Laboratorium Podstaw Elektroniki i Miernictwa
Badanie podstawowych układów wzmacniaczy operacyjnych
Rok: Kierunek:	data wykonania ćwiczenia:	data oddania sprawozdania:	Wykonał:

Cel ćwiczenia:

- badanie wzmacniacza operacyjnego jako precyzyjnego wzmacniacza napięciowego analogowego;

- badanie wzmacniacza operacyjnego jako wzmacniacza sumującego i mnożącego;

- badanie wzmacniacza operacyjnego jako komparatora;

- badanie wzmacniacza operacyjnego jako układu całkującego.

Teoria

Wzmacniacz operacyjny jest wysoko-napięciowym wzmacniaczem o wysokiej wejściowej impedancji, szeroko zakresowym odwracającym wzmacniaczem, którego napięcie wyjściowe jest równe zeru, kiedy na wejściu napięcie wynosi zero Voltów. Symbol wzmacniacza operacyjnego przedstawiono poniżej.

Wzmacniacz operacyjny jest zasilany dwoma zasilaczami mocy (nie przedstawionymi na rys.) o przeciwnej polaryzacji. Najczęściej wzmacniacz operacyjny posiada dwa wejścia: wejście odwracające i nieodwracające. Symbol logiczny dla tego typu wzmacniacza jest przedstawiony poniżej.

Historycznie, wzmacniacz operacyjny był pierwszym wzmacniaczem wykorzystującym sprzężenie zwrotne pomiędzy wyjściem i wejściem. Kiedy sprzężenie zwrotne jest zrealizowane, wówczas wzmocnienie wzmacniacza zależy od parametrów sprzężenia zwrotnego. Sprzężenie zwrotne umożliwia wykonywanie operacji matematycznych: dodawania, mnożenia, dzielenia, różniczkowania i całkowania zastosowanych przebiegów i dzięki temu był on (wzmacniacz) wykorzystywany jako podstawowy element komputerów analogowych.

Rozpatrujemy wzmacniacz operacyjny z pętlą sprzężenia zwrotnego przedstawiony na rys. poniżej.

Przedstawimy pokrótce, że punkt A wzmacniacza, wejście wzmacniacza jest o napięciu prawie 0 Voltów i punkt A jest wirtualną masą wzmacniacza. Stosując napięcie wejściowe Uwe = - 1V, jeśli punkt A jest wirtualną masą, to prąd o wartości 1 mA musi płynąc od punktu A do Uwe przez rezystor 1 kOhm. Z uwagi na to, że punkt A charakteryzuje się wysoką impedancją, to prąd poprzez wzmacniacz nie płynie, lecz przez rezystor 5 kOhm. Z uwagi na to, że punkt A jest wirtualna masą, napięcie na wyjściu wzmacniacza wynosi 5 V (1 mA x 5 kOhm). Zaniedbując zmianę polaryzacji czy fazy pomiędzy wejściem a wyjściem, wzmocnienie układu wynosi 5, a wzmocnienie jest realizowane poprzez rezystor 5 kOhm. W praktycznych rozwiązaniach wzmocnienie napięciowe wzmacniacza operacyjnego wynosi nawet 50 000 z wejściową impedancją wynoszącą 500 kOhm. Jeśli napięcie wyjściowe wynosi 5 V wówczas napięcie w punkcie A wynosi 10^-4 V. Jest to wartość bardzo zbliżona do wartości 0 V w porównaniu do -1 V i z sygnałem wyjściowym wynoszącym 5 V spełniając założenie wyjściowe, że napięcie w punkcie A wynosi 0 V.

Wyposażenie stanowiska

Przebieg ćwiczenia

1.

a) wzmacniacz operacyjny jako analogowy, napięciowy układ mnożący

Wykorzystując oscyloskop wykonać pomiary napięcia w punktach A, C, X. Dla każdej otrzymanej wartości wykreślić wykres V_X = f(V_A)(V_A - horizontal; V_X - vertical), wyniki pomiarów zapisać w Tabeli 1.

Rys. 1 Napięciowy układ mnożący

Tabela 1. Napięciowy układ mnożący

VA	VC	VX
1 V/div	0.1 V/div	5 V /div
0
+1
+2
+4
+8
+12
-1
-2
-4
-8
-12

b) Wzmacniacz operacyjny jako analogowy napięciowy układ mnożący - oscyloskop (generator podstawy czasu x-y)

Połączyć wyjście generatora fali sinusoidalnej (sygnał 30 Vpp, 200 Hz) z wejściem horizontal oscyloskopu i rezystorem 1 kOhm (Rys. 2). Naszkicować otrzymany przebieg zaobserwowany na ekranie oscyloskopu. Wzmocnienie napięciowe w układzie oscyloskopu ustawić na 5 V/div.

Rys. 2. Wzmacniacz operacyjny jako analogowy napięciowy układ mnożący

Przebieg z ekranu oscyloskopu

2. Wzmacniacz operacyjny jako sumator analogowy - mnożnik

Zmierzyć napięcie w punkcie X przy użyciu oscyloskopu w układzie przedstawionym na Rys. 3, a wyniki obserwacji zanotować w Tabeli 2.

Rys. 3 Wzmacniacz operacyjny jako sumator analogowy - mnożnik

Tabela 2.

VA	VB	VX
1 V/div	0.1 V/div	5 V /div
0	0
0	+1
+1	0
+1	+1

3. Wzmacniacz operacyjny jako komparator napięcia

Połączyć układ według Rys.4. Wykorzystać oscyloskop do wszystkich pomiarów. Dla każdej wartości napięcia V_B w Tabeli 3 zmieniać ustawienia potencjometru celem wyznaczenia napięcia w punkcie A, przy którym następuje gwałtowna zmiana napięcia V_X. Wyniki pomiarów zapisać w Tabeli 3.

Rys.4. Wzmacniacz operacyjny jako komparator napięcia

Tabela 3.

VB	VA
0
+0.5
+1.0
+1.5
-0.5
-1.0

4. Układ całkujący

Zrealizować układ według Rys. 6. Ustawić generator fali prostokątnej lub układ odchylania oscyloskopu w taki sposób aby otrzymać przebieg przedstawiony na rysunku poniżej (Rys.5). Zaobserwować przebieg napięcia V_x na ekranie oscyloskopu

Rys.5. Przebieg układu całkującego

Rys. 6. Układ całkujący

5. Generator impulsów o zmiennej szerokości

Zrealizować układ według Rys. 7.

Rys. 7. Generator impulsów o zmiennej szerokości

1. Dioda Zenera D1 nie połączona z pinem 10 wzmacniacza operacyjnego 2.

1. Ustawić potencjometr tak, aby otrzymać napięcie V_X o przebiegu kwadratowym (SW). Zmierzyć V_A, a wartość wpisać do Tabeli 4, linia 3.

2. Powtórzyć czynność 1 ale tak ustawić potencjometr, aby część dodatnia przebiegu zajmowała 25% okresu, a wartość napięcia V_A wpisać do tabeli 4, linia 2.

3. Powtórzyć czynność 1 ale tak ustawić potencjometr, aby część dodatnia przebiegu nie była już widoczna, a wartość napięcia V_A wpisać do tabeli 4,.

4. Powtórzyć czynność 1 ale tak ustawić potencjometr, aby część dodatnia przebiegu zajmowała 75% okresu, a wartość napięcia V_A wpisać do tabeli 4, linia 4.

5. Powtórzyć czynność 1 ale tak ustawić potencjometr, aby część dodatnia przebiegu zajmowała 100% okresu, a wartość napięcia V_A wpisać do tabeli 4, linia 5.

2. naszkicować przebieg V_X dla 50% okresu (SW) Rys 8, b

3. połączyć diodę ZENERA pomiędzy punktem X i masą układu (Rys.7). Zmieniać ustawienie potencjometru tak, aby otrzymać przebieg dla VX 50% okresu. Przebieg naszkicować na Rys. 8 c.

Rys. 8. Przebiegi

Dyskusja

1. 1 część ćwiczenia. Podać zmierzone wzmocnienie napięciowe V_X/V_A dla:

1. V_A = +1 V ...................

2. V_A = +2 V ...................

3. V_A = -1 V ……………

4. V_A = -2 V ……………

Porównać otrzymane wyniki z teoretycznym wzmocnieniem napięciowym, co wyznacza teoretyczne wzmocnienie napięciowe I jego precyzję?

2. Obliczyć napięcie w punkcie X

3. Wyjaśnić działanie obwodu Rys.7. z diodą ZENERA.

---