Ćwiczenie laboratoryjne z elektroniki nr 5:

Wzmacniacz operacyjny.

1. Badanie wzmacniacza operacyjnego - komparator napięcia.

Układ montujemy według schematu.

Do wejścia IN+ podłączamy generator funkcji (XFG1).

Do wejścia IN- podłączamy źródło napięcia stałego (V3).

Na koniec podłączamy oscyloskop (XSC1), aby śledzić przebiegi wejściowe i wyjściowe.

1. (XFG1) U=1V, f=1Hz

(V3) U=0V

Na wyjściu obserwujemy prostokątny sygnał, będący efektem bardzo dużego wzmocnienia tego wzmacniacza. Amplitudę sygnału skutecznie ogranicza napięcie zasilające wzmacniacz.

Gdy napięcie podane na wejście z generatora funkcji jest dodatnie: napięcie wyjściowe sięga 11.1V, gdy jest ujemne: -11.1V.

b) (XFG1) U=1V, f=1Hz

(V3) U=0.5V

Kiedy źródło napięcia V3 przestawimy na 0.5V wtedy, możemy zaobserwować że, gdy napięcia wejściowe się równoważą sygnał wyjściowy jest bliski zeru. Gdy różnica napięć na wejściach jest dodatnia sygnał wyjściowy osiąga wartość maksymalną: 11.1V, gdy jest ujemna - wartość przeciwną: -11.1V. Wzmacniacz operacyjny w takim układzie możemy więc nazwać komparatorem napięć, ponieważ pozwala porównywać względem siebie napięcia na obu swoich wejściach.

Podobny efekt będzie, gdy źródło napięcia V3 ustawimy na -0.7V:

(uwaga: w/g danych zmiana napięcia na wyjściu powinna następować przy różnicy napięć
-0.7V, ale ponieważ odwrotnie została wpięta do układu bateria V3 mamy odwrotny efekt - zmiana napięcia wyjściowego następuje przy 0.7V patrz wykres)

2. Wzmacniacz odwracający.

Na wyjście odwracające fazę IN- podłączamy źródło napięcia stałego (V3).

Na wejściu i wyjściu montujemy woltomierze napięcia stałego (XMM2 i XMM1).

1. Mamy dobrać tak wartości rezystorów R1 i R2, aby uzyskać wzmocnienie 10-krotne.

Wzmocnienie napięciowe obliczamy ze wzoru: U_WY/U_WE= -R₂/R₁

Ustawiamy więc rezystor R1 na 1kΩ a R2 na 10kΩ.

Sprawdzamy poprawność działania układu.

(V3) U= -1V

(XMM2) U_WE= -0.499V

(XMM1) U_WY= 5.007V

Doświadczalnie stwierdzamy więc, że wzmocnienie napięciowe wynosi U_WY/U_WE=10.03.

b) Sprawdzamy jeszcze zgodność z obliczeniami układu o wzmocnieniu 0.2.

Aby otrzymać takie wzmocnienie ustawiamy rezystancję R2 na 1kΩ, a R1 na 5kΩ.

(V3) U= -1V

(XMM2) U_WE= -0.833V

(XMM1) U_WY= 0.168V

Doświadczalnie stwierdzamy, że wzmocnienie napięciowe wynosi U_WY/U_WE=0.201, czyli tyle samo co obliczone ze wzoru.

c) Doświadczalnie wyznaczamy rezystancję wejściową wzmacniacza Rg.

Robimy to w ten sposób, że szukamy rezystancji Rg takiej, która spowoduje, że woltomierz XMM2 wskaże napięcie dokładnie 2 razy mniejsze niż napięcie źródła prądu V3.

Okazuje się, że niezależnie od ustalonego wzmocnienia wartość Rg musi być równa R1.

Czyli dla 10-krotnego wzmocnienia (R1=1 kΩ, R2=10 kΩ) Rg wynosi 1 kΩ.

3. Wzmacniacz nieodwracający.

a) Mamy dobrać wartości rezystorów R1 i R2 tak, aby uzyskać wzmocnienie napięciowe równe 10. Tym razem wzór wygląda następująco: U_WY/U_WE= 1+R₂/R₁.

Wynika z tego, że R₂/R₁=9. Ustawiamy więc R2=9kΩ, a R1=1kΩ.

Przy napięciu wejściowym V3: U=1V woltomierz XMM1 wskazuje: U=10.01V. Sprawdziliśmy więc doświadczalnie poprawność działania tego układu.

b) Chcemy ustawić wzmocnienie napięciowe równe 0.2. Analizując wzór U_WY/U_WE= =1+R₂/R₁ można dojść do wniosku, że ustawienie wzmocnienia mniejszego od 1 jest niemożliwe ponieważ stosunek rezystancji R₂/R₁ musiałby być równy -0.8 !!!

Wzmocnienie takie (0.2) udało się nam jednak uzyskać przez pozbycie się rezystancji R2 i ustawienie wartości R1 na 8Ω. Nie jest to chyba jednak zgodne z rzeczywistym działaniem tego wzmacniacza (przecież istnieje rezystancja wyjściowa wzmacniacza!).

c) Aby ustawić wzmocnienie napięciowe równe 1, musimy (wg wzoru) spowodować, żeby stosunek R₂/R₁ był równy zero. Wynika z tego że R2 musi być dużo mniejsze od R1. Ewentualnie możemy całkowicie usunąć rezystancję R2 (R1 musi pozostać duże). Otrzymujemy w ten sposób wtórnik napięcia. Napięcie na wejściu i wyjściu wzmacniacza będzie identyczne.

strona 2/4

---