Bartosz Bilski 8.11.2004r.

Gr. 35, zespół 2

Zakład Elektroniki Przemysłowej IIBiP

LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH

ćwiczenie 3: Wzmacniacz operacyjny

Schemat układu pomiarowego wykorzystywanego w ćwiczeniu przedstawia poniższy rysunek:

1. Wejściowe prądy polaryzacji i napięcie niezrównoważenia wzmacniacza.

Zwierając klucze P3 i P6 zrealizowano następujący układ:

1.1. Wyznaczenie wartości prądu I_B+.

Po dołączeniu woltomierza cyfrowego napięcia stałego między zaciski We2 i MASA zmierzono spadek napięcia U_R3 na rezystorze R3, spowodowany przepływem wejściowego prądu polaryzacji I_B+, dzięki czemu możemy otrzymać:

1.2. Wyznaczenie wartości prądu I_B-.

Po dołączeniu woltomierza cyfrowego napięcia stałego między zaciski We1 i Wy zmierzono spadek napięcia U_R4'' na rezystorze R4'', spowodowany przepływem wejściowego prądu polaryzacji I_B-, dzięki czemu możemy otrzymać:

1.3. Wyznaczenie wartości wyjściowego i wejściowego napięcia niezrównoważenia.

Po dołączeniu woltomierza cyfrowego napięcia stałego między zaciski Wy i MASA zmierzono całkowite wyjściowe napięcie niezrównoważenia U_wy wzmacniacza, wynikające z sumowania się spadków napięć od przepływu wejściowych prądów polaryzacji oraz wejściowego napięcia niezrównoważenia U_I0. Wyraża się ono zależnością:

U_wy = U_I0 + I_B- · R_4" - I_B+ · R₃

Z tejże zależności możemy obliczyć wartość U _I0 :

U_I0 = U_wy - I_B- · R_4" + I_B+ · R₃ = 5,5mV - 9,5mV + 1mV = -3mV

Wejściowy prąd niezrównoważenia I_I0:

I_I0 = I_B+- I_B- = 100nA - 950nA = -850nA

1.4. Wyznaczenie temperaturowego współczynnika napięcia niezrównoważenia.

Przy ustawieniu: P1, P2, P5 - zwarte, pozostałe - rozwarte, obserwowano zmianę ΔU_wy pod wpływem ogrzania obudowy wzmacniacza o szacunkowe 10K. Wyznaczono temperaturowy współczynnik napięcia niezrównoważenia wg. zależności:

Powyższe wyniki zebrano w tabeli i porównano z wartościami katalogowymi.

Parametr		wartość zmierzoma	wartość katalogowa
wej. prąd polaryzacji IB+, IB-	nA	100; 950	80
wej. prąd niezrównoważenia II0	nA	-850	20
wej. napięcie niezrównoważenia UI0	mV	3	2
dryf temperaturowy STH	V/K	667	7

2. Praca wzmacniacza operacyjnego bez sprzężenia zwrotnego - komparator.

Rozwierając wszystkie klucze zrealizowano następujący układ:

Utrzymując U_we=1,00V  0,010V = const dostarczane do We1 zmieniano napięcie dostarczane do We2 i obserwowano zmiany na U_WY, co obrazuje poniższa tabela:

UWe2	V	0,950	0,960	0,970	0,980…1,030	1,040	1,050
UWY	V	-9,68	-9,68	-9,67	-9,65	-9,6	11,16

Na podstawie powyższych wyników wykreślono charakterystykę U_wy(U_we2) oraz wykonano towarzyszące obliczenia, zawarte w załączniku.

3. Wzmacniacz odwracający.

Zwierając P2 i P6 zrealizowano następujący układ:

Do wejścia We1 dostarczano napięcia z przedziałów 0,2V ― 1,2V oraz (-0,2)V ― (-1,2)V i obserwowano zmiany napięcia na Wy, czego zapisem jest poniższa tabela:

U1	V	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2
UWY	V	-1,81	-3,57	-5,34	-7,12	-8,89	-9,27

U1	V	-0,2	-0,4	-0,6	-0,8	-1,0	-1,2
UWY	V	1,74	3,51	5,28	7,06	8,84	10,48

Na podstawie powyższych wyników wykreślono charakterystykę U_wy(U₁) oraz wykonano towarzyszące obliczenia, zawarte w załączniku.

Po szeregowym dołączeniu miliamperomierza między wejście wzmacniacza a dzielnik napięcia zmierzono przyrost prądu ΔI₁ =1,62mA, przypadający na przyrost napięcia ΔU₁ = 1,6V. Można przez to znaleźć rezystancję wejściową wzmacniacza:

Co jest bliskie teoretycznej wartości R_WE=1kΩ.

Rzeczywiste wzmocnienie napięciowe układu wyliczamy z

Po odłączeniu U1 (U1=0) zmierzono wyjściowe napięcie niezrównoważenia:

U_wy(U1=0) = U_wyN = -38,5mV

Niezrównoważenie „przesuwa” charakterystykę w stronę malejących wartości U1.

Wyznaczona przez pomiary (patrz Z2) wartość wzmocnienia różni się od nominalnej (k_nom = -10), co można scharakteryzować błędem względnym wartości wzmocnienia:

Maksymalny błąd względny spowodowany tolerancją wykonania rezystorów wynosi:

δ_K(R)= δ_KR1 + δ_KR4'' =1,5%

Maksymalny błąd względny wzmocnienia nominalnego k_nom spowodowany skończoną wartością wzmocnienia A:

Zestawienie powyższych wyników zawiera poniższa tabela:

knom	k rzecz	δk	δk(R)	δk(A)
-10	-8,86	11,4%	1,5%	50%

4. Wzmacniacz nieodwracający.

Zwierając P1 i P6 zrealizowano następujący układ:

Dokonano pomiarów wyznaczenia charakterystyki U_wy(U₂), których wyniki zawiera poniższa tabela:

U2	V	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2
UWY	V	1,93	3,89	5,86	7,83	9,8	10,53

U2	V	-0,2	-0,4	-0,6	-0,8	-1,0	-1,2
UWY	V	-2	-3,98	-5,94	-7,91	-9,33	-9,35

Po szeregowym dołączeniu miliamperomierza między wejście wzmacniacza a zaciski wejściowe przyrost prądu ΔI przypadający na przyrost napięcia ΔU₂ = 0,8V był bardzo mały, czyli przybliżenie R_WE=∞ można uznać za wystarczające.

Po odłączeniu U2 (U2=0) i wciśnięciu P2 zmierzono wyjściowe napięcie niezrównoważenia:

U_wy(U2=0) = U_wyN = -38mV

5. Wtórnik napięciowy.

Zwierając P6 zrealizowano następujący układ:

Zmierzono napięcie wyjściowe dla dwóch wartości napięć wejściowych, co zawarto w poniższej tabeli:

U2 [V]	8,000	-8,000
UWY [V]	7,99	-8

Na podstawie której możemy obliczyć przyrostowe wzmocnienie napięciowe wtórnika:

gdy teoretycznie k_teor= 1.

6. Wzmacniacz różnicowy.

Zwierając P3 i P6 zrealizowano następujący układ:

Na podstawie zależności:

obliczamy, że wzmocnienie teoretyczne:

k_rnorm=10

Doprowadzając do wejść WE1 i WE2 napięcia: niezmienne U2=2,00V=const i zmienne w czasie pomiarów U1 (0,8V÷3,2V) sporządzono następującą tabelę:

U2-U1	V	1,2	1,0	0,8	0,6	0,4	0,2	0
UWY	V	10,52	10,08	8,12	6,11	4,2	2,23	0,05

U2-U1	V	-0,2	-0,4	-0,6	-0,8	-1,	-1,2
UWY	V	-1,84	-3,84	-5,83	-7,88	-9,17	-9,18

Graficzną ilustracją tych pomiarów jest charakterystyka U_WY (U2-U1), zawarta w załączniku.

Wyznaczenie wzmocnienia napięciowego sygnału wspólnego:

gdy U_WS=2V to U_WY=-2,5mV

gdy U_WS=-2V to U_WY=-69,5mV

więc:

Możemy teraz wyznaczyć CMMR:

[dB]

Wyznaczona przez pomiary (patrz Z4) wartość wzmocnienia różni się od nominalnej (k_nom = 10), co można scharakteryzować błędem względnym wartości wzmocnienia:

δ_K(R)= δ_KR1 + δ_KR4'' =1,5%

We wzmacniaczu różnicowym występuje ponadto błąd wzmocnienia spowodowany wzmacnianiem sygnału wspólnego, wyrażonym wartością zmierzonego uprzednio współczynnika CMRR. Błąd ten określony jest wzorem:

Zestawienie powyższych wyników zawiera poniższa tabela:

knom	k krzecz	δkrzecz	δk(R)	δk(CMMR)
10	8,84	11,4%	1,5%	0,16%

7. Charakterystyka częstotliwościowa.

Wyznaczano charakterystykę częstotliwościową dla dwóch przypadków:

1. k_rnorm=-10, U_WE=50mV

f	[kHz]	0,1	0,2	0,5	1	2	5	10	20	50	100	200	500	1000
Uwy	[mV]	510	520	520	510	750	750	750	700	550	400	160	70	32
K	[dB]	44,6	44,8	44,8	44,6	48	48	480	47,4	45,3	42,5	34,5	27,4	3,1

Ilustruje to charakterystyka, stanowiąca wykres w załączniku.

2. k_rnorm=-300, U_WE=5mV

f	[kHz]	0,1	0,2	0,5	1	2	5	10	20
Uwy	[mV]	1300	1300	1300	1250	300	500	380	120
K	[dB]	52,7	52,7	52,7	52,4	40	44,4	42,1	32

Ilustruje to charakterystyka, stanowiąca wykres w załączniku.