Sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia
TEMAT: Badanie wzmacniacza operacyjnego
IMIĘ I NAZWISKO: Krzysztof Daroń			GRUPA: IZ-11
ZESPÓŁ: 5	DATA:	OCENA:	PODPIS:

1. OPIS TEORETYCZNY

Wzmacniaczem operacyjnym nazywamy wzmacniacz prądu stałego o dużym wzmocnieniu pracujący z zewnętrznym układem silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego, które zapewnia lepszą stałość pracy, zwiększa zakres dynamiki, poprawia liniowość i poszerza pasmo przenoszenia wzmacniacza.

Wzmacniacze operacyjne w zależności od charakterystyki częstotliwościowej lub przejściowej mogą dokonywać operacji dodawania, odejmowania, całkowania, różniczkowania, logarytmowania i wielu innych i dlatego są stosowane w maszynach liczących, w przetwornikach analogowo-cyfrowych (A/D) i cyfrowo-analogowych (D/A) oraz w układach pomiarowych.

Oznaczenia schematowe

1. powszechnie stosowany symbol

2. dodatkowo zaznaczone napięcia zasilające oraz napięcia wejściowe i wyjściowe

Idealny parametry wzmacniacza operacyjnego:

- nieskończenie dużym wzmocnieniem przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (K → ∞),

- nieskończenie szerokim pasmem przenoszenia częstotliwości,

- nieskończenie dużą impedancją wejściową, zarówno między wejściami, jak i między każdym z wejść a ziemią,

- impedancją wyjściową równą zeru,

- napięciem wyjściowym równym zeru przy równości napięć wejściowych (Uwy = 0 przy Uwe1 = Uwe2),

- nieskończenie dużym dopuszczalnym prądem wyjściowym,

- zerowym prądem wejściowym,

- wzmocnieniem idealnie różnicowym, tzn. nieskończenie dużym współczynnikiem tłumienia sygnału nieróżnicowego (definicję tego współczynnika podano w dalszej części opracowania),

- zachowaniem powyższych właściwości przy zmianach temperatury.

Wtórnik napięciowy jest specjalnym przypadkiem wzmacniacza nieodwracającego,
w którym R₁→ ∞, co powoduje, że wzmocnienie napięciowe układu jest równe 1. Ponieważ rezystancja wejściowa wtórnika jest bardzo duża, to układy te są stosowane w celu odseparowania źródła sygnału od odbiornika.

Wzmacniacz operacyjny w układzie odwracającym

Zakładamy, że wzmacniacz operacyjny ma właściwości idealne. Zatem jego rezystancja wejściowa R_d → ∞ i do wejść wzmacniacza nie wpływają żadne prądy.

Czyli I₁ = I₂, więc

Jak widać z rysunku potencjał na wejściu nieodwracającym jest równy potencjałowi masy (przez rezystor R₃ nie płynie żaden prąd).

Zatem:

W idealnym przypadku, gdy K → ∞, napięcie U_r jest bliskie zeru, potencjał punktu Z jest bliski potencjałowi masy. Z tego powodu punkt ten nazywamy masą pozorną. Zakładając, że U_r = 0 otrzymujemy z powyższych wzorów wartość wzmocnienia napięciowego wzmacniacza odwracającego:

Rezystancja wejściowa tego układu jest równa R₁. Wartość rezystora R₃ należy dobrać równą rezystancji połączenia równoległego R₂ i R₁. Uzyskuje się wówczas najmniejszy błąd spowodowany napięciem niezrównoważenia, powstającym na skutek przepływu wejściowych prądów polaryzujących.

W ogólnym przypadku rezystory R₁ i R₂ należy zastąpić impedancjami Z₁ i Z₂ ma to niekiedy istotne znaczenie. Wówczas uogólniony wzór określający wartość wzmocnienia napięciowego wzmacniacza odwracającego przyjmuje postać:

Wzmacniacz operacyjny w układzie nieodwracającym

W układzie nieodwracającym przedstawionym na rysunku napięcie doprowadza się do wejścia nieodwracającego, do drugiego wejścia jest doprowadzana przez dzielnik oporowy część napięcia wyjściowego.

Zgodnie z oznaczeniami na rysunku 7.6 otrzymujemy:

Zatem mamy:

Stąd:

Przyjmując, że K → ∞ (wzmacniacz idealny) uzyskujemy wzór końcowy określający wzmocnienie napięciowe układu:

Wzmocnienie układu jest zawsze równe lub większe od jedności i jego wartość zależy tylko od wartości rezystorów w układzie sprzężenia zwrotnego. W układzie wzmacniacza nieodwracającego nie ma punktu masy pozornej. Z warunku K → ∞ wynika fakt, że U_r → 0. Zatem w praktyce różni-ca napięć między wejściami wzmacniacza operacyjnego jest w tym układzie bardzo mała. Rezystancja wejściowa układu rzeczywistego jest bardzo duża. Jednak w układach ze sprzężeniem bezpośrednim większe znaczenie niż rezystancja wejściowa ma wejściowy prąd polaryzujący i spadek napięcia, jaki daje on na rezystancji źródła sygnału.

2. SPIS PRZYRZĄDÓW

Zestaw labolatoryjny:

IDL-600 ANALOG LAB 010757

Uniwersalny miernik cyfrowy:

DM830D DF: 0841218

Zasilacz:

NO: DE-60-24

3. SCHEMATY POŁĄCZEŃ

4. TABELE Z WYNIKAMI POMIARÓW

Tabela 1. Wyniki pomiaru charakterystyki przejściowej wzmacniacza odwracającego.

Zasilanie z +5V				Zasilanie z -5V
L.p.	Uwe [mV]	Uwy [V]	kuf [V/V]	L.p.	Uwe [mV]	Uwy [V]	kuf [V/V]
1.	5	-0,5	-100	1.	-5	0,5	-100
2.	10	-1,02	-100	2.	-10	1,06	-100
3.	20	-2,07	-100	3.	-20	2,08	-100
4.	30	-3,1	-100	4.	-30	3,1	-100
5.	40	-4,14	-100	5.	-40	4,15	-100
6.	50	-5,17	-100	6.	-50	5,18	-100
7.	60	-6,23	-100	7.	-60	6,23	-100
8.	70	-7,23	-100	8.	-70	7,28	-100
9.	80	-8,28	-100	9.	-80	8,31	-100
10.	90	-9,33	-100	10.	-90	9,31	-100

Tabela 2. Wyniki pomiarów Uwy = f (Uwe) wzmacniacza nieodwracającego.

Zasilanie z +5V				Zasilanie z -5V
L.p.	Uwe [mV]	Uwy [V]	kuf [V/V]	L.p.	Uwe [mV]	Uwy [V]	kuf [V/V]
1.	5	0,5	100	1.	-5	-0,5	100
2.	10	1	100	2.	-10	-0,98	100
3.	20	1,98	100	3.	-20	-1,95	100
4.	30	2,94	100	4.	-30	-2,94	100
5.	40	3,92	100	5.	-40	-3,95	100
6.	50	4,98	100	6.	-50	-4,9	100
7.	60	5,86	100	7.	-60	-5,92	100
8.	70	6,87	100	8.	-70	-6,86	100
9.	80	7,81	100	9.	-80	-7,99	100
10.	90	8,82	100	10.	-90	-8,82	100

5. WYNIKI OBLICZEŃ

5.1. Obliczenie napięcia niezrównoważenia.

5.2. Wyznaczenie wzmocnienia wzmacniacza odwracającego.

Korzystamy ze wzoru:

5.3. Wyznaczenie wzmocnienia wzmacniacza nieodwracającego.

Korzystamy ze wzoru:

6. WYKRESY

Wykresy zostały zamieszczone w załączniku.

7. ANALIZA METROLOGICZNA WYNIKÓW

Niepewności standardowe wielkości mierzonych bezpośrednio obliczałem korzystając ze wzoru:
.

Napięcie mierzone woltomierzem cyfrowym (Uc).

Rozdzielczość przyrządu przy zakresie do 2V wynosiła: 0,01[V].

Obliczając ze wzoru: u(Uc) = 0,0058 [V]

Rozdzielczość przyrządu przy zakresie do 200 mV wynosiła: 0,1[mV].

Obliczając ze wzoru: u(Uc) = 0,058 [mV]

8. WNIOSKI

- Celem ćwiczenia było zmontowanie układu wzmacniacza operacyjnego ULY 7741 na płycie łączeniowej, zgodnie z rozkładem wyprowadzeń i przeprowadzenie badań zastosowań liniowych wzmacniacza.

- Ewentualne błędy mogły być wynikiem wpływu nieporządnych oporności (rezystancje mierników, przewodów połączeniowych, rezystancje na stykach przewodów), a także błędami wprowadzanymi przez mierniki. Nie miało to jednak znaczącego wpływu na ogólny sens ćwiczenia i otrzymane wyniki.

---