Politechnika Śląska w Gliwicach
Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki
Laboratorium Podstaw Elektroniki
dla kierunku Automatyka i Robotyka
Temat ćwiczenia:
Zastosowanie wzmacniacza operacyjnego
Ćwiczenie wykonano:
19.04.2012r., godz. 15.00
Grupa 5, sekcja 5:
Agnieszka Ziebura
Jacek Kałuża
Marcin Skiba
Gliwice 2012
Celem ćwiczenia było zobrazowanie charakterystyk wzmacniacza operacyjnego znajdującego
się w różnych konfiguracjach. Ćwiczenie zostało podzielone na cztery zadania.
Zadanie 1.
Badanie wzmacniacza operacyjnego odwracającego fazę.
Na wejście odwracające ( - ) wzmacniacza podawaliśmy napięcie stałe. Wejście
nieodwracające ( + ) podłączone jest do masy. Zastosowana jest pętla ujemnego sprzężenia
zwrotnego.
Rysunek 1
R1 = 5k1, R2 = 10k, R3 = 5k1
Charakterystyka wzmacniacza operacyjnego odwracającego
fazę:
15
UWY [V]
10
5
0
UWE [V]
-12 -7 -2 3 8 13
-5
-10
-15
Wykres 1
Zadanie 2.
Badanie wzmacniacza operacyjnego nieodwracającego fazy.
Na wejście nieodwracające ( + ) wzmacniacza podawaliśmy napięcie stałe. Wejście
odwracające ( - ) podłączone jest do masy. Zastosowana jest pętla ujemnego sprzężenia
zwrotnego.
Rysunek 2
R1 = 5k1, R2 = 10k, R3 = 5k1
Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego
nieodwracajęcego fazy:
15
UWY [V]
10
5
0
UWE [V]
-7 -5 -3 -1 1 3 5 7
-5
-10
-15
Wykres 2
Zadanie 3.
Badanie wzmacniacza operacyjnego będącego w układzie stanowiącym komparator napięć
z pętlą histerezy.
Na wejście odwracające ( - ) wzmacniacza podawaliśmy napięcie stałe, które zmienialiśmy
w zakresie od -2 V do 2 V. Na wejście nieodwracające ( + ) podawaliśmy stałe napięcie UN,
które w naszym wypadku wynosiło 0 V. Wyjście połączono z masą poprzez dwie diody
Zenera (jedną spolaryzowaną w kierunku zaporowym, a drugą w kierunku przewodzenia).
Zastosowano także dodatnią pętlę sprzężenia zwrotnego.
Rysunek 3
R1 = 5k1, R2 = 10k, R3 = 200k, R4 = 5k1
Charakterystyka dyskryminatora napięcia z histerezą:
7
UWY [V]
5
3
Przebieg dla
napięcia
progowego
1
UN2
UWE [V]
-2,5 -1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5
-1
Przebieg dla
napięcia
progowego
-3
UN1
-5
-7
Wykres 3
Zadanie 4.
Badanie wzmacniacza operacyjnego będącego w układzie stanowiącym ogranicznik napięcia
z diodami Zenera.
Na wejście odwracające ( - ) wzmacniacza podawaliśmy napięcie stałe. Wejście
nieodwracające ( + ) zostało zwarte do masy. Zastosowano pętlę ujemnego sprzężenia
zwrotnego z równolegle połączonymi diodami Zenera (jedną spolaryzowaną w kierunku
zaporowym, a drugą w kierunku przewodzenia) i rezystorem.
Rysunek 4
R1 = 5k1, R2 = 5k1, R3 = 10k
Charakterystyka ogranicznika napięcia z diodami Zenera:
6
UWY [V]
4
2
0
UWE [V]
-15 -10 -5 0 5 10 15
-2
-4
-6
Wykres 4
Wnioski:
Układ pierwszy z rysunku nr 1 to wzmacniacz odwracający fazę. Wzmacnia on napięcie
podane na wejście odwracające fazę. Współczynnik wzmocnienia układu oblicza się ze
wzoru: . Wykres nr 1, który uzyskaliśmy na podstawie pomiarów wykonanych
podczas badania wspomnianego układu, nie przechodzi przez punkt 0V (w naszym przypadku
przechodzi przez punkt -0,005V), co jest związane z wejściowym napięciem
niezrównoważenia.
Wzmacniacz ten na wyjściu nie może wystawić większego napięcia niż napięcie zasilania,
a więc od pewnego napięcia wejściowego wzmacniacz się nasyca i na wyjściu ustala się stała
wartość bliska napięciu zasilania. Można to zaobserwować na wykresie nr 1.
Układ nr 2 to wzmacniacz nieodwracający fazy (rysunek nr 2). Współczynnik wzmocnienia
tego układu wyznacza się wzorem: . Również w tym przypadku możemy zauważyć
nasycanie się wzmacniacza oraz wpływ wejściowego napięcia niezrównoważenia na
przesunięcie charakterystyki UWY=f(UWE) (wykres nr 2).
Kolejnym układem, który badaliśmy był komparator napięcia z histerezą (rysunek nr 3).
Histereza realizowana jest poprzez dodanie sprzężenia zwrotnego. W zależności od
aktualnego napięcia na wyjściu, na wejściu nieodwracającym ( + ) pojawia się inne co do
wartości napięcie progowe UN. Po przekroczeniu tego napięcia na wejściu odwracającym
( - ) zmienia się napięcie na wyjściu na przeciwne. W konsekwencji zmienia się także
napięcie progowe UN na wejściu nieodwracającym ( + ), co prowadzi do pojawienia się
histerezy. Napięcie histerezy zależy od głębokości dodatniego sprzężenia zwrotnego, czyli od
stosunku . Napięcie na wyjściu jest ograniczone i jest sumą napięć Zenera
i przewodzenia diod ą(Udz1 + Updz2), co również wpływa na napięcie histerezy.
Ostatnim z badanych układów był ogranicznik napięcia z diodami Zenera (rysunek nr 4).
Dopóki napięcie na R3 jest mniejsze od sumy napięcia przewodzenia i napięcia Zenera diod,
to układ działa jak zwykły wzmacniacz odwracający o wzmocnieniu . Gdy napięcie na
rezystorze R3 osiągnie wartość napięcia przewodzenia układu diod, to dalszy wzrost
wyjściowego napięcia jest związany z niezerowymi rezystancjami dynamicznymi diod, co
można zauważyć na wykresie nr 4.