Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/

regionalnego rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego

Funduszu Społecznego.

1 z 4

Instrukcja do ćwiczenia 7

Dział – Pomiary wielkości elektrycznych.

Temat: Badanie wzmacniacza operacyjnego pracującego w układzie

odwracającym.

Cel ćwiczenia: poznanie sposobu badania wzmacniaczy.

I.

Wprowadzenie

Wzmacniacz operacyjny jest wielostopniowym, scalonym wzmacniaczem prądu stałego,
mającym dwa wejścia i jedno niesymetryczne wyjście. Charakteryzuje się go podając
zewnętrzne parametry, zdefiniowane jednakowo dla wszystkich rozwiązań technologicznych.
Dzięki temu wzmacniacz operacyjny można traktować, jako pojedynczy element układu,
pomimo jego złożonej struktury wewnętrznej.
Idealny wzmacniacz operacyjny powinien mieć następujące cechy:

 Nieskończenie wielkie wzmocnienie napięciowe w układzie z otwartą pętlą

sprzężenia zwrotnego K

UR

→ ∞ (w rzeczywistych układach K

UR

= 10

4

÷10

6

V/V;

80÷130 dB).

 Nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia (w rzeczywistych układach od 1 MHz

do ponad 1000 MHz).

 Nieskończenie dużą impedancję wejściową różnicową (między wejściami

odwracającym (-) i nieodwracającym (+)) oraz impedancję wejściową sumacyjną
(między jednym z wejść i masą) — do 50 MΩ dla stopni wejściowych
z tranzystorami bipolarnymi i do 10

4

MΩ z tranzystorami unipolarnymi.

 Impedancję wyjściową równą zera (w rzeczywistych układach średnio kilkadziesiąt

omów).

 Prądy wejściowe równe zeru (w rzeczywistych układach od ułamka nanoamperów do

kilku mikroamperów).

 Nieskończenie

duży

współczynnik

tłumienia

sygnału

współbieżnego

(w rzeczywistych układach 70-120 dB).

Wzmacniacze operacyjne, jako układy uniwersalne, mogą pracować w różnych
konfiguracjach. Powszechnie jest stosowany układ z zamkniętą pętlą ujemnego sprzężenia
zwrotnego. Sprzężenie zwrotne zmniejsza nieliniowość charakterystyk, poszerza pasmo
(kosztem wzmocnienia), umożliwia dobór wzmocnienia napięciowego, zmniejsza
niezrównoważenie. Podstawowe układy pracy wzmacniacza operacyjnego to jedno wejściowe
układy: odwracający i nieodwracający oraz dwuwejściowy układ różnicowy. Możliwe są też
inne układy realizujące różnorodne funkcje.

Układ pracy wzmacniacza z wejściem odwracającym fazę przedstawia poniższy

rysunek 7.1a. Zakładając, że rzeczywisty wzmacniacz operacyjny ma parametry zbliżone do
parametrów wzmacniacza idealnego, można uznać wzmocnienie wzmacniacza za
nieskończenie duże (K

UR

→ ∞ ). Wówczas przy danym napięciu wyjściowym Uo napięcie

wejściowe różnicowe U

IR

będzie dążyło do zera. Potencjały wejść: odwracającego (—) i

nieodwracającego (+) będą sobie równe. Jednocześnie prąd wejściowy płynący między

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/

regionalnego rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego

Funduszu Społecznego.

2 z 4

wejściami (przez rezystancję wejściową różnicową, której wartość dąży do nieskończoności
— rys.7.1b), jest bliski zeru.

Rys. 7.1 Układ pracy wzmacniacza odwracającego.

Prąd ten nie wytwarza spadku napięcia na rezystorze R3 i rezystancji R

IR

. Stąd

wniosek, że potencjał zera przeniesie się na zacisk wejścia (-), tworząc punkt tzw. masy
pozornej. Przyjęcie założenia, że prąd wejściowy wzmacniacza operacyjnego jest równy zeru
oznacza, że w układzie odwracającym płynie jeden prąd między wyjściem i wejściem.
Uwzględniając, że potencjał wejścia (-) wynosi zero, można zapisać wzór na wartość prądu
w układzie:

=

= −

(7.1)

Wzmocnienie układu, definiuje się jako stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego,
przyjmuje ono wartość:

=

= −

(7.2)

Znak (-) oznacza, że wzmacniacz w tej konfiguracji odwraca fazę. Dla jednakowych wartości
rezystancji układu R

1

=R

2

otrzymuje się inwerter, czyli układ odwracający fazę przy

wzmocnieniu równym jedności.

Rezystancja wejściowa wzmacniacza odwracającego zależy od rezystorów R

1

i R

2

,

tworzących dzielnik napięcia dla sygnału wejściowego i sygnału sprzężenia zwrotnego.
Decydujący wpływ ma rezystor R

1

włączony między wejście i masę pozorną. Wpływ

rezystora sprzężenia zwrotnego R

2

na obwód wejściowy jest zależny od wzmocnienia

napięciowego wzmacniacza z otwartą pętlą K

UR

.

Rezystancja wejściowa R

I

układu przyjmuje

wartość:

=

+

≈

(7.3)

Wartość rezystancji R

3

powinna być równa wartości równolegle połączonych

rezystorów R

1

i R

2

, czyli:

=

(7.4)

Zapewnia to najlepszą kompensację wejściowego napięcia niezrównoważenia, będącego
wynikiem przepływu prądów wejściowych w rzeczywistym wzmacniaczu operacyjnym.

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/

regionalnego rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego

Funduszu Społecznego.

3 z 4

II. Treść zadania.

Mając do dyspozycji wzmacniacz operacyjny uA741dokonaj projektu wzmacniacz
odwracający tak, aby jego wzmocnienie napięciowe wynosiło -6. Dobierz również rezystor
R3

zrównoważenia

układu.

Zmontuj

układ

do

wyznaczenia

charakterystyki

częstotliwościowej zaprojektowanego układu, częstotliwość zmieniaj od 100Hz do 100 kHz.

Tok postępowania:

1. Zapoznaj się z treścią zadania.
2. Dokonaj założeń projektowych (rezystancji).
3. Oblicz elementy układu.
4. Zapisz wielkości w sprawozdaniu.
5. Zmontuj układ.
6. Dokonaj zapisu użytych mierników.
7. Zgłoś gotowość do wykonania pomiarów.
8. Wpisz uzyskane wyniki w tabelę pomiarową.
9. Oblicz wzmocnienie z uzyskanych pomiarów i porównaj je z założenia.
10. Wykreśl charakterystykę K

U

=f(f).

11. Zapisz uwagi i wnioski.

III. Sprawozdanie z ćwiczenia.

1. Założenia projektowe.

2. Obliczenia projektowe

3. Wykaz elementów

Projekt "Modernizacja oferty kształcenia zawodowego w powiązaniu z potrzebami lokalnego/

regionalnego rynku pracy" współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego

Funduszu Społecznego.

4 z 4

4. Schemat układu pomiarowego

5. Tabela pomiarowa

f

U

1

U

2

Ku

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

6. Charakterystyka częstotliwościowa.

7. Uwagi i wnioski