150946
Numer indeksu
Michał Moroz
Imię i nazwisko
151021
Numer indeksu
Paweł Tarasiuk
Imię i nazwisko
kierunek: Informatyka semestr 2 grupa II
rok akademicki: 2008/2009
Laboratorium
elektroniki i miernictwa
Ćwiczenie W
Wzmacniacz operacyjny
Ocena:
Streszczenie
Sprawozdanie z ćwiczenia, którego celem było zbadanie właściwości wzmacniaczy opera- cyjnych oraz wpływu różnych rodzajów sprzężeń zwrotnych na działanie wzmacniacza.
1 Teoria
W tym rozdziale zostaną omówione pokrótce poszczególne zagadnienia związane z tematem przeprowadzanego ćwiczenia.
1.1 Działanie wzmacniacza operacyjnego
Wzmacniaczem operacyjnym nazywamy układ złożony z najczęściej kilkudziesięciu tranzy- storów, o działaniu zbliżonym do działania wzmacniacza idealnego. Wzmacniacz ten posiada dwa wejścia różnicowe – odwracające i nieodwracające, oraz jedno wyjście. Charakteryzuje się dużym oporem wejściowym, liczonym w megaomach, niewielkim oporem wyjściowym, rzędu dziesiątek omów, współczynnikiem wzmocnienia rzędu setek tysięcy, pewną ustaloną przez producenta czę- stotliwością pracy oraz dodatkowymi charakterystykami temperaturowymi i współczynnikami zniekształceń.
W przypadku wzmacniacza rzeczywistego, napięcie wyjściowe można określić w uproszczeniu poniższym wzorem:
U
W y= k
U R· U
R+ k
U wsp· U
wsp= k
U R(U
1− U
2) + 1
2 k
U wsp(U
1+ U
2) (1) gdzie k
U Rto współczynnik wzmocnienia różnicowego napięcia U
Rbędącego różnicą napięć na wejściach wzmacniacza, a k
U wspto współczynnik wzmocnienia napięcia wspólnego obu wejść wzmacniacza U
wsp, które można zdefiniować jako średnią arytmetyczną z napięć na obu wej- ściach. Oba współczynniki wiąże CMRR (Common-mode rejection ratio), definiowany wzorem:
CM RR = 10 log k
2U Rk
2U wsp!
= 20 log k
U R|k
U wsp|
!
(2) Im większy współczynnik CM RR, tym lepiej, bo większa część wzmocnienia wynika ze skła- dowej różnicowej sygnału niż ze składowej wspólnej.
Mimo wszystko, przy tak dużym wzmocnieniu wzmacniacz może pełnić rolę komparatora, ale bardzo trudno byłoby nim zasterować aby dostać liniowe wzmocnienie. Zważywszy na to, że jego wyjście jest ograniczone napięciem zasilania, każde niewielkie wahanie napięcia pomiędzy wejściami wprowadziłoby wyjście w stan nasycenia.
Problem ten rozwiązuje układ sprzężenia zwrotnego, który w ogólności łączy jedno lub oba wejścia z wyjściem układu. Układ taki może składać się z róznych elementów i pełnić bardzo różne role – od wzmacniacza liniowego o ustalonym wzmocnieniu poprzez układy całkujące i różniczkujące aż do nieliniowych wzmacniaczy logarytmujących i potęgujących.
2 Analiza wyników
Wszystkie doświadczenia wykonywane były z użyciem zasilacza DF1731SB3A, nr J3–T6–
2.1 Wzmacniacz w układzie odwracającym
NE5532D
GND GND
IN 2 OUT
3
1 IC1A
R2 R1
R3
J1 J2
Rysunek 1: Schemat urządzenia pomiarowego do badania układu odwracającego.
Po podłączeniu układu wzmacniacza jak przedstawiono na rysunku 1 i ustawieniu napięcia na 20 V – dokładnie (19,9 ± 0,4) V, rozpoczęliśmy pomiary.
2.1.1 Wyznaczenie charakterystyki przejściowej wzmacniacza Wyniki pomiarów zostały zestawione w tabeli 1 oraz 2.
Tabela 1: Charakterystyka przejściowa wzmacniacza odwracajacego, R1 = 10 kΩ, R2 = 20 kΩ.
U
we[V] U
wy[V] U
we[V] U
wy[V]
-12,195 14,062 0,011 -0,22
-11,008 14,064 1,086 -2,129
-10,028 14,066 2,087 -4,091
-9,018 14,068 2,973 -5,825
-8,011 14,069 4,076 -7,946
-7,099 13,862 5,081 -9,957
-5,981 11,720 6,038 -11,832
-5,036 9,871 7,007 -12,692
-4,095 8,027 8,005 -12,692
-3,004 5,888 8,988 -12,691
-2,052 3,971 10,073 -12,691
-1,029 1,979 11,092 -12,690
12,010 -12,689
Tabela 2: Charakterystyka przejściowa wzmacniacza odwracajacego, R1 = 10 kΩ, R2 = 50 kΩ.
U
we[V] U
wy[V] U
we[V] U
wy[V]
12,008 -12,716 -0,003 0,027 4,002 -12,720 -1,032 5,188 3,041 -12,719 -2,032 10,208 1,998 -10,024 -3,073 14,083 1,071 -5,374 -12,569 14,080 Powyższe wyniki przedstawiono na wykresie 2.
Rysunek 2: Charakterystyki przejściowe dla układu odwracającego.
Z rysunku wynika, że wzmacniacz ma prawie liniowe wzmocnienie w swoim zakresie napięć,
a jego wzmocnienie można łatwo ustalić dobierając odpowiednie wartości rezystorów.
2.1.2 Pomiar pasma przenoszenia
Tabela 3: Pomiary amplitudy sygnału wyjściowego dla różnych częstotliwości, R1 = 5 kΩ.
R2 [kΩ] f [kHz] U
we[mV] U
wy[V]
50
2,966
200
1,9
31,14 1,7
321,0 0,4
1524,3 0,06
200
1,502 7,5
14,90 6,5
163,4 0,8
1526,8 0,006
1000
2,998 12,0 *
31,51 4,0
322,2 0,4
Wynik oznaczony gwiazdką był silnie zniekształcony – po dotarciu do progowego napięcia, które wyznaczyliśmy wcześniej, charakterystyka wzmacniacza staje się płaska. Można powie- dzieć, że wzmacniacz był przesterowany.
Możemy zauważyć, że amplituda wzmacniacza maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Co gorsza, przy wysokich częstotliwościach współczynnik wzmocnienia potrafi spaść znacząco po- niżej zera mimo bardzo dużego wzmocnienia teoretycznego wynikającego z rezystorów R1 i R2.
2.1.3 Pomiar współczynnika wzmocnienia wzmacniacza dla zmiennych napięć.
Tabela 4: Pomiary amplitudy sygnału wyjściowego dla różnych rezystancji R1 i R2, f = 301, 2 Hz.
R1 [kΩ] R2 [kΩ] U
we[mV] U
wy[V]
5 1000 60 11
5 500 110 11
5 200 200 8
20 10 200 0,1
30 10 200 0,06
Z tabeli wynika, że przy małych częstotliwościach współczynnik wzmocnienia dla sygnału zmiennego i dla sygnału stałego nie odbiegają od siebie zbytnio. Łącząc wnioski z poprzedniej i tej tabeli okazuje się, że dla sygnału audio nasz wzmacniacz będzie wzmacniał słabiej w okolicach 20 kHz niż dla 20 Hz, co jest znaczącym faktem podczas projektowania takich układów.
2.2 Wzmacniacz w układzie nieodwracającym
Schemat układu został przedstawiony na rysunku 3.
NE5532D
GND GND
OUT IN
2 3
1 IC1A
R2 R1
R3
J2 J1