POLITECHNIKA ŚLĄSKA ROK:1999/2000

Wydział - ELEKTRYCZNY

Kierunek - ELEKTROTECHNIKA

Studia - DZIENNE INŻYNIERSKIE

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

TEMAT: Badanie wzmacniacza operacyjnego.

GRUPA E1

SEKCJA 1

Paweł ORMAŃSKI

Marcin POLAK

Mariusz KNOP

Konrad JAROSZEK

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z parametrami wzmacniaczy operacyjnych oraz poznanie podstawowych układów pracy wzmacniaczy. W ćwiczeniu zostały zbadane trzy układy pracy wzmacniacza :

• wzmacniacz odwracający ,

• wzmacniacz nieodwracający ,

• wtórnik napięciowy.

2. Wprowadzenie.

Wzmacniaczem operacyjnym nazywa się powszechnie wzmacniacz prądu stałego o dużym wzmocnieniu, w którym wykorzystuje się silne ujemne sprzężenie zwrotne do regulacji kształtu przebiegu wyjściowego. Obecnie nazwą wzmacniaczy operacyjnych objęte są również wzmacniacze prądu stałego bez sprzężenia zwrotnego, w których właściwości operacyjne są uzależnione wyłącznie od elementów zewnętrznych, a nie od parametrów samego wzmacniacza bez sprzężenia zwrotnego.

Wzmacniacze operacyjne są podstawowymi układami maszyn liczących. Są szeroko stosowane w przetwornikach cyfrowo-analogowych i analogowo-cyfrowych w układach pomiarowych itp.

Przy omawianiu zasady działania i właściwości wzmacniacza operacyjnego można go traktować jako czwórnik czynny, nie interesując się jego wewnętrzną konstrukcją; można go traktować jako układ idealny lub rzeczywisty. Wzmacniacz operacyjny idealny różni się od rzeczywistego wartościami wzmocnienia, impedancji wejściowej i wyjściowej.

Idealny wzmacniacz operacyjny powinien mieć:

- nieskończenie wielką impedancję wejściową,

- nieskończenie wielki współczynnik wzmocnienia,

- impedancję wyjściową równą zeru (napięcie wyjściowe niezależne od obciążenia )

- liniową zależność napięcia wyjściowego od wejściowego,

• niestabilność poziomu zerowego równą zeru ( jeśli na wejściu napięcie jest równe zeru , to na wyjściu jest również równe zeru ),

• nieograniczone pasmo przenoszenia.

W rzeczywistych wzmacniaczach operacyjnych spełnienie powyższych warunków jest niemożliwe. Układy wzmacniaczy operacyjnych budowane są tak ,aby ich parametry były możliwie zbliżone do idealnych.

3. Wzmacniacz odwracający.

Schemat pomiarowy.

R2

R1 + 15V

-

MAA 504

Uwe Uwy

+

- 15V

R3

15 k

C1 C2

Tabele pomiarowe.

Układ wzmacniacza odwracającego fazę:

U1 [V]	U2 [V]	Ku	R1 [k]	R2 [k]	Uwagi
1,9	20	10,53	10	100	f=2kHz W 2 pomiarze wzmacniacz nasycił się. R3=0
1,7	30	17,65	1	100
1,32	12,4	9,39	1	10
1,8	1,8	1,00	10	10

4. Wzmacniacz nieodwracający.

Tabele pomiarowe.

Układ wzmacniacza odwracającego fazę:

U1 [V]	U2 [V]	Ku	R1 [k]	R2 [k]	Uwagi
1,95	22	11,28	10	100	f=2kHz W 2 pomiarze wzmacniacz nasycił się.
1,8	30	16,67	1	100
1,9	20	10,53	1	10
1,9	3,8	2,00	10	10

Wzmocnienie w obu powyższych przypadka wyznaczamy ze wzoru:

Tabela pomiarowa do wyznaczania charakterystyki amplitudowo-fazowej przy C₁=500pF i C₂=20pF:

U2 [V]	f [kHz]	Ku
12,8	7	10,67
12,8	70	10,67
10,8	90	9,00
10,4	95	8,67
9,2	100	7,67
8,4	110	7,00
7,6	120	6,33
4	200	3,33

Tabela pomiarowa do wyznaczania charakterystyki amplitudowo-fazowej przy C₁=5000pF i C₂=200pF:

U2 [V]	f [kHz]	Ku
12,4	1	10,33
12,4	9	10,33
12	10	10,00
10,8	11	9,00
9,8	12	8,17
8,8	13	7,33
8	14	6,67
6,4	18	5,33
5,2	20	4,33

Z powyższego wykresu możemy odczytać częstotliwości graniczne dla obu grup parametrów wzmacniacza. Można zauważyć, że zmiana wartości kondensatorów o jedna dekadę spowodowała przesunięcie częstotliwości granicznej, w przybliżeniu też o jedną dekadę. Częstotliwości te wynoszą:

f₁=90kHz

f₁=11.5kHz

5. Wtórnik napięciowy.

R2

+ 15V

-

MAA 504

R1

+

Uwy

- 15V

Uwe

15 k

C1 C2

Podczas badania wtórnika kontrolowaliśmy wzmocnienie wzmacniacza, które wykazywało niezmienną wartość w przybliżeniu równą 1 dla różnych napięć wejściowych.

6. Wzmacniacz różnicowy.

Schemat pomiarowy;

R2

R1

_

U1 +

U2 R3 R4 Uo

Na wyjściu powinniśmy otrzymać napięcie Uo o wartości:

Pomiary dokonaliśmy dla wartości:

R1=1kΩ

R2=10kΩ

R3=10kΩ

R4=5kΩ

Podstawiając powyższe wartości do wzoru:

U_o=3,66U₂-10U₁

Jak widać jest to zależność liniowa.(nie zapominając że wzmacniacz nie jest elementem idealnym co objawia się tym ze napięcie zasilanie nie może przekroczyć napięcia zasilania).

7. Wnioski.

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i sporządzonych charakterystyk można zauważyć , że na szerokość pasma przenoszenia wzmacniacza operacyjnego mają wpływ wartości kondensatorów kompensujących. Można zauważyć, że zmiana wartości kondensatorów o jedna dekadę spowodowała przesunięcie częstotliwości granicznej, w przybliżeniu też o jedną dekadę. Pomimo , iż kondensatory te znacznie zmniejszają szerokość pasma przenoszenia to ich zaletą jest to , że powodują większą stabilność układu dla każdego wzmocnienia. Złe nastawy kondensatorów układu kompensującego powodują to , że wzmacniacz dla pewnych częstotliwości przestaję być stabilny ( co mogliśmy zaobserwować na ekranie oscyloskopu podczas przeprowadzania ćwiczenia ). Podczas wykonywania ćwiczenia zaobserwowaliśmy również skutek rzeczywistych parametrów wzmacniacza w postaci obciętego sygnału wyjściowego do wartości napięcia zasilającego w przypadku gdy napięcie na wyjściu powinno być większe.

5

6

---