1. Cel ćwiczenia 2. Wprowadzenie 3. Program zajęć 3.1

PP>WE>Dz>AiR>Inż>Sem3
07
ELEKTRONIKA
Wyznaczanie parametrów rzeczywistych wzmacniaczy
operacyjnych (płytka wzm.I)
laboratorium
2009
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest doświadczalne wyznaczenie parametrów danego wzmacniacza
operacyjnego. Ćwiczenie ma pokazać w jakich warunkach wzmacniacz operacyjny może być
traktowany jako idealny, a w jakich nie może.
2. Wprowadzenie
W poprzednim ćwiczeniu (nr 6) zostały wymienione podstawowe cechy idealnego
wzmacniacza operacyjnego. Stanowią one punkt odniesienia do wyników uzyskiwanych w
laboratorium, które można skonfrontować z danymi katalogowymi (nazwa układu widnieje na
jego obudowie). Należy zwrócić uwagę na parametry, które dzięki zastosowanej technologii
wykonania wzmacniacza operacyjnego są tak bliskie ideałowi że ich rzeczywista wartość
rozmywa się w błędach pomiarowych dostępnych mierników.
3. Program zajęć
W trakcie zajęć należy wyznaczyć parametry wzmacniacza według co najmniej połowy
opisanych niżej metod.
3.1. Wzmocnienie różnicowe
Pomiar wzmocnienia układu z otwartą pętlą (rys.3.1), jako stosunku napięć wyjścia do
wejścia, jest utrudniony ze względu na konieczność mierzenia bardzo małych sygnałów
wejściowych, stosowanych dla uniknięcia wejścia wzmacniacza w ograniczenie. Jest to jednak
metoda rekomendowana przez IEC. Ta metoda jest kłopotliwa ze względu na trudne ustalenie
punktu pracy wzmacniacza z otwartą pętlą w obszarze liniowym. Wzmacniacz w takiej
konfiguracji ma tendencje do wchodzenia w jeden ze stanów nasycenia. Z tego powodu podczas
prostych laboratoryjnych pomiarów korzystniej jest stosować układ z zamkniętą pętlą (rys.3.2).
Dla ułatwienia pomiaru wzmacniacz włączono w konfiguracji z zamkniętą pętlą i wzmocnieniem
w przybliżeniu równym -1 (R1 = R2). Sygnał z generatora sinusoidalnego przed podaniem na
wejście jest doprowadzony do dzielnika (R3, R4). Dzięki temu na wejściach wzmacniacza mierzy
się większe napięcia.
Rys. 3.1) Schemat pomiarowy dla metody definicyjnej
Dla metody praktycznej:
R1=50 [k ]; R 2=50[ k ]; R3=99 [k ]; R 4=1[k ] ;
k u0 =
V 2 R3R 4
⋅
V 10
R4
-1/6-
(3.1)
Rys. 3.2) Schemat pomiarowy dla metody praktycznej wyznaczania wzmocnienia
3.2. Charakterystyka częstotliowściowa
Wyznacza się ją w układzie przedstawionym na rysunku 3.2. Dla tego badania należy użyć
wymuszenia sinusoidalnego z generatora.
3.3. Maksymalna szybkość zmian sygnału na wyjściu (ang. slew rate)
Podłączając generator sygnału prostokątnego (o częstotliwości dużo niższej aniżeli
graniczna i o stromym nachyleniu zboczy) na wejście układu (3.3) na wyjściu obserwuję się
różnicę nachylenia zbocza narastającego i opadającego.
Rys. 3.3) Układ wtórnika napięciowego dla pomiaru „slew rate”
3.4. Wejściowe napięcie niezrównoważenia
R2=100[k ]
R3=100 [] , 50 [k ] , 10 [M ]
Rys. 3.4) Schemat konfiguracji połączeń dla pomiaru nap. niezrównoważenia
Układ do pomiaru tego parametru pokazano na rysunku 3.4. W tym wypadku napięcie
niezrównoważenia jest wzmacniane poprzez wzmacniacz odwracający do poziomu łatwo
mierzalnego. Wartość napięcia wyjściowego zależy od sumarycznego wpływu wejściowego
napięcia niezrównoważenia U10 i wejściowego prądu niezrównoważenia I10 .
-2/6-
Przy założeniu, że:
V 2 =−
R1R 2
⋅U 10 I 10 R3
R1
i nieznaczącym prądzie polaryzacji wejścia odwracającego, I10 można obliczyć wejściowe
napięcie niezrównoważenia:
U 10=−V 2⋅
R1
R1R 2
(3.2)
Należy sprawdzić wpływ prądu polaryzacji wejścia nieodwracającego na wynik pomiaru,
zmieniając rezystancję R3.
3.5. Wejściowe prądy polaryzujące
3.5.1. Wejściowy prąd polaryzacji wejścia nieodwracającego
Pierwsza metoda (rys.3.5) jest to wtórnik wzmacniający sygnał, który pojawi się na
wejściu nieodwracającym, a będzie to napięcie odłożone na rezystancji R1 w skutek przepływu
prądu polaryzującego.
R1=10 [M ]
I pol.pos=
V2
R1
(3.3)
Rys. 3.5) Pomiar prądu polaryzującego wejście +(metoda 1)
Druga metoda (rys.3.6) polega na przemiennym załączaniu i otwieraniu przełącznika S1.
W chwili zwarcia S1 prąd polaryzujący spływa do masy, a w kondensatorze nie gromadzi się
żadna energia, a po chwili rozwarcia S1 kondensator ładuję się prądem polaryzującym. Odbywa
się to ze stałą czasową:
=
 u2
.
t
I pol.pos=−
 u2
⋅C 1
t
(3.4)
Rys. 3.6) Pomiar prądu polaryzującego wejście + (metoda 2)
3.5.1. Wejściowy prąd polaryzacji wejścia odwracającego
Układem pomiarowym jest wzmacniacz odwracający (rys.3.7). Przepływający prąd
polaryzujący wejście odwracające powoduje odkładanie się napięcie na rezystancji R2. Napięcie
to wskutek zjawiska zera pozornego przenosi się na wyjście wzmacniacza.
-3/6-
R2=10[M ]
I pol.neg =
V2
R2
(3.5)
Rys. 3.7) Pomiar prądu polaryzującego wejście -
3.6. Współczynnik tłumienia sygnału wspólnego CMRR
CMRR=
V2
V1
(3.6)
Rys. 3.8) Pomiar CMRR – metoda definicyjna
Jeżeli rezystory ze schematu na rysunku 3.9 są dobrane zgodnie z warunkiem
R1=R 2=R3= R4 to na wejściach wzmacniacza występuje tylko sygnał sumacyjny. W wyniku
nieidealnego tłumienia tego sygnału pojawia się pewne napięcie wyjściowe V 2. Pomiary takie
powinny być wykonywane dla kilku wartości skutecznych napięcia V1.
R1=R 2 ; R3=R4
R1=100 []
R3=50 [k ]
CMRR=
V 1 R1  R 3
⋅

V2
R1
(3.7)
Rys. 3.9) Pomiar CMRR – metoda praktyczna
3.7. Rezystancja wejściowa różnicowa
Rezystancję wejściową różnicową mierzy się w układzie poniżej (rys.3.10) przez wyznaczanie
wartości napięcia wyjściowego przy przełącznikach S1 i S2 zwartych i rozwartych. Jednoczesne
otwarcie obu przełączników powoduje zmniejszenie wzmocnienia układu z powodu obciążenia
wejść rezystorami R4 i R5 . Następuje zmniejszenie napięcia wyjściowego od wartości V21 przy
przełącznikach rozwartych do V22 przy zwartych, co można zapisać:
R Id
V 21=V 22⋅
, dla R5 = R4.
2 R5R Id
V12 i V22 są mierzone przy zwartym S1 i S2, a V11 = V12 = V1 . Postać wyjściową równania na
rezystancję różnicowa możemy zapisać jako:
-4/6-
2 V 11
R Id =R 5⋅
V 22−V 21
(3.8)
R1=50 [k ]
R2=50[k ]
R3=99 [k ]
R4 =10[M ]
R5=10 [M ]
R6=1 [k ]
Rys. 3.10) Układ pomiarowy wejściowej rezystancji różnicowej
Opisany pomiar nie jest możliwy do zrealizowania we wzmacniaczach o bardzo dużej
rezystancji wejściowej, np. w układach z tranzystorami unipolarnymi na wejściu.
3.8. Rezystancja wejściowa wspólna
Pomiaru składowej sumacyjnej Ric rezystancji wejściowej dokonuje się w układzie poniżej
(rys.3.11). Wzmacniacz operacyjny pracuje w układzie wtórnika napięciowego. Przez dołączenie
rezystora R1 szeregowo z wejściem nieodwracającym tworzy się dzielnik złożony z rezystancji R ic
i R1.
Jeżeli napięcie wyjściowe przy zwartym przełączniku S1 jest równe V22, to przy rozwarciu
maleje do wartości V21 zgodnie ze wzorem:
V 21
Ric
,
=
V 22 Ric R1
z którego po przekształceniu można wyliczyć rezystancje wejściową dla sygnału sumacyjnego:
Ric =
V 21
⋅R
V 22−V 21 1
(3.9)
R1=10 [k ] , 10 [M ]
Rys. 3.11) Układ pomiarowy wejściowej rezystancji wspólnej
3.8. Rezystancja wyjściowa
3.8.1. Z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego
Do pomiaru rezystancji wyjściowej z zamknięta pętlą sprzężenia zwrotnego stosujemy
rysunek poniżej (3.12). Pomiar polega na obciążeniu wyjścia układu rezystorem R 3 i pomiarze
dwóch napięć wyjściowych: V21 bez obciążenia i V22 z obciążeniem (zwarty S1).
Zakładając równość napięć wejściowych dla każdego z przypadków:
-5/6-
V 11=V 12=V 1
Rezystancję wyjściową oblicza się z zależności:
V −V 22
Ro= R3⋅ 21
V 22
(3.10)
R1=10 [k ]
R2=10[k ]
R3=50 [k ] , 1 [k ]
Rys. 3.12) Schemat ideowy układu dla wyznaczenia rezystancji wyjściowej
3.8.1. Z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego
Podobnie postępujemy w celu pomiaru rezystancji wyjściowej wzmacniacza z otwartą
pętla sprzężenia zwrotnego (rys.3.13). Pomiar polega na obciążeniu wyjścia układu rezystorem
R3 i zmierzeniu dwóch napięć wyjściowych: V 21 bez obciążenia i V22 z obciążeniem (zwarty S1).
Należy zwrócić uwagę na to, że układ bez pętli sprzężenia zwrotnego będzie znajdował się
w stanie nasycenia.
R1=10 [k ]
R3=50 [k ] , 1 [k ]
V −V 22
Ro= R3⋅ 21
V 22
(3.11)
Rys. 3.13) Schemat ideowy układu dla wyznaczenia rezystancji wyjściowej
4. Wskazówki do sprawozdania
W sprawozdaniu o ustalonym formacie powinny znajdować się:
–
schematy pomiarowe z zestawieniem użytych przyrządów
–
wykresy charakterystyk badanych układów
–
wyniki analiz teoretycznych, krótkie uzasadnienia
–
wnioski dotyczące uzyskanych wyników
–
porównanie wyznaczonych wartości z danymi katalogowymi
–
uwagi dotyczące przebiegu ćwiczenia, sprawności stanowiska, błędów w opisach,
schematach itp.
–
(nieobligatoryjnie) : wyniki analizy symulacyjnej w LTSpice przy wykorzystaniu plików
laboratorium wirtualnego
-6/6-