LABORATORIUM ELEKTRONIKI

SPRAWOZDANIE

Temat: Wzmacniacze operacyjne

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z podstawowymi parametrami wzmacniaczy operacyjnych i praktyczne wykorzystanie ich właściwości do realizacji określonych funkcji. Wykonaliśmy szereg określonych doświadczeń w celu zbadania oraz sprawdzenia właściwości wzmacniaczy operacyjnych. Na samym początku dokonywaliśmy pomiarów napięcia wyjściowego w zależności od zadanego napięcia wejściowego, sukcesywnie zwiększanego, w celu znalezienia wartości, przy której następuje nasycenie wzmacniacza. Realizowaliśmy także funkcję przy pomocy odpowiedniego połączenia wzmacniaczy oraz rezystancji.

Wzmacniacz operacyjny - 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.

Idealny wzmacniacz powinien charakteryzować się :

• nieskończenie wielką wartością rezystancji wejściowej

• zerową wartością rezystancji wyjściowej

• nieskończenie szerokim pasmem częstotliwości

• nieskończenie wielką wartością wzmocnienia napięciowego

• zerowymi zmianami w funkcji czasu i temperatury podstawowych parametrów wzmacniacza.

Przykładowy schemat wzmacniacza operacyjnego:

Wzmocnienie sygnału liczymy ze wzoru:

Minus wynika z faktu, że wzmacniacz jest odwracalny, tzn. sygnał wejściowy podany do wejścia jest ze znakiem minus.

Przebieg laboratorium

Pierwszy pomiar wykonywaliśmy dla K_u =1 stopniowo zwiększając napięcie wejściowe. Zaobserwowaliśmy, że wzrost napięcia wejściowego jest równy w przybliżeniu wzrostowi napięcia wyjściowego, a więc przebieg zmiany napięcia jest liniowy. Z racji, że badania przeprowadzaliśmy na wzmacniaczu odwracającym, wartość sygnału otrzymanego na wyjściu, od wejściowego różnił się praktycznie tylko znakiem - jest on przeciwny.

Uwe	Uwy
-13,84	13,95
-8,67	8,74
-7,67	7,73
-6,23	6,29
-5,49	5,53
-3,37	3,4
-2,2	2,21
-1,13	1,14
0	0
1,01	-1,02
2,07	-2,09
3,46	-3,49
5,06	-5,11
6,34	-6,39
7,63	-7,7
8,56	-8,64
10,15	-10,24

Powyższe doświadczenie powtórzyliśmy dla K_u = 10. Zauważyliśmy, że nie jest możliwe wzmacnianie sygnału w nieskończoność - od pewnej wartości przebieg zaczyna się zakrzywiać. Po osiągnięciu wartości granicznej napięcia wyjściowego (wartość nasycenia), dalszy jego wzrost nie był już możliwy. Wyznaczyliśmy wartość tego napięcia oraz naszkicowaliśmy wykres:

Uwe	Uwy
-2,5	14,36
-1,69	14,36
-1,42	14,22
-1,1	11,05
-0,75	7,52
-0,35	3,44
0	0
0,33	-3,36
0,86	-8,66
1,25	-12,69
1,45	-13,03
1,72	-13,03

Sumator

Kolejnym celem laboratorium było wykonanie operacji sumowania. Zsumowaliśmy 2 sygnały:

1. U_we1 = 2,03V K_u=1 (U_wy1 = -2,08V)

2. U_we2 = 0,51V K_u=10 (U_wy2 = -5,06V)

Po podłączeniu tych sygnałów w jeden obwód napięcie wyjściowe U_wy wynosiło -7,15V

Obliczenia matematyczne: U_wy = -(U_we1 + 10 U_we2) = -(2,03 + 5,1) = -7,03V

Wynik uzyskany przy użyciu wzmacniacza operacyjnego jest prawie dokładny.

Całkowanie

Następnym zadaniem było sprawdzenie wzmacniacza całkującego (z wbudowanym kondensatorem zamiast opornika). Aby to doświadczenie wyszło poprawnie, najpierw trzeba rozładować kondensator.

Schemat wzmacniacza całkującego wygląda następująco:

Rozpatrywaliśmy układ dla C₁=0,1μF. Jeżeli napięcie wejściowe było równe 0V, to napięcie wyjściowe nie ulegało zmianie (też wynosiło 0V).

Po ustawieniu napięcia wejściowego na ok. 8V zauważyliśmy liniowy spadek napięcia wyjściowego (o 2V na ok. 30 sekund).

Sprawdziliśmy także jak będzie się zachowywał układ dla C1=1μF. Spadek również był liniowy, jednak o 0,5V na ok. 1minutę i 20 sekund, czyli znacznie dłużej.

Na koniec ćwiczenia wykonaliśmy bardziej skomplikowaną operację wyrażenie matematyczne 2(x₁ + 10x₂):

Aby wykonać takie obliczenia, zauważyliśmy, że:

2(x₁+10*x₂) = 2x₁+20x₂

Połączyliśmy ze sobą równolegle 2 wejścia o R=1Ω oraz 2 wejścia o R=0,1Ω.

Wskutek czego otrzymaliśmy:

R₁=0,5Ω, a więc K_u=1:0,5=2

R₂=0,05Ω, a więc K_u=1:0,05=20

Teraz wystarczyło tylko ustalić napięcia wejściowe (x₁=1,5V oraz x₂=0,15V).

Potencjometr wykazał y₁=3V oraz y₂=3,09V.

Sumując otrzymujemy 6,16V.

Obliczenia matematyczne: 2*1,5+20*0,15=6V.

Wnioski:

Za pomocą wzmacniaczy operacyjnych można łatwo sumować oraz całkować sygnały, dlatego znalazł zastosowanie w układach elektronicznych.

Wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się dużym współczynnikiem wzmocnienia prądu stałego.

Błędy pomiarowe wynikają z tego, że wzmacniacz operacyjny idealny jest niemożliwy do zbudowania. Zawsze jakieś minimalne odchylenia pozostaną w stosunku do wyników analitycznych.

---