Mateusz Krowiak Rzeszów, 17.06.2009

EF-DI1

L06

Podstawy elektroniki

Sprawozdanie z laboratorium nr 6

Wzmacniacz operacyjny w układach liniowych

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było ugruntowanie wiadomości dotyczących teorii sprzężenia zwrotnego, asymptotycznych charakterystyk częstotliwościowych układów wzmacniających, ich kształtowania, a także zapoznanie się z zastosowaniem wzmacniaczy operacyjnych.

Spis przyrządów

- Uniwersalna podstawka laboratoryjna do badania wzmacniacza operacyjnego

- Generator funkcyjny

- Oscyloskop cyfrowy

- Źródło napięcia +15V/-15V

Obliczenia wstępne i projektowe

Dla wzmocnienia k_uf = 51 [V/V] (wzmacniacz nieodwracający)

R_we ≥ 2kΩ

$R_{\text{we}} = R_{1} + \frac{R_{2}}{k_{\text{uf}} + 1}$, natomiast k_uf → ∞

Stąd R_we ≈ R₁

Zakładam, że R₁ = 2kΩ

$$\frac{U_{\text{wy}}}{U_{\text{we}}} = \frac{R_{2}}{R_{1}} + 1 = 51$$

Dla spełnienia zależności R₂ = 100kΩ

Wówczas $R_{3} = \frac{R_{1} \bullet R_{2}}{R_{1} + R_{2}} = \frac{200 \bullet 10^{6}}{102 \bullet 10^{3}} = 1,96k\mathrm{\Omega}$

Zaproponować schemat ideowy oraz obliczyć wartości elementów dyskretnych wzmacniacza o asymptotycznej charakterystyce amplitudowej wybranej dowolnie spośród zamieszczonych na Rys.2.

Wybrana charakterystyka

Jest to charakterystyka filtru dolnoprzepustowego

$$\frac{1}{2 \bullet \pi \bullet R_{2} \bullet C} = 100\ Hz$$

$$R_{2} = \frac{1}{2 \bullet \pi \bullet C \bullet 100}$$

Gdy przyjmiemy C = 200 nF otrzymamy

$$R_{2} = \frac{1}{2 \bullet \pi \bullet 200 \bullet 10^{- 9} \bullet 10^{2}} = \frac{1}{4 \bullet \pi \bullet 10^{- 5}} = 7,958\ k\mathrm{\Omega}$$

R₁ możemy obliczyć z zależności $R_{1} = \frac{1}{50R_{2}}$

R₁ = 159Ω

Pomiary charakterystyki wzmacniacza operacyjnego z rezystancyjnym obwodem sprzężenia zwrotnego

Schemat:

Wykorzystane do pomiarów rezystory:

R₁ = 2 kΩ, R₂ = 100 kΩ, R₃ = 1,60 kΩ

Wartości nie do końca zgadzały się z tymi z założeń projektowych z powodu ich niedostępności w laboratorium.

Uzyskane pomiary:

Uwe	Uwy	f	φ	ku	ku
[mV]	[V]	[Hz]	[]	[V/V]	[dB]
63,0	3,25	27	180	51,58	34,24
63,7	3,27	64	180	51,33	34,20
63,8	3,27	107	180	51,25	34,19
63,9	3,28	205	180	51,33	34,20
63,9	3,30	534	180	51,64	34,25
63,9	3,32	1018	190	51,95	34,31
64,1	3,33	2101	205	51,95	34,31
64,2	3,32	5145	230	51,71	34,27
64,8	3,25	10k	218	50,15	34,00
65,1	3,05	21k	225	46,85	33,41
65,3	2,75	50k	265	42,11	32,48
66,2	2,68	101k	-80	40,48	32,14
66,3	2,67	206k	-80	40,27	32,09
66,3	2,60	534k	-65	39,21	31,86
67,0	2,60	1M	-40	38,80	31,77

Wzmocnienie napięciowe K_u obliczam ze wzoru:

$$\mathbf{k}_{\mathbf{U}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{Wy}}}}{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{We}}}}$$

Wzmocnienie wyrażone w dB:

$$\mathbf{k}_{\mathbf{u}}\left\lbrack \mathbf{\text{dB}} \right\rbrack\mathbf{= 20 \bullet}\operatorname{}\frac{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{wy}}}}{\mathbf{U}_{\mathbf{\text{we}}}}$$

Charakterystyka amplitudowo – częstotliwościowa

Charakterystyka fazowa

Pomiar maksymalnej szybkości zmian napięcia wyjściowego

Pomiar charakterystyk wzmacniacza kształtowanych za pomocą elementów R, C włączonych w obwód sprzężenia zwrotnego

Zastosowany układ:

Do pomiarów wykorzystane zostały rezystory:

R₁ = 149 Ω R₂ = 9,86 Ω

Oraz kondensator o pojemności

C = 220 nF

Uzyskane pomiary

Uwe	Uwy	f	Ku	Ku
[mV]	[V]	[Hz]	[V/V]	[dB]
64,5	12,26	19	190,07	45,57
65,5	12,60	96	192,36	45,68
66,1	12,63	202	191,07	45,62
66,0	12,66	882	191,81	45,65
66,2	12,67	2k	191,38	45,63
63,9	12,68	4,6k	198,43	45,95
63,5	12,68	10,1k	199,68	46,00
63,4	12,68	20,7k	200,00	46,02
63,9	12,7	49,1k	198,74	45,96
64,2	12,68	102k	197,50	45,91
64,2	12,68	210k	197,50	45,91
88	12,68	511k	144,09	43,17
95	12,66	1M	133,26	42,49

Charakterystyka amplitudowo – częstotliwościowa

Wnioski i spostrzeżenia:

- Zaprojektowanie wzmacniacza polegało na obliczeniu wartości rezystorów dołączanych do zacisków płytki tak by uzyskać przyjętą wartość wzmocnienia. Ze względu na dobrane elementy układu, nieznacznie różniące się od założonych wzmocnienie minimalnie różniło się od tego z obliczeń projektowych, maksymalne zmierzone wzmocnienie wyniosło 51,95 [V/V], a w projekcie zakładaliśmy 51 [V/V]

- Otrzymane wyniki i charakterystyki zaprojektowanego wzmacniacza wydają się poprawne choć zapewne nie są one pozbawione błędów i nieścisłości, które mogły być spowodowane: błędami pomiarów, brakiem rezystorów i kondensatorów o wartości założonej, oraz tym że są to elementy rzeczywiste, a nie idealne.

- Przy bardzo szybkich zmianach napięcia na wejściu może się okazać w pewnym momencie, że przesunięcie fazowe między napięciem wejściowym a wyjściowym zmieni się tak, że zmieni się charakter sprzężenia zwrotnego.