LABORATORIUM ELEKTRONIKI
	AGH		Wydział: Elektrotechniki Automatyki Informatyki i Elektroniki.		Rok: II	Grupa: 8
Tytuł ćwiczenia: Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych.					Zespół I: Marcin Szybowski Piotr Strzelec Jadwiga Foszczka
Data wykonania: 12-04-02		Data oddania: 22-05-02		Ocena:	Podpis:

Wstęp teoretyczny:

Wzmacniacze operacyjne są najbardziej rozpowszechnionym analogowym układem elektronicznym realizowanym w postaci monolitycznych układów scalonych.

Większość obecnie produkowanych wzmacniaczy operacyjnych ma wejścia symetryczne (różnicowe) oraz niesymetryczne (inwersyjne). Wejście We1, oznaczone minusem jest wejściem odwracającym (inwersyjnym), a wejście We2, oznaczone plusem jest wejściem nieodwracającym (nie inwersyjnym).

Jeżeli do wejścia odwracającego zostanie doprowadzone napięcie sinusoidalne, to przesunięcie fazowe między sygnałami: wejściowym i wyjściowym będzie równe 180⁰. Przy doprowadzeniu tego napięcia do wejścia nieodwracającego przesunięcie wyniesie zero. Ważną właściwością wzmacniacza operacyjnego jest to, że gdy do obu jego wejść zostaną doprowadzone dwa identyczne sygnały, to sygnał na wyjściu powinien być równy zeru.

Idealny wzmacniacz operacyjny powinien charakteryzować się:

• Nieskończenie dużym wzmocnieniem napięciowym

• Nieskończenie dużą impedancją wejściową

• Zerową impedancją wyjściową

• Nieskończenie szerokim pasmem przenoszonych częstotliwości

• Nieskończenie dużym zakresem dynamicznym sygnału

Podstawowymi parametrami wzmacniacza rzeczywistego są:

• Wzmocnienie napięciowe różnicowe K_ur

• Wzmocnienie napięciowe sumacyjne K_us

• Współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego H_s

• Rezystancja (impedancja) wejściowa różnicowa r_{wer (}Z_wer)

• Rezystancja (impedancja) wyjściowa sumacyjna r_wes (Z_wes)

• Rezystancja (impedancja) wyjściowa r_wy (Z_wy)

• Wejściowy prąd polaryzacji I_we

• Wejściowe napięcie nie zrównoważenia U_wen

• Wejściowy prąd nie zrównoważenia I_wen

• Dryfty: temperaturowy i czasowy wejściowego napięcia i prądu niezrównoważenia

• Parametry graniczne: maksymalne napięcie wejściowe U_wemax, maksymalne różnicowe napięcie wejściowe U_wermax, maksymalne napięcie wyjściowe U_wymax, maksymalny prąd wyjściowy I_wymax

• Napięcie U_z i moc P_z zasilania

• Szerokość pasma częstotliwości określona częstotliwością graniczną f_g, marginesem wzmocnienia A i marginesem fazy α

• Parametry odpowiedzi na skok napięcia: czas narastania t_n szybkość narastania S, przeregulowanie (przerzut) δ_u.

Czas narastania t_n jest czasem, po którym napięcie na wyjściu zmienia swą wartość chwilową od 0,1 do 0,9 wartości ustalonej U_wyu.

Szybkość narastania S określa maksymalną szybkość zmiany napięcia na wyjściu

Wzmacniacze operacyjne pracują najczęściej w układach ze sprzężeniem zwrotnym. W układach wzmacniających sprzężenie to jest typu napięciowego równoległego, z wyjścia na wejście odwracające. Sygnał może być natomiast doprowadzony bądź do jednego bądź do drugiego, bądź też do obu wejść.

1.Wzmacniacz odwracający :

Dla wzmacniacza odwracającego przy założeniu nieskończenie dużej rezystancji wejściowej oraz zerowej rezystancji wyjściowej, prąd płynący przez rezystor R₁ równa się prądowi płynącemu przez rezystor R_f. Zatem:

Jeżeli wzmocnienie wzmacniacza jest bardzo duże (K_ur→∞), to

czyli wzmocnienie zależy tylko od stosunku rezystancji występujących w obwodzie sprzężenia zwrotnego. Znak minus oznacza, że napięcie wyjściowe ma fazę przeciwną w stosunku do napięcia wejściowego.

Zastosowanie sprzężenia zwrotnego powoduje też zmniejszenie rezystancji wyjściowej. Rezystancja wyjściowa wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym nie przekracza 1 Ω. W celu zmniejszenia wpływu prądu nie zrównoważenia stosuje się rezystor R_A. Wartość jego rezystancji dobiera się tak, aby była równa rezystancji połączenia równoległego R₁ i R_f. Napięcie i prąd nie zrównoważenia zmienią się jednak wraz ze zmianą temperatury, wywołując dryft napięcia na wyjściu wzmacniacza.

Pomiary:

Dla R1 = 10 kΩ

R2 = 150 kΩ

R3 = 9,4 kΩ

Wartości teoretyczne:

Uwe = 200 mV ku = 15 [V/V]

Uwy = 2,98 V

ku = 14,9 [V/V]

ku = 23,463 dB

fg = 60,5 kHz

ϕ = 180°

charakterystyka przejściowa Uwy = f(Uwe):

Dla:

R1 = 10 kΩ

R2 = 75 kΩ

R3 = 8,8 kΩ

Wartości teoretyczne:

Uwe = 200 mV ku = 7,5 [V/V]

Uwy = 1,57 V

ku = 7,35 [V/V]

ku = 17,5 dB

fg = 120 kHz

ϕ = 180°

Wnioski:

Zwiększenie wzmocnienia powoduje zmniejszenie pasma przenoszenia ( dwukrotne zwiększenie wzmocnienia powoduje dwukrotne zmniejszenie pasma przenoszenia ).

Sygnał na wyjściu układu jest przesunięty o kąt ϕ = 180° w stosunku do sygnału wejściowego niezależnie od zmiany wzmocnienia.

2. Wzmacniacz nieodwracający :

W układzie nieodwracającym sygnał wejściowy doprowadza się do wejścia nieodwracającego wzmacniacza. Wzmocnienie układu:

Rezystancja wyjściowa jest taka jak w układzie odwracającym. Natomiast rezystancja wejściowa jest bardzo duża i w praktyce ma wartość 10¹⁰-10¹³ Ω.

Pomiary :

R1 = 10 kΩ

R2 = 150 kΩ

R3 = 9,4 kΩ

Wartości teoretyczne:

Uwe = 291 mV ku = 16 [V/V]

Uwy = 4,62 V

ku = 15,88 [V/V]

ku = 24 dB

fg = 60,56kHz

ϕ = 0°

charakterystyka przejściowa Uwy = f(Uwe):

Dla : R1 = 10 kΩ

R2 = 75 kΩ

R3 = 8,8 kΩ

Wartości teoretyczne:

Uwe = 241,54 mV ku = 8,5 [V/V]

Uwy = 2,05V

ku = 8,49 [V/V]

ku = 18,59 dB

fg = 114,4 kHz

ϕ = 0°

Wnioski:

Dwukrotne zwiększenie wzmocnienia powoduje dwukrotne zmniejszenie pasma przenoszenia.

Sygnał na wyjściu układu nie jest przesunięty w stosunku do sygnału wejściowego niezależnie od zmiany wzmocnienia.

3. Przerzutnik Schmitta :

Pomiary :

Dla : R1 = 10 kΩ

R2 = 50 kΩ

R3 = 1 kΩ

Uwe = 10 V

Uwy = 14,12 V

fwe = 100 Hz

ku = 1,41 [V/V]

ku = 15,58 dB

fg = 157,8 kHz

ϕ = 0°

charakterystyka przejściowa Uwy = f(Uwe):

Charakterystyka wyjściowa :

Charakterystyka przejściowa tego układu (zależność napięcia wyjściowego od wejściowego ) zawiera histerezę. Obecność histerezy eliminuje występowanie przedziału napięć wejściowych dla których stan wyjścia jest nieokreślony. Dlatego przerzutnik Schmitta stosuje się tam gdzie sygnały wejściowe zmieniają się powoli. Zapobiega to występowaniu oscylacji na wyjściu.

Przerzutnik Schmitta stosuje się na przykład do przekształcania impulsów trójkątnych, trapezowych i sinusoidalnych w impulsy prostokątne.

3

6

Sygnał wyjściowy

Sygnał wejściowy

---