Środa, 11:15-13:00
POLITECHNIKA WROCŁAWSKA |
Zofia Lenkiewicz 202343 Dorota Burdyna 202307 Maciej Kozak 202372 GRUPA 3 |
Kierunek ETK Rok studiów 2 Semestr IV letni Rok akademicki 2013/2014 |
|---|---|---|
| LABORATORIUM PODSTAW ELEKTRONIKI | ||
Data ćwiczenia : 30.04.2014r |
TEMAT: Wzmacniacz różnicowy na wzmacniaczu operacyjnym. |
Ocena |
Numer ćwiczenia : 8 |
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia była analiza układu prostego wzmacniacza różnicowego na wzmacniaczu operacyjnym, optymalizacja jego parametrów, zbadanie wielkości, opisujących go oraz ich analiza wraz z porównaniem do przewidywań teoretycznych.
2. Spis przyrządów
Przyrządy ze stanowiska nr 3:
Źródło nastawne, typ ZNM-2/97,
Zasilacz mocy nastawny, typ ZNM-3/97A,
Multimetr METEX, typ MXD-4660A – woltomierz V2, omomierz,
Multimetr, typ DT-380 – woltomierz V1;
Tab.1. Wykorzystane do budowy układu elementy
| Element | Wartość znamionowa | Wartość zmierzona |
|---|---|---|
| potencjometr | 100 kΩ | - |
| R1 | 6,8 kΩ | 6,740 kΩ |
| R2 | 68 kΩ | 67,06 kΩ |
| R2’ | 1,0 kΩ | 1,0034 kΩ |
| R3 | 10 kΩ | 9,909 kΩ |
| R4 | 100 kΩ | 100,12 kΩ |
| Rg | 820Ω | 0,8148 kΩ |
| Rz1,2 | 100Ω | 100,25Ω |
| Rd+ | 12 kΩ | 12,149 kΩ |
| Rd- | 1,5 kΩ | 1,4896 kΩ |
Tab. 2. Podstawowe własności wzmacniacza operacyjnego stosowanego w układach
| Typ WO | OP07C bipolarny, precyzyjny |
|---|---|
| Parametr | Wartość przy 25⁰C |
| graniczna | |
| AV0 [V/V] | > 1,2·105 |
| CMRR [dB] | > 94 |
| |Ui0| [mV] | < 0,15 |
| |Iib| [nA] | < 7 |
| Rid [Ω] | |
| Ric [Ω] | |
| BW1 [MHz] | > 0,4 |
| SR [V/µs] | > 0,1 |
| R0 [Ω] |
3. Symetryzacja wzmacniacza różnicowego
A. Schemat układu pomiarowego
a) przed symetryzacją
b) po symetryzacji
B. Tablice pomiarowe
Tab. 3. Wyniki badania układu celem symetryzacji.
Symetryzacja Uid=0 V |
Lp. | Uic | U0 | kucf | CMRRf | CMRRf | Uwagi |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| V | mV | mV/V | - | dB | |||
| Przed symetryzacją | 1. | 0 (zwora) | -0,05 | 12,418 | 805,28 | 58,12 | układ wymaga symetryzacji |
| 2. | 8,80 | 109,23 | |||||
| Po symetryzacji | 1. | 0 (zwora) | -0,05 | -0,798 | 12531,33 | 81,96 | dołączono rezystor R2’=1,0 kΩ |
| 2. | 8,80 | -7,07 |
C. Obliczenia
Przy założeniu, że wzmocnienie dla sygnału różnicowego:
$$k_{\text{udf}} = 10\ \frac{V}{V}$$
Wzmocnienie sygnału wspólnego obliczone z definicji przyrostowej:
przed symetryzacją
$$k_{\text{ucf}} = \frac{U_{02} - U_{01}}{U_{ic2} - U_{ic1}} = \frac{109,23\ mV - ( - 0,05\ mV)}{8,80\ V - 0} = 12,418\ \frac{\text{mV}}{V}$$
po symetryzacji
$$k_{\text{ucf}} = \frac{U_{02} - U_{01}}{U_{ic2} - U_{ic1}} = \frac{- 7,07\ mV - ( - 0,05\ mV)}{8,80\ V - 0} = - 0,798\ \frac{\text{mV}}{V}$$
Współczynnik tłumienia sygnału wspólnego:
przed symetryzacją
$$\text{CMRR}_{f} = \left| \frac{k_{\text{udf}}}{k_{\text{ucf}}} \right| = \left| \frac{10\ \frac{V}{V}}{12,418 \bullet 10^{- 3}\ \frac{V}{V}} \right| = 805,28$$
CMRRf[dB] = 20logCMRRf = 20log(805,28) = 58, 12 dB
po symetryzacji
$$\text{CMRR}_{f} = \left| \frac{k_{\text{udf}}}{k_{\text{ucf}}} \right| = \left| \frac{10\ \frac{V}{V}}{- 0,798 \bullet 10^{- 3}\ \frac{V}{V}} \right| = 12531,33$$
CMRRf[dB] = 20logCMRRf = 20log(12532,33) = 81, 96 dB
Uwagi: Po symetryzacji układ został skompensowany za pomocą potencjometru o wartości 100 kΩ tak, że napięcie wyjściowe wynosiło 0,00 mV.
4. Badanie charakterystyki przejściowej układu dla sygnału wspólnego
A. Schemat układu pomiarowego
B. Tablice pomiarowe
Tab. 4. Wyniki badania charakterystyk przejściowej układu dla sygnału wspólnego.
| Rg=0Ω | Rg=820Ω |
|---|---|
| Uic [V] | Ui [V] |
| -10 | -10,01 |
| -8 | -7,98 |
| -6 | -5,98 |
| -4 | -4,00 |
| -2 | -2,01 |
| 0 | 0,01 |
| 2 | 2,04 |
| 4 | 4,03 |
| 6 | 5,99 |
| 8 | 7,99 |
| 10 | 10,02 |
C. Obliczenia
Wzmocnienie sygnału wspólnego obliczone z definicji przyrostowej:
badane z rezystancją źródła sygnału Rg=0Ω
$$k_{\text{ucf}} = \frac{U_{02} - U_{01}}{U_{ic2} - U_{ic1}} = \frac{- 1,14\ mV - ( - 0,68\ mV)}{4,03\ V - 2,04\ V} = - 0,231\ \frac{\text{mV}}{V}$$
badane z dodatkowym rezystorem źródła sygnału Rg=820Ω, symulującym niesymetrię źródeł
$$k_{\text{ucf}} = \frac{U_{02} - U_{01}}{U_{ic2} - U_{ic1}} = \frac{0,3991\ V - 0,2020\ V}{4,03\ V - 2,04\ V} = 99,045\ \frac{\text{mV}}{V}$$
Uwagi: Przy badaniu charakterystyki z rezystancją źródła sygnału Rg=0Ω wzmocnienie sygnału wspólnego zmieniło się tylko nieznacznie (0,567 mV/V) w stosunku do wzmocnienia obliczonego w poprzednim punkcie. Po włączeniu rezystora symulującego niesymetrię źródła moduł wartości kucf wzrósł wielokrotnie (ok. 124 razy).
D. Wykresy
Wykres 1. Charakterystyka przejściowa układu dla sygnału wspólnego przy źródłach symetrycznych Rg=0Ω oraz z rezystorem Rg=820Ω, symulującym niesymetrię źródeł.
5. Badanie charakterystyki przejściowej układu dla sygnału różnicowego
A. Schemat układu pomiarowego
Uwagi: W celu wyeliminowania sygnału wspólnego na wejściu wzmacniacza, w układzie zastosowano rezystory Rz. Dzięki temu zabiegowi na wejście wzmacniacza podawany jest praktycznie tylko sygnał różnicowy.
B. Tablice pomiarowe
Tab. 5. Wyniki badania charakterystyk przejściowej układu dla sygnału różnicowego.
| Rg=0Ω | Rg=820Ω |
|---|---|
| Uid [V] | Ui [V] |
| -1,8 | -1,765 |
| -1,5 | -1,510 |
| -1,2 | -1,208 |
| -0,8 | -0,810 |
| -0,6 | -0,600 |
| -0,3 | -0,295 |
| 0,0 | -0,0035 |
| 0,3 | 0,303 |
| 0,6 | 0,591 |
| 0,9 | 0,906 |
| 1,2 | 1,205 |
| 1,5 | 1,506 |
| 1,8 | 1,803 |
C. Obliczenia
Wzmocnienie sygnału różnicowego obliczone z definicji przyrostowej:
badane z rezystancją źródła sygnału Rg=0Ω
$$k_{\text{udf}} = \frac{U_{02} - U_{01}}{U_{id2} - U_{id1}} = \frac{- 3,008\ V - ( - 6,106\ V)}{- 0,295\ V - ( - 0,600\ V)} = 10,157\ \frac{V}{V}$$
badane z dodatkowym rezystorem źródła sygnału Rg=820Ω, symulującym niesymetrię źródeł
$$k_{\text{udf}} = \frac{U_{02} - U_{01}}{U_{id2} - U_{id1}} = \frac{- 2,698\ V - ( - 5,481\ V)}{\ - 0,295\ V - ( - 0,600\ V)} = 9,124\ \frac{V}{V}$$
D. Wykresy
Wykres 2. Charakterystyka przejściowa układu dla sygnału różnicowego przy źródłach symetrycznych Rg=0Ω oraz z rezystorem Rg=820Ω, symulującym niesymetrię źródeł.6. Badanie do wyznaczenia rezystancji wejściowych
A. Schemat układu pomiarowego
a) układ do wyznaczania rezystancji wejścia nieodwracającego
b) układ do wyznaczania rezystancji wejścia odwracającego
B. Tablice pomiarowe
Tab. 6. Wyznaczanie rezystancji wejściowych
| Wejście nieodwracające | Rd+ [kΩ] | 12 | 0 (zwora) |
|---|---|---|---|
| U0+ [V] | 4,797 | 5,334 | |
| Wejście odwracające | Rd- [kΩ] | 1,5 | 0 (zwora) |
| U0- [V] | -4,371 | -5,338 |
C. Obliczenia
Dla wejścia nieodwracającego:
$$\frac{U_{i +}}{R_{if +} + R_{d +}} = \frac{U_{01}}{R_{0}}$$
$$\frac{U_{i +}}{R_{if +}} = \frac{U_{02}}{R_{0}}$$
$$\frac{R_{if +}}{R_{if +} + R_{d +}} = \frac{U_{01}}{U_{02}}\ \Rightarrow \ R_{if +} = \frac{U_{01}R_{d +}}{U_{02} - U_{01}} = \frac{4,797\ V \bullet 12,149\ k\Omega}{5,334\ V - 4,797\ V} = 108,527\ k\Omega$$
Analogicznie dla wejścia odwracającego:
$$R_{if -} = \frac{U_{01}R_{d -}}{U_{02} - U_{01}} = \frac{- 4,371\ V \bullet 1,4896\ k\Omega}{- 5,338\ V - ( - 4,371\ V)} = 6,733\ k\Omega$$
7. Wnioski
Po przeprowadzeniu symetryzacji układu otrzymaliśmy wzmocnienie sygnału wspólnego kucf=-0,798 mV/V, czyli ponad trzy razy mniejsze niż otrzymane w obliczeniach teoretycznych (jeśli chodzi o wartości bezwzględne). Tym samym otrzymaliśmy współczynnik tłumienia sygnału wspólnego trzy razy większy od przyjmowanego w obliczeniach. Są to zmiany mające pozytywny wpływ na działanie układu, gdyż dla idealnego wzmacniacza CMRRf powinien dążyć do nieskończoności (kucf→0).
W układzie sygnału wspólnego przy źródłach symetrycznych obliczone wzmocnienie sygnału wspólnego jest ponad 3,7 razy niższe niż wyznaczone podczas symetryzacji. Odzwierciedla
się to w charakterystyce przejściowej układu – sygnał na wyjściu wzmacniacza praktycznie
nie zmienia się w porównaniu do sygnału wspólnego podawanego na jego wejście.
W układzie sygnału wspólnego z rezystorem Rg symulującym niesymetrię źródeł wzmocnienie sygnału wspólnego wzrasta gwałtownie (ok. 124 razy) w porównaniu do wyznaczonego podczas symetryzacji. W charakterystyce wyraźnie uwidacznia się liniowa zależność napięcia na wyjściu wzmacniacza od napięcia podawanego na jego wejście.
W układzie sygnału różnicowego przy źródłach symetrycznych wzmocnienie sygnału różnicowego jest o 1,57% większe niż przyjmowane w rozważaniach teoretycznych. Natomiast w układzie z rezystorem Rg symulującym niesymetrię źródeł o 8,76% niższe. Obrazują to charakterystyki (ich liniowa część).
Układ zasilany sygnałem różnicowym dużo mniej negatywnie reaguje na niesymetrię zasilania, niż układ zasilany sygnałem wspólnym. W tym ostatnim gwałtownemu pogorszeniu ulegają parametry układu – przekraczają dopuszczalne wartości potrzebne do właściwej pracy wzmacniacza.
Różnice pomiędzy obliczonymi teoretycznie, a wyznaczonymi na podstawie pomiarów wartościami rezystancji wejściowych prezentuje tablica 7.
Tab. 7. Rezystancje wejściowe
| Rif+ [kΩ] | Rif- [kΩ] | |
|---|---|---|
| Obliczone | 110 (110,029) | 6,8 (6,740) |
| Wyznaczone | 108,527 | 6,733 |
| Różnica | -1,34% (-1,37%) | -0,99% (-0,10%) |
Uwaga: w nawiasach podano wartości uwzględniające rzeczywiste parametry rezystorów.
Różnice pomiędzy wartościami obliczonymi teoretycznie a wartościami zmierzonymi są nieznaczne i mogą wynikać z niepewności przyrządów pomiarowych oraz tolerancji zastosowanych do budowy układu elementów, którą opisuje błąd względny ilorazu δ:
$$\frac{R_{4}}{R_{3}} = \frac{R_{2}}{R_{1}}\left( 1 + \delta \right) \Rightarrow \delta = \frac{R_{4}R_{1}}{R_{3}R_{2}} - 1 = \frac{100,12\ k\Omega \bullet 6,740\ k\Omega}{9,909\ k\Omega \bullet \left( 67,06\ k\Omega + 1,0034\ k\Omega \right)} - 1 = 5,47 \bullet 10^{- 4}$$
Niska wartość współczynnika wyjaśnia małe rozbieżności i świadczy o dobrze przeprowadzonej symetryzacji i kompensacji układu.
Wyszukiwarka