Statyczne badanie wzmacniacza operacyjnego - ćwiczenie 7
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi zastosowaniami wzmacniacza operacyjnego, poznanie jego charakterystyki przejściowej oraz zbadanie odpowiedzi czasowej wzmacniacza dla określonych sygnałów wejściowych.
2. Wykaz przyrządów:
• generator przebiegu prostokątnego, sinusoidalnego, piłokształtnego
• zasilacz programowalny
• uniwersalny zestaw pomiarowy/woltomierz cyfrowy
• oscyloskop 2-kanałowy z pamięcią,
• komputer z kartą pomiarowo-sterującą,
• płytka montażowa ze wzmacniaczem operacyjnym oraz elementami R i C.
3. Przedmiot badań
• Wzmacniacz operacyjny pracujący w układzie:
o odwracającym o nieodwracającym o różniczkującym o całkującym 4. Wprowadzenie
Wzmacniacze operacyjne należą do najczęściej stosowanych układów w elektronice analogowej – są to analogowe wzmacniacze scalone, umożliwiające wzmacnianie napięć stałych i zmiennych. Charakteryzują się bardzo dużym wzmocnieniem napięciowym przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego. Praktycznie wzmacniacz operacyjny wykorzystuje się prawie zawsze w konfiguracji z pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego, co umożliwia realizację różnych operacji matematycznych, takich jak: dodawanie, odejmowanie, różniczkowanie, całkowanie itp. Sprzężenie zwrotne polepsza właściwości wzmacniacza – zmniejsza nieliniowość charakterystyk i niezrównoważenie, poszerza pasmo przenoszenia i umożliwia dobór wzmocnienia.
Powyższy rysunek przedstawia podstawowy symbol wzmacniacza operacyjnego; jeżeli do wejścia (-), zwanego odwracającym, doprowadzimy sygnał wejściowy, wtedy na wyjściu pojawi się sygnał w fazie przeciwnej. Jeżeli zaś zostanie on doprowadzony na wejście (+), zwane nieodwracającym, nie nastąpi odwrócenie fazy pomiędzy sygnałem wejściowym a wyjściowym. Napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego jest proporcjonalne do różnicy napięć wejściowych, zgodnie ze wzorem:
gdzie: - to współczynnik wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego,
- to napięcia podane na wejścia: odwracające, nieodwracające.
Analizując pracę wzmacniacza operacyjnego z różnymi rodzajami sprzężeń zwrotnych korzysta się często z modelu idealnego wzmacniacza operacyjnego. W tabeli poniżej przedstawiono podstawowe parametry jakimi powinien charakteryzować się idealny wzmacniacz, w zestawieniu z parametrami powszechnie stosowanego wzmacniacza µA741 oraz z typowymi przedziałami wartości parametrów obecnie używanych wzmacniaczy operacyjnych.
Nazwa parametru (jednostka) Wzmacniacz
idealny µA741 Inne WO
Wzmocnienie różnicowe napięciowe V/V → ∞ …
Rezystancja wejściowa różnicowa MΩ → ∞ 1 0,05…
Rezystancja wyjściowa Ω → 0 75 50…200
Częstotliwość graniczna MHz → ∞ 1 1…100
Rys. 1. Symbol wzmacniacza operacyjnego
4.1. Wzmacniacz odwracający
Rys. 2. Schemat układu wzmacniacza odwracającego
Wzmocnienie wzmacniacza odwracającego:
Rezystor R3 zapewnia zmniejszenie niekorzystnego wpływu prądów niezrównoważenia.
Jego wartość powinna w przybliżeniu być równa wartości rezystancji wynikającej z równoległego połączenia i .
4.2. Wzmacniacz nieodwracający
Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza nieodwracającego:
4.3. Wzmacniacz całkujący
Rys. 3. Schemat układu wzmacniacza nieodwracającego
Napięcie wyjściowe wzmacniacza całkującego wyznaczamy ze wzoru:
gdzie: – wartość napięcia w chwili początkowej t=0
Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza całkującego jest dane zależnością:
Wzmocnienie Ku zmienia się wraz ze zmianą częstotliwości sygnału wejściowego.
4.4. Wzmacniacz różniczkujący
Rys. 5. Schemat układu wzmacniacza różniczkującego
Napięcie wyjściowe wzmacniacza różniczkującego wyznaczamy ze wzoru:
Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza różniczkującego jest dane zależnością:
5. Przebieg ćwiczenia
• Napięcia zasilające wzmacniacz: V, V (wzgl. masy)
• Przed włączeniem zasilania należy skonsultować z prowadzącym zajęcia poprawność podłączenia układu!
5.1. Wyznaczanie charakterystyki przejściowej wzmacniacza operacyjnego
• Wyznaczyć charakterystykę dla wzmacniacza pracującego w układzie:
o odwracającym fazę o nieodwracającym fazy
• Zakres napięć wejściowych przyjąć tak, aby nie przekraczało
• Charakterystykę wyznaczyć na podstawie trzydziestu jeden punktów pomiarowych (przykładowo: od -15V do +15V co 1V lub od -7,5V do 7,5V co 0,5V)
• Pomiary zapisać w tabeli:
Nr pomiaru [V] [V]
1 2 3
… 31
Rys. 6. Schemat układu do wyznaczenia charakterystyki przejściowej wzmacniacza odwracającego
5.2. Wyznaczanie odpowiedzi czasowych wzmacniaczy operacyjnych
• Wyznaczyć odpowiedzi czasowe dla wzmacniaczy:
o różniczkującego/całkującego o odwracającego/nieodwracającego
• Jako sygnały wejściowe należy przyjąć:
o sygnał sinusoidalny o sygnał prostokątny o sygnał piłokształtny
• Amplitudę sygnałów wejściowych należy dobrać tak, aby odpowiedź układu miała odpowiednio dużą amplitudę, lecz nie przekraczającą zakresu napięć wejściowych urządzenia pomiarowego.
• Dla każdego rodzaju sygnału wejściowego zmierzyć:
o amplitudę sygnału wejściowego i wyjściowego
o przesunięcie fazowe pomiędzy sygnałem wejściowym i wyjściowym
Rys. 7. Schemat układu do obserwacji odpowiedzi czasowych wzmacniacza operacyjnego, pracującego jako wzmacniacz różniczkujący
6. Sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów należy przygotować sprawozdanie, które powinno zawierać: schematy układów zrealizowanych na zajęciach, tabelę z wynikami pomiarów oraz wykreśloną na ich podstawie charakterystykę przejściową badanego układu (wg pkt. 5.1), a także przebiegi sygnałów na wejściach i wyjściach badanych układów (wg pkt. 5.2). Należy pamiętać o wartościach dobranych częstotliwości sygnałów jak i o wartościach elementów R i C.
