmacniacza przy otwartej pętli sprzęŜenia zwrotnego. 5.2.4. Badanie szybkości narastania napięcia wyjściowego wzmacniacza Zmierzyć szybkości narastania napięcia na wyjściu wzmacniacza operacyjnego w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 5.3. Pomiary wykonać dla dwóch róŜnych wartości wzmocnienia napięciowego, tzn. przy następujących ustawieniach przełączników: - W1-1, W2-1, W3-2 i W4-1, - W1-1, W2-1, W3-2 i W4-2. Pomiary wykonać sterując wzmacniacz operacyjny sygnałem prostokątnym. Odpowiedzieć na pytanie, czy istnieje zaleŜność pomiędzy górną częstotliwością graniczną a czasem narastania napięcia na wyjściu wzmacniacza? 5.2.5. Badanie wzmacniacza całkującego Badanie wzmacniacza całkującego przeprowadzić w układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 5.3. Obejrzeć i narysować przebieg napięcia na wyjściu wzmacniacza sterując wzmacniacz sygnał prostokątnym o częstotliwości ok. 150Hz. Badania wykonać dla dwóch róŜnych wartości pojemności kondensatora C przy następujących ustawieniach przełączników: - W1-1, W2-1, W4-2 i dwóch ustawień przełącznika W3 (W3-1 i W3-3). Skomentować otrzymane przebiegi. 6. Wykaz literatury 1. Nosal Z. , Baranowski J,: Układy elektroniczne cz.1. Układy analogowe liniowe WNT, Warszawa 1993 2. Materiały do wykładów z przedmiotu „Układy elektroniczne” 7
