­­­­­Politechnika Wrocławska	Szymon Rodak	Rok studiów II Semestr 4 Rok akad. 2013/2014 Termin: Wtorek 9:15-11:00
Laboratorium Podstaw Elektroniki
Grupa Laboratoryjna 2	Numer ćwiczenia	Temat: LINIOWE PRZETWORNIKI SYGNAŁU NA WZMACNIACZU OPERACYJNYM. WZMACNIACZ ODWRACAJĄCY, SELEKTYWNY I PRZETWORNIK U/I
Data wykon. Ćwiczenia 15.04.2014r.	7

1. Cel i zakres ćwiczenia

Poznanie specyfiki stosowania wzmacniacza operacyjnego. Układy z pętlami ujemnego sprzężenia zwrotnego określającymi typ wynikowego przetwornika; szerokopasmowy napięciowy wzmacniacz odwracający, wzmacniacz selektywny, przetwornik napięcie na prąd oraz metody ich badania.

1. Spis przyrządów

• Zasilacz stabilizowany typ ZSM-1/97 (zasilanie 15V) I29/EW-27j/2000

• Multimetr METEX (True RMS) MXD-4660A DIGITAL MULTIMETER
  (pomiar napięcia) I29-IVa4539

• Częstotliwościomierz MXD-4660A DIGITAL MULTIMETER I29-IVa4539

• Multimetr profitec DT-380 I29-IVa-4298

• Generator funkcyjny LG FG-8002 I29-IVa4448

• Oscyloskop LG OS-5020 20MHz I29-IVa4445

1. Układy Pomiarowe

Rys. 1. Układ napięciowego wzmacniacza odwracającego na wzmacniaczu operacyjnym (WO) oraz Układ do badania wzmacniacza odwracającego sygnałem DC

Rys. 2. Wzmacniacz selektywny na WO, z czwórnikiem T zbocznikowane.

Rys. 3. Przetwornik wejściowego napięcia na wyjściowy prąd, odwracający.

Rys. 4. Układ do badania czwórników przy DC, m.in. do wyznaczania parametrów zastępczych.

Rys. 5. Układ do badania czwórników przy AC, m.in. do wyznaczania częstotliwościowej charakterystyki modułu i fazy transmitancji.

1. Tabele pomiarowe

.

Tab. 1. Charakterystyka przejściowa napięciowego wzmacniacza odwracającego

Lp.	Ui	Uo	ku0f	ku0f
	V	V	V/V	V/V
1	-1,5332	13,799	-9,0001	-10,01
2	-1,2736	12,759	-10,0181
3	-1,1766	11,78	-10,0119
4	-0,9083	9,095	-10,0132
5	-0,6056	6,063	-10,0116
6	-0,3046	3,051	-10,0164
7	0,73mV	-7,27mV		Ui=0
8	0,3014	-3,021	-10,0232
9	0,6058	-6,064	-10,0099
10	0,904	-9,049	-10,0100
11	1,1835	-11,848	-10,0110
12	1,25	-12,055	-9,6440
13	1,4482	-12,085	-8,3448

Przykładowe obliczenia:

$$k_{u0f} = \frac{U_{o}}{U_{i}} = \frac{9,095}{- 0,9083} = - 10,0132\frac{V}{V}$$

Tab2. Rezystancja zastępcza wejściowa i wyjściowa układu wyliczona na podstawie zmierzonego napięcia

Uoa = 9,095 V	Rd = 0 Ω	RL = ∞ Ω
Uob = 5,579 V	Rd = 2,2 kΩ	RL = ∞ Ω
Uoc = 8,983 V	Rd = 0 Ω	RL = 0,68 kΩ
Ri = 3,605 kΩ	Ro = 8,478 Ω

Przykładowe obliczenia dla R_o i R_i:

Rezystancja wejściowa:

$$k_{\text{uef}} = k_{u}*\frac{R_{i}}{R_{i} + R_{d}} = k_{\text{uo}}*\frac{R_{L}}{R_{o} + R_{L}}*\frac{R_{i}}{R_{i} + R_{d}}\frac{}{R_{L} \rightarrow \infty} = k_{\text{uo}}*\frac{R_{i}}{R_{i} + R_{d}}$$

$$k_{\text{uo}} = \frac{U_{\text{oa}}}{E_{g}}$$

$$k_{\text{uef}} = \frac{U_{\text{ob}}}{E_{g}}$$

$$\frac{U_{\text{ob}}}{E_{g}} = \frac{U_{\text{oa}}}{E_{g}}*\frac{R_{i}}{R_{i} + R_{d}} \rightarrow U_{\text{ob}} = U_{01}*\frac{R_{i}}{R_{i} + R_{d}} \rightarrow U_{\text{ob}}*R_{i} + U_{\text{ob}}*R_{d} = U_{\text{oa}}*R_{i}$$

$R_{i} = R_{d}*\frac{U_{\text{ob}}}{U_{\text{oc}} - U_{\text{ob}}} = 2200\mathrm{\Omega}*\frac{5,579V}{8,983V - 5,579V} = 3,605\ $kΩ

Rezystancja wyjściowa:

$$k_{u} = k_{\text{uo}}\frac{R_{L}}{R_{o} + R_{L}}$$

$$k_{\text{uo}} = \frac{U_{\text{oa}}}{E_{g}}$$

$$k_{u} = \frac{U_{\text{oc}}}{E_{g}}$$

$$\frac{U_{\text{oc}}}{E_{g}} = \frac{U_{\text{oa}}}{E_{g}}*\frac{R_{L}}{R_{o} + R_{L}} \rightarrow U_{\text{oc}} = U_{\text{oa}}*\frac{R_{L}}{R_{o} + R_{L}} \rightarrow U_{\text{oa}}*R_{L}$$

$R_{o} = R_{L}*\frac{U_{\text{oa}} - U_{\text{oc}}}{U_{\text{oc}}} = 680\mathrm{\Omega}*\frac{9,095V - 8,983V}{8,983V} =$8,478 Ω

Badanie charakterystyki częstotliwości wzmacniacza selektywnego

Tab3. Wyniki badań charakterystyki częstotliwości wzmacniacza selektywnego

Lp.	$\frac{f_{n}}{f_{o}}$ [Hz]	fn [Hz]	f [Hz]	A [dz]	B [dz]	b[dz]	Cy [$\frac{V}{\text{dz}}$]	Cy [$\frac{V}{\text{dz}}$]	|k|	∆φ [°]
1	$$\frac{1}{10}$$	112	119	6,8	7,6	3,2	0,2	0,2	1,12	24,90
2	$$\frac{1}{3}$$	373,3	374	6,8	5,6	4,4	0,2	0,5	2,06	51,78
3	0,5	560	559	6,8	2,2	1,8	0,2	2	3,24	54,90
4	0,75	840	839	6,8	4,6	3,2	0,2	2	6,76	44,07
5	0,9	1008	1007	7	6,6	2,4	0,2	2	9,43	21,32
6	0,95	1064	1061	7	7	1,4	0,2	2	10,00	11,53
7	1	1120	1119	7	7,2	0	0,2	2	10,29	0
8	1,05	1176	1176	6,8	7,2	1,4	0,2	2	10,59	-11,21
9	1,1	1232	1232	7	6,6	2,2	0,2	2	9,43	-19,47
10	1,33	1489	1486	6,8	4,6	3	0,2	2	6,76	-40,70
11	2	2240	2230	6,8	4,4	3,6	0,2	1	3,24	-54,90
12	3	3600	3363	6,8	5,8	4,4	0,2	0,5	2,13	-49,34
13	10	11200	11235	7	7,8	3,2	0,2	0,2	1,11	-24,22
14	Ui=0,4784 V dla f0	Uo=5,020 V dla f0

Przykładowe obliczenia:

$$\varphi = \arcsin\left( \frac{b}{B} \right) = \arcsin\left( \frac{3,2}{7,6} \right) = 24,9$$

$$\left| k \right| = \frac{B*c_{y}}{A*C_{x}} = \frac{7,6*0,2}{6,8*0,2} = 1,12$$

f_d ≈ 900Hz,    f_g ≈ 1250Hz,  f_o = 1064Hz

f_d, f_g,- wartości odczytane dla 3dB szerokości

pasma przepustowego odczytane z wykresu

$Q = \frac{f_{0}}{f} = \frac{f_{o}}{f_{g} - f_{d}} = \frac{1064}{1250 - 900} = 3,04$

Przebiegi sygnału z oscyloskopu ( kanał drugi większa amplituda).

Charakterystyka przejściowa i transmitancja układu odwracającego przetwornika U/I

Tabela 4. Charakterystyka przejściowa i transmitancja przetwornika U/I

Lp.	Ui	Io	kyof
	V	mA	mS
1	10,31	-1,5253
2	8,32	-1,2325
3	6,05	-0,8964	-0,305
4	4,25	-0,6298
5	2,09	-0,3096
6	0,02	0,0001
7	-2,07	0,3075
8	-4,09	0,6068
9	-6,11	0,906
10	-8,14	1,2073
11	-10,33	1,5308

Przykładowe obliczenia:

k_yof = −0, 3049 * 0, 001 = −0, 3049 mS

Rezystancja wyjściowa układu

Tab. 5 Rezystancja zastępcza wyjściowa układu wyliczona na podstawie zmierzonego prądu

I2 = -1,5317 mA	U=10,35V	RL = 0 Ω
I1 = -1,5324 mA	U=10,34V	RL = 5600 Ω
Ro= 12,254MΩ

Przykładowe obliczenia

$$k_{y} = \frac{I_{2}}{e_{g}} = k_{y0}*\frac{R_{o}}{R_{o} + R_{L}}$$

$$k_{y0} = \frac{I_{1}}{e_{g}}$$

$$\frac{I_{2}}{e_{g}} = \frac{I_{1}}{e_{g}}*\frac{R_{o}}{R_{o} + R_{L}}$$

$$I_{2} = I_{1}*\frac{R_{o}}{R_{o} + R_{L}}$$

$$R_{o} = \frac{I_{2}*R_{L}}{I_{1} - I_{2}} = 12,254\ M\mathrm{\Omega}$$

1. Wnioski

Układ	Parametr	Wartości obliczone	Wartości otrzymane
Wzmacniacz odwracający	ku0f [V/V]	-10	-10,01
	Ri [kΩ]	3,3	3,605
	Ro[kΩ]	9,225	8,478
Wzmacniacz selektywny	fo [Hz]	1062,45	1061
	fg[Hz]	1324,35	1250
	fd[Hz]	852,35	900
	Q	2,25	3,04
	ku0fmax	11,303	11,3
Odwracający przetwornik U/I	Ro[MΩ]		12,254
	ky0f [mS]	-0,303*10^-3	-0,305*10^-3

Dla WO:

Otrzymana wartość k_u0f przed zajęciami jest bardzo zbliżona do otrzymanej podczas badań. Rezystancja wejściowa jest również bardzo bliska rezystancji przewidywanej różnią się jedynie o 0,3 kΩ. Uzyskana rezystancja wyjściowa różni się od spodziewanej ale wiemy, że w idealnym wzmacniaczu jest ona równa zeru, a w naszym przypadku mamy do czynienia z rzeczywistym układem który posiada niewielką rezystancję.

Dla WS:

Jak widać w powyższym zestawieniu wartości spodziewane pokrywają się z wartościami otrzymanymi. Jedynie wartość dobroci odbiega nieco od spodziewanej.

Dla przetwornika U/I:

Transmitancja układu obliczona przed zajęciami zgadza się z transmitancja obliczoną z przebiegu ćwiczenia. Rezystancja wyjściowa wynosi 12,254 MΩ.