Badanie wzmacniacza operacyjnego
CEL: Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości wzmacniaczy operacyjnych i komparatorów oraz możliwości wykorzystania ich do realizacji bloków funkcjonalnych poprzez dobór odpowiednich sprzężeń zwrotnych.
PRZEBIEG ĆWICZENIA
1.
OGLĘDZINY
Dokonać oględzin badanego wzmacniacza operacyjnego określając jego:
° typ,
° oznaczenie,
° topologię wyprowadzeń,
° rodzaj obudowy.
Zaznajomić się z danymi katalogowymi badanego wzmacniacza operacyjnego.
UWAGA: Karta katalogowa badanego wzmacniacza operacyjnego znajduje w odrębnej instrukcji.
2.
Pomiary charakterystyk przejściowych i parametrów wzmacniacza operacyjnego w układzie odwracającym
2.1.
Wyznaczenie charakterystyki przejściowej wzmacniacza
Dokonać połączenia układu zgodnie z rysunkiem 1. Wzmacniacz zasilamy z zasilacza dwusekcyjnego ustawionego w tryb pracy szeregowej. Ustawić pokrętła Z1 w pozycji „2” a Z2
w położeniu ”3”. Zmienić wartość napięcia podawanego na wejście We1 od wartości około –
12V do +12V za pomocą potencjometru P1. Napięcie wejściowe zmieniać z krokiem dostosowanym do wzmocnienia oraz punktu pracy wzmacniacza. Pomiary powtórzyć dla innych nastaw wartości Z1, Z2 podanych przez prowadzącego. Wyniki pomiaru zapisać w tabeli 1.
UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze V1, V2→ 20V.
UWAGA: Napięcie zasilające wzmacniacz operacyjny większe niż ± 18V zazwyczaj powoduje jego uszkodzenie.
Rys.1. Schemat układu pomiarowego do badania wzmacniacza operacyjnego w układzie odwracają cym
1
Tabela 1. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego w układzie odwracającym
Z1 -2
UWe1 [V] -12,0
-11,0
...
...
...
...
11,0
12,0
Z2 - 3
UWy [V]
Z1 - ...
UWe1 [V] -12,0
-11,0
...
...
...
...
11,0
12,0
Z2 - ...
UWy [V]
3.
Pomiary charakterystyk przejściowych i parametrów wzmacniacza operacyjnego w układzie nieodwracającym
3.1.
Wyznaczenie
charakterystyki
przejściowej
wzmacniacza
w
układzie
nieodwracającym
Dokonać połączenia układu zgodnie z rysunkiem 3. Ustawić pokrętła Z1 w pozycji „2” a Z2 w położeniu „3”. Zmienić wartość napięcia podawanego na wejście We1 od wartości około –
12V do +12V za pomocą potencjometru P1. Napięcie wejściowe zmieniać z krokiem dostosowanym do wzmocnienia oraz punktu pracy wzmacniacza. Pomiary powtórzyć dla innych nastaw wartości Z1, Z2 podanych przez prowadzącego. Wyniki pomiaru zapisać w Tabeli 2.
UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze V1, V2→ 20V.
Rys.2. Schemat układu pomiarowego do badania wzmacniacza operacyjnego w układzie nieodwracają cym
Tabela 2. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego w układzie nieodwracającym
Z1 -2
UWe1 [V] -12,0
-11,0
...
...
...
...
11,0
12,0
Z2 - 3
UWy [V]
2
UWe1 [V] -12,0
-11,0
...
...
...
...
11,0
12,0
Z2 - ...
UWy [V]
4.
Pomiary charakterystyk przejściowych i parametrów wzmacniacza w układzie nieodwracającym – wtórnik
4.1.
Wyznaczenie
charakterystyki
przejściowej
wzmacniacza
w
układzie
nieodwracającym -wtórnika
Ustawić pokrętła Z1, R3, RL w pozycji „∞” a Z2 w położeniu 1 w układzie z rysunku 2.
Zmienić wartość napięcia podawanego na wejście We2 od wartości około –12V do +12V za pomocą potencjometru P1. Napięcie wejściowe zmieniać z krokiem około 3V. Wyniki pomiaru zapisać w Tabeli 3.
UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze V1, V2→ 20V.
Tabela 3. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego w układzie nieodwracającym - wtórnik
Z1 -∞
UWe1 [V] -12,0
-9,0
...
...
...
...
9,0
12,0
Z2 - 1
UWy [V]
5.
Komparator
5.1.
Wyznaczenie charakterystyki przejściowej komparatora bez histerezy
Dokonać połączenia układu zgodnie z rysunkiem 3. Ustawić pokrętła Z2, R3, RL w pozycji
„∞” a Z1 w położeniu „2”. Wejście We2 połączyć z + wejściem wzmacniacza poprzez rezystor Rs1. Pomiędzy We2 a masę układu (⊥) doprowadzić napięcie Udc1 wykorzystując zewnętrzny układ potencjometryczny zasilany napięciem 5V. Napięcie z potencjometru wewnętrznego P1 doprowadzić do wejścia We1. Napięcie wejściowe Udc1 ustawiać z przedziału 0.5V ÷ 2V. Zmienić wartość napięcia podawanego na wejście We2 od wartości około -12V do +12V za pomocą potencjometru P1. Jednocześnie odczytywać napięcia wejściowe i wyjściowe za pomocą woltomierzy cyfrowych. Wyniki pomiarów zapisać w Tabeli 4.
UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze V1, V2→ 20V.
Tabela 4. Wyznaczanie charakterystyki przejściowej komparatora bez histerezy Uwe1 [V]
Uwe2 [V]
Uwy [V]
-12
….
….
12
3
Rys.3. Schemat układu pomiarowego do badania komparatora bez histerezy 5.2.
WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI PRZEJŚCIOWEJ KOMPERATORA Z HISTEREZĄ
W układzie pomiarowym z rys. 3 pokrętło R3 ustawić w położenie „1”. Napięcie wejściowe Udc1 ustawiać z przedziału 0.5V ÷ 2V. Zmienić wartość napięcia podawanego na wejście We2 od wartości około -12V do +12V za pomocą potencjometru P1. Jednocześnie odczytywać napięcia wejściowe i wyjściowe za pomocą woltomierzy cyfrowych. Pomiary wykonywać w obie strony tzn. od -12V do +12V a następnie od +12V do -12V. Pomiary powtórzyć dla pozycji „3” i „5” pokrętła R3. Zamienić miejscami doprowadzone napięcia tzn.
napięcie Udc1 dołączyć do We2, a napięcie z potencjometru P1 dołączyć do We1 i powtórzyć wszystkie pomiary. Wyniki pomiarów zapisać w Tabeli 5.
UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze V1, V2 → 20V.
Tabela 5. Wyznaczanie charakterystyki przejściowej komparatora z histerezą Uwe1 [V]
Uwe2 [V]
Uwy [V]
-12
…
12
12
…
-12
6. OBLICZENIA WYBRANYCH PARAMETRÓW WZMACNIACZA OPERACYJNEGO
6.1 Obliczanie wzmocnienia napięciowego wzmacniacza odwracającego
4
Wzmocnienie teoretyczne wzmacniacza operacyjnego odwracającego obliczamy z zależności:
Z2
k = −
.
u
Z1
Rzeczywiste wzmocnienie układu obliczamy na podstawie wyników z Tabeli 1 ze wzoru:
U WY
k = −
u
U WE1
6.2. Obliczanie wzmocnienia napięciowego wzmacniacza nieodwracającego
Wzmocnienie teoretyczne wzmacniacza operacyjnego nieodwracającego obliczamy z zależności:
Z 2
k = 1 +
.
u
Z 1
Rzeczywiste wzmocnienie układu obliczamy na podstawie wyników z Tabeli 2 ze wzoru:
UWY
k =
u
UWE 2
Sprawozdanie
I. Część formalna:
a) temat ćwiczenia laboratoryjnego,
b) skład zespołu laboratoryjnego,
c) data wykonania ćwiczenia.
II. Część pomiarowa:
a) schemat układu pomiarowego,
b) dane katalogowe badanego wzmacniacza operacyjnego,
c) wykaz przyrządów pomiarowych,
d) wyniki pomiarów zestawione w tabelach.
III. Część wynikowa:
a) obliczenia parametrów wzmacniacza operacyjnego odwracającego:
o rezystancja wejściowa RWE,
o rezystancja wyjściowa RWY,
o teoretyczne i rzeczywiste wzmocnienie napięciowe ku.
b) charakterystyki przejściowe wzmacniacza operacyjnego odwracającego:
o UWY = f(UWE1),
5
o ku = f(f) w skali logarytmicznej.
c) obliczenia parametrów wzmacniacza operacyjnego nieodwracającego:
o rezystancja wejściowa RWE,
o rezystancja wyjściowa RWY,
o teoretyczne i rzeczywiste wzmocnienie napięciowe ku.
d) charakterystyki przejściowe wzmacniacza operacyjnego nieodwracającego i wtórnika: o UWY = f(UWE1),
o ku = f(UWE1),
o ku = f(f) w skali logarytmicznej.
e) charakterystyki przejściowe komparatora bez histerezy:
o UWY = f (UWE1),
o UWY = f (UWE2).
f) charakterystyki przejściowe komparatora z histerezą:
o UWY = f (UWE1),
o UWY = f (UWE2).
IV. Wnioski dotyczące:
o porównania obliczonych rzeczywistych wartości wzmocnień napięciowych z wartościami teoretycznymi,
o porównania obliczonych rzeczywistych wartości rezystancji wejściowych i wyjściowych z wartościami teoretycznymi,
o porównania działania wzmacniacza nieodwracającego oraz wtórnika,
o porównania działania komparatora bez histerezy oraz z histerezą,
o ogólne wnioski dotyczące wzmacniacza operacyjnego.
Wymagania
• symbol, oznaczenie wzmacniacza operacyjnego,
• rodzaje wejść wzmacniacza operacyjnego,
• parametry idealnego wzmacniacza,
• wzmacniacz odwracający – schemat, zasada działania, wzmocnienie napięciowe,
• wzmacniacz nieodwracający – schemat, zasada działania, wzmocnienie napięciowe,
• wzmacniacz nieodwracający w układzie wtórnika – schemat, zasada działania,
• wzmacniacz różnicowy – schemat, zasada działania,
• wzmacniacz sumujący – schemat, zasada działania,
• wzmacniacz całkujący– schemat, zasada działania,
• wzmacniacz różniczkujący – schemat, zasada działania,
• komparator bez histerezy – schemat, zasada działania,
• komparator z histerezą – schemat, zasada działania.
6
Z
Z
R
R
1
2
3
L
Pozycja
Wartość
Pozycja
Wartość
Pozycja
Wartość
Pozycja
Wartość
1
5 kΩ
1
0 Ω
1
20 Ω
1
2 Ω
2
10 kΩ
2
10 kΩ
2
50 kΩ
2
5 kΩ
3
15 kΩ
3
20 kΩ
3
100 kΩ
3
10 kΩ
4
20 kΩ
4
50 kΩ
4
200 kΩ
4
20 kΩ
5
25 kΩ
5
100 kΩ
5
500 kΩ
6
30 kΩ
6
200 kΩ
6
1 MΩ
∞
∞ Ω
7
500 kΩ
∞
∞ Ω
8
1 MΩ
∞
∞ Ω
∞
∞ Ω
C1
0.1 µF
C1
0.1 µF
C2
1.0 µF
C2
1.0 µF
C3
10 µF
C3
10 µF
Rs1
10 kΩ
Rs2
300 kΩ
Rs3
10 MΩ
Literatura
1. Nadachowski M., Kulka Z.: „Scalone układy analogowe” , WKiŁ, Warszawa 1985.
2. Rusek M., Pasierbiński J.: „Elementy półprzewodnikowe: układy scalone w pytaniach i odpowiedziach” . WNT Warszawa 1999r.
3. Nosal Z. Baranowski J.: „Układy elektroniczne. Cz. I. Układy analogowe liniowe”, WNT, Warszawa 2003.
4. Horowitz P., Hill W.: „Sztuka elektroniki” Cz. I, WKiŁ, Warszawa 2003, 7