Surdyka Edyta Rzeszów, 23.11.2015
Nizioł Magdalena
Pachołek Tomasz
ET-DI-3
L2

ANALOGOWE UKŁADY ELEKTRONICZNE – LABORATORIUM

WZMACNIACZ OPERACYJNY

1. Cel ćwiczenia

Ćwiczenie opiera się na wykonaniu projektów układów opartych na wzmacniaczu operacyjnym oraz dokonaniu pomiarów ich charakterystyk.

1. Wykorzystana aparatura:

- wkładka DA041A
- regulowane źródło prądowe

- generator sinusoidalny
- generator impulsów prostokątnych
- oscyloskop cyfrowy

1. Schematy pomiarowe

1 Schemat ideowy części stałej układu badanego

1. Wyniki pomiarów

1. WZMACNIACZ ODWRACAJĄCY / NIEODWRACAJĄCY

Projekt wzmacniacz nieodwracającego o wzmocnieniu +41.

$${k_{uf0} = \frac{R_{2}}{R_{1}} + 1\ \ \ \text{\ \ \ \ \ }R_{2} = {(k}_{uf0} - 1) \bullet R_{1}\backslash n}{{zal.\ R_{1} = 2\ \text{kΩ\ \ \ \ \ }\text{\ \ \ \ \ R}}_{2} = 80\ \text{kΩ}}$$

Wartości zamontowane w badanym układzie: R₁ = 2, 17 kΩ,  R₂ = 85, 5 kΩ

Oszacowanie górnej częstotliwości granicznej:

$$f_{g} = \frac{\text{GB}}{k_{\text{uf}}} = \frac{A_{u} \bullet f_{g3dB}}{k_{\text{uf}}} = \frac{150000 \bullet 5}{41} \approx 18,2\ kHz$$

Pomiary kontrolne:

Sterowanie „małym” sygnałem:

f, Hz	Uwy, V	Uwe, V	ku, V/V
1000,00	4,64	0,120	38,67
5500,00	4,56	0,122	37,38
10000,00	4,40	0,124	35,48
15000,00	4,16	0,124	33,55
18000,00	4,16	0,122	34,10
22000,00	3,92	0,120	32,67
50000,00	2,56	0,126	20,32
100000,00	1,36	0,128	10,63

Sterowanie „dużym” sygnałem:

f, Hz	Uwy, V	Uwe, V	ku, V/V
1000,00	26,40	0,648	40,74
5500,00	26,00	0,652	39,88
10000,00	24,80	0,652	38,04
15000,00	22,40	0,648	34,57
18000,00	20,00	0,652	30,67
22000,00	18,00	0,652	27,61
50000,00	8,00	0,664	12,05
100000,00	4,00	0,664	6,02

Zmierzone wzmocnienie osiągnęło wartość w przybliżeniu 40, natomiast górna częstotliwość graniczna ok. 18kHz.

1. POMIAR S_R (slew rate)

2 Schemat wzmacniacza 741

Maksymalna szybkość zmian napięcia wyjściowego:

$$S_{R} = \frac{du_{o}}{\text{dt}} = \frac{d}{\text{dt}} \bullet \frac{1}{C_{k}}\int_{}^{}{Idt = \frac{I}{C_{k}}}$$

Wartość obliczona z pomiarów:

$${S_{R} = \frac{U_{o}}{t} = \frac{12,5}{13,58} = 0,92\ \frac{V}{\text{μs}}\text{\ \ \ }\left( przy\ zboczu\ narastajacym \right)\backslash n}{S_{R} = \frac{U_{o}}{t} = \frac{21,5}{27,4} = 0,78\ \frac{V}{\text{μs}}\text{\ \ \ }\left( \text{przy\ zboczu\ }opadajacym \right)}$$

Wartość obliczona ze schematu:

$$S_{R} = \ \frac{I}{C_{k}} = \frac{20\text{μA}}{30\text{pF}} = 0,667\ \frac{V}{\text{μs}}$$

Wartość typowa, odczytana z noty katalogowej:

$$S_{R} = 0,5\ \frac{V}{\text{μs}}$$

Stopień wejściowy wzmacniacza stanowią tranzystory Q1 – Q4. Tranzystory o indeksach 5 – 7 stanowią obciążenie aktywne, natomiast 8 – 11 pracują jako źródło prądowe.
Kształt zbocza narastającego sygnału wyjściowego zdeterminowany jest przez typ tranzystorów zastosowanych w stopniu wejściowym.

1. ANALOGOWE PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW

1. Integrator

Projekt integratora przetwarzającego falę prostokątną o amplitudzie 5 V, współczynniku wypełnienia około

0,2 i okresie równym 0,5 ms na napięcie trójkątne o wartości międzyszczytowej 2 V

$${u_{\text{wy}}\left( t \right) = - \frac{u_{\text{we}}t}{\text{RC}}\backslash n}{U_{\text{WY}} = 2V,\ \ \ t = 5m \bullet 0,2 = 1ms\backslash n}{{U}_{\text{WY}} = \frac{{U}_{\text{WE}}}{\text{RC}} \bullet t\backslash n}{RC = \frac{U_{\text{WE}}}{U_{\text{WY}}} \bullet t = \frac{5}{2} \bullet 1m = 0,25ms}$$

$$zal.\ C = 10,7nF\ \ \ \ R = \frac{\text{RC}}{C} = \frac{0,25m}{10,7n} = 23,3\ k\mathrm{\Omega}$$

Wartości zamontowane w badanym układzie: C = 10,7nF, R = 23,6kΩ

1. Sumator

Projekt sumatora dwóch napięć spełniających zależność:  U_wy = −(0,5U_we1+3U_we2)

$${U_{\text{wy}} = - \left( \frac{R_{S}}{R_{1}}U_{we1} + \frac{R_{S}}{R_{2}}U_{we2} \right)\backslash n}{zal.\ \ R_{S} = 12,1\ k\mathrm{\Omega}\backslash n}{R_{1} = \frac{R_{S}}{0,5} = 24,2\ k\mathrm{\Omega}\backslash n}{R_{2} = \frac{R_{S}}{3} \approx 4\ k\mathrm{\Omega}}$$

Wartości zamontowane w badanym układzie:

R_S = 12, 1 kΩ ∖ nR₁ = 23, 8 kΩ ∖ nR₂ = 3, 84 kΩ

3 Napięcie wejściowe 1

Napięcie wejściowe 1 po przemnożeniu (2 razy mniejsze)

Napięcie wejściowe 2

Napięcie wejściowe 2 po przemnożeniu (3 razy większe)

Wyjście sumatora - zsumowane napięcie wejściowe 1 i napięcie wejściowe 2

1. Wnioski

Ćwiczenie miało na celu zapoznanie się z układami bazującymi na wzmacniaczu operacyjnym oraz przyswojeniu sposobów projektowania takich układów.
Przy projektowaniu niezbędna była znajomość topologii układu oraz podstawowych zależności matematycznych, które je opisują.

Wartości parametru S_R otrzymane trzema sposobami nieco różnią się od siebie. Największa rozbieżność w stosunku do wartości z noty katalogowej występuje przy wartości otrzymanej w pomiarach. Może to być wynikiem wielu czynników, a jednymi z najbardziej prawdopodobnych mogą być niedokładność elementów, urządzeń pomiarowych oraz niedokładność w samym dokonywaniu pomiarów.

Zadane projekty zostały wykonane poprawnie, co było weryfikowane na bieżąco w trakcie zajęć. Ewentualne niewielkie rozbieżności w otrzymanych wynikach spowodowane są brakiem możliwości zastosowania wszystkich obliczonych wartości elementów i zastąpieniem ich elementami dostępnymi w laboratorium.