Zespół Szkół nr 9 im. Romualda Traugutta

w Koszalinie

Temat ćwiczenia: Badanie wzmacniaczy selektywnych RC

Koszalin rok szk. 2002/2003

1. Wstęp

Wzmacniacze selektywnie należą do podstawowych analogowych układów elektronicznych. W zależności od przeznaczenia, do ich budowy stosuje się odpowiednie elementy wzmacniające oraz układy wpływające na jego charakterystykę amplitudową i częstotliwościową.

Zadaniem niniejszej pracy było zapoznanie się z zasadą działania, zaprojektowanie i wykonanie wzmacniaczy selektywnych o zróżnicowanych konfiguracjach układów pasywnych pracujących w pętlach sprzężenia zwrotnego. Wzmacniacze te z założenia miały posiadać różnie rodzaje układów elektronicznych wpływających na ich charakterystyki.

W pracy jako bierne układy selektywne RC zastosowano mostek Wiena oraz układ podwójne T. Zaprojektowane układy zostały fizycznie wykonane w postaci dydaktycznego stanowiska laboratoryjnego umożliwiającego wyznaczenie charakterystyk amplitudowo-częstotliwościowych mostka Wiena, układu podwójne T oraz wzmacniaczy z mostkiem Wiena i z układem podwójne T.

W niniejszym opracowaniu opisano zasadę działania wykonanych układów biernych oraz wzmacniaczy selektywnych (filtrów aktywnych), przedstawiono podstawowe schematy ideowe i montażowe oraz wykonano instrukcję do dydaktycznego ćwiczenia laboratoryjnego, które można realizować w oparciu o wykonane układy.

2. Zasada działania układów.

Zadaniem wzmacniaczy selektywnych (filtrów aktywnych) jest transmisja sygnałów zmiennych o wybranym zakresie częstotliwości zwanym pasmem przenoszenia układu a tłumienie sygnałów poza tym pasmem. Przebieg charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej (z pasmami przenoszenia lub tłumienia) może być różny zależnie od stawianych wymagań. Istotnymi elementami wzmacniaczy selektywnych są bierne układy selektywne elementów elektronicznych RC. Charakterystycznymi parametrami układów selektywnych są częstotliwość graniczna dla układów dolno- i górnoprzepustowych oraz częstotliwość środkowa

(f₀ = 
)

dla układów pasmowoprzepustowych. Układ dolnoprzepustowy charakteryzuje się dużym wzmocnieniem sygnałów o częstotliwości wyższej od granicznej, natomiast układ górnoprzepustowy posiada charakterystykę odwrotną.

Rys. 1. Charakterystyki przenoszenia wzmacniaczy selektywnych a) dolnoprzepustowych b) gównoprzepustowych.

Układ pasmowoprzepustowy charakteryzuje się dużym wzmocnieniem zmiennych sygnałów o częstotliwościach zbliżonych do częstotliwości środkowej układu selektywnego, natomiast tłumi sygnały o częstotliwościach różniących się od niej. Układ środkowoprzepustowy zachowuje się odwrotnie.

Rys. 2. Charakterystyki przenoszenia wzmacniaczy selektywnych a) pasmowoprzepustowych b) pasmowozaporowych.

Wzmacniacz selektywny, obok selektywnych układów biernych RC lub RLC zawiera jeden lub kilka wzmacniaczy operacyjnych.

Zrealizowane w ramach niniejszej pracy układy selektywne RC w postaci mostka Wiena oraz czwórnika typu podwójne T, pracują w gałęzi ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego. Powoduje to, że w odróżnieniu od układu z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, skonstruowane wzmacniacze selektywne należą do grupy pasmowoprzepustowych. Efekt ten uzyskuje się dzięki objęciu wzmacniacza pojedynczą pętlą sprzężenia zwrotnego oporowo-pojemnościowym czwórnikiem mostkowym, który przy częstotliwości f₀ posiada transmitancję równą zeru.

Wzmacniacze selektywne są w większości zastosowań lepsze niż układy selektywne bierne np. RLC. Zalety wzmacniaczy selektywnych są szczególnie widoczne w zakresie małych częstotliwości, gdyż unika się w rym przypadku stosowania kłopotliwych w wykonaniu cewek o dużych indukcyjnościach niezbędnych w układach biernych. Zakres częstotliwości, w którym pracują wzmacniacze selektywne zawiera się w przedziale od 0,001 Hz do 20 kHz. Dokładność dostrojenia jest duża w stosunku do układów biernych. Strojenia dokonuje się za pomocą rezystora, podczas gdy układy biernie stroi się cewką lub kondensatorem, co jest kłopotliwe. Selektywny układ bierny działa na zasadzie tłumienia sygnału, zaś wzmacniacz selektywny może wzmacniać sygnał, co jest jego dużą zaletą.

Szczególnie przydatne do realizacji wzmacniaczy selektywnych RC są scalone wzmacniacze operacyjne, przede wszystkim ze względu na dużą impedancję wejściową, małą impedancję wyjściową, duże wzmocnienie i mały koszt. W skonstruowanych w ramach niniejszej pracy układach pomiarowych wykorzystano układ scalony typu UCY7741, natomiast selektywne układy bierne w postaci czwórnika podwójne T i mostka Wiena.

Rys. 3. Układ typu podwójne T.

Rys. 4. Układ mostka Wiena.

Jak już wspomniano bierne układy RC mogą pracować zarówno w gałęzi dodatniego i ujemnego sprzężenia zwrotnego. Wzmacniacze selektywne z dodatnim sprzężeniem zwrotnym pracują zwykle blisko granicy samowzbudzenia, co utrudnia utrzymanie stabilnych warunków pracy wzmacniaczy. Pomimo to są one często stosowane w praktyce jako znacznie prostsze od układów z gałęzią ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Zastosowanie mostka Wiena w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego daje układ selektywny pasmowozaporowy, a przy zastosowaniu ujemnego sprzężenia zwrotnego daje układ selektywny środkowoprzepustowy. Układ podwójne T jest stosowany przede wszystkim w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego, co umożliwia uzyskanie środkowoprzepustowej charakterystyki wzmacniacza selektywnego. Wzmacniacze, w  których zastosowano układy operacyjne pracują jako wtórniki scalone (układy o wzmocnieniu napięciowym równym 1) lub jako układy o nieskończenie dużym wzmocnieniu (z otwartą pętlą). Wzmacniacz pracujący z układem operacyjnym o wzmocnieniu równym 1 charakteryzuje się dużą stabilnością nawet przy dużym spadku amplitudy. Wzmacniacze pracujące w filtrach jako układy o nieskończenie dużym wzmocnieniu odznaczają się większą czułością i wzmocnieniem niż układy o wzmocnieniu równym 1.

Rys. 5. Wzmacniacz selektywny z mostkiem Wiena.

Rys. 6. Wzmacniacz selektywny z układem podwójne T.

5

5

Badanie wzmacniaczy selektywnych RC.

2

Badanie wzmacniaczy selektywnych RC

f₀ =

f₀ =

---