C

´ wicz. 8

WZMACNIACZ OPERACYJNY ZASTOSOWANIA LINIOWE

Rok akad.

1999/2000

Zespół:

Imie˛ i Nazwisko

Ocena

Data wykonania c´wicz.

Nr wkład-

ki:

Prowadza˛cy zaje˛cia

..........................

w

Σ

1.

Cze˛s´c´ projektowa c´wiczenia

1.1.

Projekt układu do pomiaru parametrów impulsowych wzmacniaczy o wzmocnieniu równym
+1 V/V i -1 V/V.

1.1.1.

Na rys. S1 pokazane sa˛ schematy wzmacniaczy napie˛ciowych o wzmocnieniu -1 V/V i +1
V/V. Uzupełnij je wartos´ciami rezystancji wszystkich rezystorów (z zakresu od 2,0 k

Ω

do 5,1

k

Ω

). Schematy montaz˙owe tych wzmacniaczy umies´c´ na rys. S2 i S3. Zaznacz, do którego

wejs´cia podła˛czysz z´ródło sygnału i które wyjs´cie poła˛czysz z oscyloskopem.

Rys.S1. Schematy ideowe wzmacniaczy o wzmocnieniu k

uf0

:

a) -1V/V, b) +1V/V.

1.1.2.

Na rys.S4 narysuj schemat blokowy układu, który be˛dzie słuz˙ył do pomiaru czasów narastania
oraz maksymalnej szybkos´ci zmian napie˛cia na wyjs´ciach wzmacniaczy z rys.S1. Pamie˛taj o
doła˛czeniu sygnału wyzwalaja˛cego do oscyloskopu, który powinien pracowac´ z wyzwalaniem
zewne˛trznym.

1.1.3.

W poniz˙szej ramce zapisz zalez˙nos´c´ mie˛dzy górna˛ 3-decybelowa˛ cze˛stotliwos´cia˛ graniczna˛
układu o jednobiegunowej charakterystyce amplitudowej a czasem narastania odpowiedzi na
skok jednostkowy:

f

g(3dB)

= f(t

n

) =

Zakładaja˛c, z˙e wzmacniacz operacyjny µA741 posiada wzmocnienie dla małych cze˛stotliwos´ci równe
200 000 V/V ±20% oraz biegun dominuja˛cy o cze˛stotliwos´ci 5 Hz ±20%, wyznacz, jakich wartos´ci
czasów narastania moz˙esz sie˛ spodziewac´ (oprócz wartos´ci podaj takz˙e sposób jej wyznaczenia):

ELIU - c´w. 8

Wzmacniacz operacyjny - zastosowania liniowe

2

Dla wzmacniacza odwracaja˛cego:

tn

min

=

tn

max

=

Dla wzmacniacza nieodwracaja˛cego:

tn

min

=

tn

max

=

Rys.S2. Schemat montaz˙owy układu z rys.S1a.

Rys.S3. Schemat montaz˙owy układu z rys.S1b.

Rys.S4. Schemat blokowy układu do pomiarów parametrów impulsowych wzmacniaczy.

INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH PW - 1999

ELIU - c´w. 8

Wzmacniacz operacyjny - zastosowania liniowe

3

1.2.

Projekt wzmacniacza napie˛ciowego o zadanej charakterystyce cze˛stotliwos´ciowej

1.2.1.

Poniz˙ej wykres´l asymptotyczna˛ ampltudowa˛ charakterystyke˛ cze˛stotliwos´ciowa˛ projektowanego
przez Ciebie wzmacniacza:

Rys.S5. Szkic zadanej asymptotycznej amplitudowej charakterystyki cze˛stotliwos´ciowej wzmacniacza.

1.2.2.

Projekt wzmacniacza napie˛ciowego ze wzmacniaczem operacyjnym, o zadanej charakterystyce
cze˛stotliwos´ciowej zamies´c´ w doła˛czonym do protokołu opracowaniu wste˛pnym. Moduł
impedancji wejs´ciowej zaprojektowanego wzmacniacza nie moz˙e byc´ mniejszy niz˙ 2k

Ω

.

Schemat ideowy zaprojektowanego wzmacniacza przedstaw na rys. S6, a na rys. S8 - jego
schemat montaz˙owy (zrealizowany na wybranej wkładce).

Rys.S6. Schemat ideowy wzmacniacza o zadanej
charakterystyce cze˛stotliwos´ciowej.

INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH PW - 1999

ELIU - c´w. 8

Wzmacniacz operacyjny - zastosowania liniowe

4

1.2.3.

Napisz jakie elementy musiały zostac´ dodane (i dlaczego), aby zapewnic´ poprawna˛ prace˛
układu w całym badanym zakresie cze˛stotliwos´ci:

1.2.4.

Na doła˛czonym do sprawozdania arkuszu papieru milimetrowego lub logarytmicznego zamies´c´
przewidywana˛ asymptotyczna˛ charakterystyke˛ cze˛stotliwos´ciowa˛ realizowanego wzmacniacza,
wyznaczona˛ z uwzgle˛dnieniem ograniczen´ cze˛stotliwos´ciowych wnoszonych przez wzmacniacz
operacyjny oraz wpływu elementów dodanych w celu zapewnienia poprawnej pracy układu.
Na tym samym układzie współrze˛dnych sporza˛dzisz naste˛pnie wykres zmierzonej
charakterystyki cze˛stotliwos´ciowej.
Na

rysunku

S7

przedstaw

schemat

blokowy

układu

do

pomiaru

charakterystyk

cze˛stotliwos´ciowych.

Rys. S7. Schemat blokowy układu do pomiarów charakterystyk
cze˛stotliwos´ciowych wzmacniacza.

INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH PW - 1999

ELIU - c´w. 8

Wzmacniacz operacyjny - zastosowania liniowe

5

Rys.

S8.

Schemat

montaz˙owy

wzmacniacza

o

zadanej

charakterystyce cze˛stotliwos´ciowej

INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH PW - 1999

ELIU - c´w. 8

Wzmacniacz operacyjny - zastosowania liniowe

6

2.

Cze˛s´c´ pomiarowa c´wiczenia.

2.1.

Impulsowy pomiar szerokos´ci pasma oraz maksymalnej pre˛dkos´ci zmian napie˛cia na wyjs´ciu
układów odwracaja˛cego i nieodwracaja˛cego o wzmocnieniu k

uf0

≈

1.

2.1.1.

Zmontuj kolejno dwa układy pomiarowe, według schematów przygotowanych na rysunkach
S2, S3 i S4.
Przeprowadz´ obserwacje˛ przebiegów na wyjs´ciu wzmacniacza przy róz˙nych amplitudach fali
prostoka˛tnej na wejs´ciu. Wybierz odpowiednie przebiegi nadaja˛ce sie˛ do wyznaczenia pasma
wzmacniacza oraz inne, pozwalaja˛ce na wyznaczenie maksymalnej szybkos´ci zmian na
wyjs´ciu. Wybrane przebiegi naszkicuj dokładniej na rysunkach zamieszczonych na doła˛czonym
do sprawozdania arkuszu papieru milimetrowego.

2.1.2.

Na wybranych przebiegach zmierz i zanotuj w tabeli 1 wartos´ci niezbe˛dne do okres´lenia
pasma wzmacniaczy. Obliczone wartos´ci czasów narastania i górnej cze˛stotliwos´ci granicznej
badanych wzmacniaczy umies´c´ równiez˙ w tabeli 1.

Tabela 1

Parametr

Y

[dz]

skala

[mV/dz]

ampl.

skoku

X(t

n

)

[dz]

skala

[µs/dz]

t

n

[µs]

f

g

[kHz]

Wzm.
odwr.

Wzm.
nieodwr.

2.1.3.

Na wybranych przebiegach zmierz i zanotuj w tabeli 2 wartos´ci niezbe˛dne do okres´lenia
maksymalnej szybkos´ci zmian napie˛cia wyjs´ciowego obu wzmacniaczy.

Tabela 2

Parametr

Y(SR)

[dz]

skala

[V/dz]

X(SR)

[dz]

skala

[µs/dz]

SR

[V/µs]

Wzm. odwr.

Wzm.
nieodwr.

2.1.4.

Poniz˙ej zamies´c´ odpowiedzi na naste˛puja˛ce zagadnienia: (jes´li braknie miejsca, dokon´cz na
odwrocie strony, lub doła˛czonej kartce)

a)

Dla jakiej amplitudy skoku napie˛cia na wyjs´ciu moz˙na przeprowadzac´ pomiar pasma
wzmacniacza, a dla jakiej pomiar maksymalnej pre˛dkos´ci zmian napie˛cia na wyjs´ciu?
Odpowiedz´ uzasadnij teoretycznie.

b)

Czy uzyskane wyniki zgadzaja˛ sie˛ z teoretycznymi przewidywaniami? Czym tłumaczysz
ewentualne rozbiez˙nos´ci?

c)

Oszacuj dokładnos´c´ pomiarów.

INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH PW - 1999

ELIU - c´w. 8

Wzmacniacz operacyjny - zastosowania liniowe

7

2.2.

Pomiary charakterystyk cze˛stotliwos´ciowych wzmacniacza napie˛ciowego o kształtowanej
charakterystyce cze˛stotliwos´ciowej

2.2.1.

Wyniki pomiarów niezbe˛dnych do wykres´lenia amplitudowej charakterystyki cze˛stotliwos´-
ciowej |k

uf

(f)| wzmacniacza zbierz w tabeli 3. Wykres charakterystyki umies´c´ na doła˛czonym

do sprawozdania arkuszu papieru milimetrowego lub logarytmicznego (tym samym, na którym
w domu wykres´liłes´ teoretyczna˛ charakterystyka˛ asymptotyczna˛).

Tabela 3

Dzielnik wejs´ciowy: 1, 1/10, 1/100, 1/1000

Dzielnik wyjs´ciowy: 1, 1/2

(zakres´l uz˙ywane wartos´ci dzielnika)

f

[kHz]

E

m,g

[mV]

(zmierzone)

U

m,wy

[V]

(zmierzone)

k

uf,lin

[V/V]

k

uf

[dB]

2.2.2.

Poniz˙ej zamies´c´ odpowiedzi na naste˛puja˛ce zagadnienia: (jes´li braknie miejsca, dokon´cz na
odwrocie strony, lub na doła˛czonej kartce)

a)

Oszacuj dokładnos´c´ pomiaru wzmocnienia

b)

Czy uzyskana charakterystyka amplitudowa zgadza sie˛ z zadana˛?
Jakie rozbiez˙nos´ci wynikaja˛ z koniecznos´ci zastosowania elementów dodatkowych, a jakie z
ograniczonego pasma wzmacniacza operacyjnego?

c)

Dla jakich cze˛stotliwos´ci wyste˛puja˛ najwie˛ksze róz˙nice mie˛dzy zadana˛ charakterystyka˛
asymptotyczna˛ a uzyskana˛ charakterystyka˛ amplitudowa˛?

d)

W jaki sposób rezystancja wyjs´ciowa generatora wpływa na uzyskana˛ charakterystyke˛?

INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH PW - 1999

ELIU - c´w. 8

Wzmacniacz operacyjny - zastosowania liniowe

8

2.3.

Obserwacja pracy wzmacniacza o kształtowanej charakterystyce cze˛stotliwos´ciowej w
nietypowych warunkach

2.3.1.

Obserwacja przesterowania wzmacniacza

Doprowadz´ do wejs´cia wmacniacza napie˛cie sinusoidalne o dostatecznie duz˙ej amplitudzie i
cze˛stotliwos´ci takiej, dla której badany wzmacniacz ma dostatecznie duz˙e wzmocnienie, tak
aby uzyskac´ na wyjs´ciu przebieg ze zniekształceniami spowodowanymi ograniczaniem
napie˛cia przez wzmacniacz operacyjny. Zmniejszaj naste˛pnie amplitude˛ do chwili, gdy
zniekształcenia przestana˛ byc´ widoczne.
Maksymalna amplituda niezniekształconego przebiegu wyjs´ciowego (zmierzona oscyloskopem)
wynosiła:

U

m, wy max

=

Odpowiadaja˛ca jej amplituda napie˛cia wejs´ciowego wynosiła:

U

m, we max

=

A cze˛stotliwos´c´ sygnału była równa

f=

2.3.2.

Poniz˙ej zamies´c´ odpowiedzi na naste˛puja˛ce zagadnienia:

a)

Uzasadnij uzyskana˛ wartos´c´ maksymalnego i minimalnego napie˛cia na wyjs´ciu wzmacniacza
operacyjnego.

2.3.3.

Obserwacja wpływu elementów "nadmiarowych" na prace˛ wzmacniacza

Jes´li w trakcie projektowania wzmacniacza, lub jego uruchamiania w laboratorium okazało sie˛,
z˙e konieczne jest uzupełnienie go o elementy nie zwia˛zane bezpos´rednio z realizacja˛ zadanej
charakterystyki cze˛stotliwos´ciowej, zbadaj jak ich usunie˛cie (tzn. zasta˛pienie zwarciem, albo
rozwarciem, zgodnie z pierwotnym projektem) wpłynie na prace˛ wzmacniacza.
Opisz poniz˙ej i wyjas´nij wyniki przeprowadzonych eksperymentów.

INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH PW - 1999