SPRAWOZDANIE Z LABORATORIUM ELEKTRONIKI

ĆWICZENIE NR 2: Wzmacniacz operacyjny.

Przygotowali:

Jacek Osmólski

Magdalena Maj

Michał Pomarański

Jakub Winiczuk

1. Wstęp

Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych parametrów wzmacniacza operacyjnego oraz możliwości zastosowania tego typu układów elektronicznych. Wzmacniacz operacyjny to wzmacniacz prądu stałego o dużym wzmocnieniu. Jego nazwa wywodzi się od pierwotnego zastosowania do wykonywania operacji matematycznych
(np. sumowania, logarytmowania, różniczkowania, całkowania, itp.). Jest to układ analogowy.

Podczas laboratorium wykonywaliśmy ćwiczenia na wzmacniaczu operacyjnym podając do niego napięcia stałe. Wzmacniacz operacyjny nie ma zastosowanego elementu pojemnościowego, wycinającego składowej stałej. Fakt ten pozwala mu na wzmocnienie sygnału o zerowych częstotliwościach.

Dzięki jego własnościom stosowany jest on do wzmacniania sygnałów w o bardzo powolnych zmianach, gdzie inny wzmacniacz wytłumiłby nam jeszcze sygnał, który chcieliśmy wzmocnić.

Nazwa wzmacniacze operacyjne dotyczy dużej grupy analogowych układów elektronicznych (obecnie w wykonaniu scalonym) wykorzystywanych wykorzystywanych w różnych układach wykorzystywanych urządzeniach elektronicznych. Są to wzmacniacze napięcia stałego, pracujące z odpowiednimi układami ujemnych sprzężeń zwrotnych. W zależności od dodatkowych obwodów sprzężeń zwrotnych wzmacniacz operacyjny może dokonywać operacji dodawania, odejmowania, całkowania, różniczkowania, logarytmowania i wielu innych. Pierwsze wzmacniacze operacyjne realizowane były z elementów dyskretnych dyskretnych i ich właściwości bardzo odbiegały od nowoczesnych, półprzewodnikowych, wykonywanych w technice scalonej. Zakres ich zastosowań został znacznie rozszerzony – od układów wyspecjalizowanych do układów powszechnego użytku.

Schemat wzmacniacza operacyjnego przedstawiono na rys. 1. Idealny wzmacniacz operacyjny powinien mieć następujące właściwości:

• Nieskończona rezystancja wejściowa Rwe;

• Zerowa rezystancja wyjściowa Rwy;

• Nieskończone wzmocnienie Ku;

• Nieskończone pasmo częstotliwości;

• Zerowy dryft.

W praktyce uzyskuje się bardzo duże wartości rezystancji wejściowej, wzmocnienia, pasma częstotliwości.

Wzmacniacze operacyjne – potrafią wzmacniać sygnały o bardzo małych częstotliwościach (0kHz – 5kHz). Dostajemy stabilne wzmocnienie w odróżnieniu od wzmacniaczy cyfrowych. Sygnał stały jest dobrze wzmocniony jednak istnieją pewne ograniczenia.

Podstawowy układ wzmacniacza operacyjnego odwracającego wygląda następująco:

Odpowiednio dobierając rezystory można sterować wzmocnieniem. Odbywa się to według zależności:

2. Przebieg ćwiczenia

Na ćwiczeniach badaliśmy wzmacniacze operacyjne o różnej wartości K_u

1. wzmocnienie K_u =-10

Skonstruowany układ przedstawiony jest na rysunku poniżej:

Zmieniając napięcie wejściowe sprawdzaliśmy jak zmieni się napięcie na wyjściu. Wyniki przedstawione są w poniższej tabeli oraz na wykresie:

Uwe	-2,8	-2,5	-2	-1,6	-1,45	-1,42	-1,12	-0,87	-0,71	-0,58	-0,42	-0,21
Uwy	14,28	14,28	14,28	14,28	14,28	14	11	8,6	6,9	5,6	3,95	2,3

Uwe	-0,21	0,11	0,24	0,47	0,61	0,8	1,1	1,28	1,37	1,4	1,9	3
Uwy	2,3	-1,23	-2,5	-4,83	-6,2	-8,14	-11	-12,8	-12,93	-12,93	-12,94	-12,94

W zakresie od ok (-1,45V ; 1,4V) napięcie jest wzmacniane -10 razy. Zauważyliśmy, że dalsze wzmacnianie sygnału nie jest możliwe, gdyż po osiągnięciu pewnej wartości (wartości nasycenia).

1. wzmocnienie K_u =-1

Skonstruowany układ przedstawiony jest na rysunku poniżej:

Zmieniając napięcie wejściowe sprawdzaliśmy jak zmieni się napięcie na wyjściu. Wyniki przedstawione są w poniższej tabeli oraz na wykresie. Dzięki wykonanym pomiarom jesteśmy w stanie naszkicować charakterystykę wzmocnienia

Uwe	-14	-10,5	-8,1	-4,9	-3,3	0	3,1	5,8	8,2	10,2	14
Uwy	14	10,5	8,1	4,9	3,3	0	-3,1	-5,8	-8,2	-10	-14

Zauważyliśmy, że napięcie wyjściowe jest równe co do modułu wejściowemu (ma przeciwny znak). Przebieg zmiany napięcia jest liniowy.

1. operacja sumowania

Kolejnym celem laboratorium było wykonanie operacji sumowania. Sumowaliśmy dwa sygnały: Uwe₁, który regulowaliśmy i Uwe₂=0,4V. Po elemencie sumującym znajdował się wzmacniacz o K_u=-1. Schemat układu znajduje się na poniższym rysunku:

RYSUNEK

3. Wnioski

Wzmacniacze operacyjne są najbardziej rozpowszechnionym analogowym układem elektronicznym, realizowanym w postaci monolitycznych układów scalonych. Wielka uniwersalność, przy jednoczesnym wykorzystaniu istotnych właściwości układów scalonych, daje możliwość stosowania ich w rozmaitych układach, urządzeniach i systemach elektronicznych, zapewniając masową produkcję, niską cenę i bardzo dobre parametry użytkowe. Również ważnym zastosowaniem wzmacniaczy operacyjnych jest wykorzystanie ich do budowy generatorów drgań elektrycznych.

Błędy pomiarowe wynikają z tego, że wzmacniacz operacyjny idealny jest niemożliwy do zrealizowania. Zawsze pozostaną minimalne odchylenia w stosunku do wyników analitycznych. Przy wykorzystywaniu wzmacniaczy operacyjnych do wykonywania operacji matematycznych należy uważać, aby nie przekroczyć poziomu nasycenia, ponieważ wyniki nie będąprawidłowe.

Wniosek o zastosowaniu sumowania (podniesienie wykresu)