A-3. Wzmacniacze operacyjne w układach liniowych

A-3. Wzmacniacze operacyjne w układach liniowych
I. Zakres ćwiczenia – wyznaczenia charakterystyk amplitudowych i częstotliwościowych
oraz parametrów czasowych:
1.
2.
3.
4.
5.
wtórnika napięcia
wzmacniacza nieodwracającego
wzmacniacza odwracającego
układu całkującego
układu różniczkującego
II. Idealny wzmacniacz operacyjny
1. Zakłada się następujące idealne własności:
a) wzmocnienie napięciowe A → ∞
b) rezystancja wejściowa Rwe → ∞
c) rezystancja wyjściowa Rwy → 0
d) pasmo częstotliwości od 0 do ∞
2. Na wejściu wzmacniacza (rys. 1), występują zaciski N --- odwracający i P --nieodwracający; nie obierają one prądu i ich potencjały są równe (przyłączone do masy
jednego oznacza pojawienie się "masy pozornej" na drugim); wzmacniacz jest czuły na sygnał
różnicowy i nie reaguje na sygnał wspólny oraz nie wykazuje dryfu parametrów.
uR = uN − uP → 0
u wy
uR
u wy
us
=A→∞
→0
Rys. 1
3. Z zasady wzmacniacz operacyjny przeznaczony jest do zastosowań w układach z
ujemnym sprzężeniem zwrotnym; w przypadku idealnym własności tych układów zależą
wyłącznie od elementów w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza, to jest od elementów
zewnętrznych.
III. Główne parametry uA741
wzmocnienie w układzie otwartym
prąd polaryzacji/niezrównoważenia
napięcie niezrównoważenia
rezystancja wejściowa
tłumienie sygnału wspólnego
napięcie wejściowe/różnicowe
częstotliwość graniczna dla 1 V/V
narastanie odpowiedzi na skok napięcia przy 1V/V
prędkość zmian napięcia wyjściowego
zasilanie
pobór mocy
skok napięcia wyjściowego
1
V/V
uA
mV
MΩ
dB
V
MHz
us
V/us
V
mV
V
min.
max.
max.
typ.
min.
--typ.
typ.
typ.
typ.
typ.
max.
2*∗104
0,5 / 0,2
5
2
70
± 15 / ± 30
1
0,3
0,3
± 15
50
± 14
IV. Uwagi
1. Układ jest zasilany jak na rysunku 2; wewnętrzny układ kompensacji napięcia
niezrównoważenia nie jest wykorzystywany. Wzmacniacz jest skompensowany
częstotliwościowo i bezwzględnie stabilny.
Rys. 2
2. Układy są badane przy zastosowaniu:
a) regulowanego źródła napięcia stałego do wyznaczania charakterystyk przejściowych
b) generatora sinusoidalnego w celu wyznaczenia charakterystyk częstotliwościowych
c) generatora przebiegu prostokątnego i trójkątnego w celu zaobserwowania odpowiedzi
na skok jednostkowy i napięcie narastające liniowo.
3. Wielkości zmierzone należy porównać z wyliczonymi teoretycznie na podstawie
schematów lub z zamieszczonymi w punkcie III parametrami.
4. Charakterystyki częstotliwościowe rysować w typowym układzie: wzmocnienie w dB,
częstotliwość w skali logarytmicznej.
V. Literatura:
1. KULKA Z., NADACHOWSKI M.: Liniowe układy scalone i ich zastosowanie.
2. TIETZE U., SCHENK Ch.: Układy półprzewodnikowe.
VI. Program
1. Dla wtórnika napięcia (rys. 3) przewidzianego do współpracy ze źródłem napięcia o
rezystancji 50 Ω
UN ≈UP
U1 ≈ U 2
k=
U2
U1
Rys. 3
2
a) wyznaczyć u2 = f(u1) dla napięcia stałego; znaleźć nachylenie k_0 (tj. wzmocnienie dla
częstotliwości f=0)
b) znaleźć odpowiedź na skok napięcia dla sygnału małego (podać czas narastania) i dla
sygnału dużego (podać szybkość zmian napięcia)
c) wyznaczyć charakterystykę częstotliwościową k = f(f) dla małego sygnału, podać
częstotliwość graniczną
2. Dla wzmacniacza nieodwracającego
u1 ≈ u N =
k=
R1
u2
R1 + R 2
R2
+1
R1
Rys. 4
a) wyznaczyć u2 = f(u1) dla prądu stałego; określić z wykresu k0
b) wyznaczyć k = f(f); określić częstotliwość graniczną
3. Dla wzmacniacza odwracającego (rys.5)
U1
U
=− 2
R1
R2
U2 = −
R2
U1
R1
Rys. 5
a) wyznaczyć u2 = f(u1) i wzmocnienie dla prądu stałego
b) zbadać reakcję na skok napięcia.
Układ sterować przez wtórnik, aby rezystancja wewnętrzna źródła sygnału nie wpływała na
wzmocnienie.
3
4. Na rysunku 6 przedstawiony jest idealny układ całkujący (integrator) w konfiguracji
odwracającej.
U1
dU 2
= −C
dt
R1
U2 = −
U 0 = const
1
K =−
jωRC
1
U1dt
RC ∫
parametr
( początkowy
)
dla U1 = U 0 sin ωt
U0
cos ωt
ωRC
dla U1 = U 0 = const
U2 =
U2 = −
U0
t
RC
Rys. 6
Charakterystyka częstotliwościowa pokazuje silną preferencję dla częstotliwości niskich. A
zatem, jeśli sygnał wejściowy będzie miał niezerową wartość średnią spowodowaną np.
pełzaniem linii zerowej, to składowa stała napięcia wyjściowego będzie dryfować w kierunku
nasycenia. W celu przeciwdziałania temu dryfowi dodano ujemne stałoprądowe sprzężenie
zwrotne (rezystor R6 --- rys. 7), co wnosi częstotliwość graniczną 1/2πR6C2.
Rys. 7
Dla układu z rysunku 7:
a) wyznaczyć charakterystykę częstotliwościową określić częstotliwość graniczną i
nachylenie w dB na dekadę
b) zbadać reakcję układu na sygnał prostokątny i trójkątny o częstotliwości znacznie
większej i znacznie mniejszej os granicznej.
c) zaobserwować i
częstotliwościowe).
skomentować
4
ograniczenia
całkowania
(amplitudowe
i
5. Idealny układ różniczkujący przedstawiony jest na rysunku 8. Jego wzmocnienie rosnące
z częstotliwością w sposób nieograniczony grozi niekorzystnym kształtowaniem się stosunku
sygnału do szumu i zakłóceniami zakłóceniami wysokoczęstotliwościowymi.
dU 1
U
=− 2
dt
R
dU 1
U 2 = −RC
dt
C
U 0 = const
K = − jωRC
parametr
( początkowy
)
dla U1 = U 0 sinωt
U 2 = −U 0 ωRC cos ωt
U0
t
RC
U 2 = −U 0
dla U1 =
Rys. 8
W celu ograniczenia wzmocnienia dla wyższych częstotliwości dodano rezystor R3
(częstotliwość graniczna 1/2πR3C1); niezbędne jest sterowanie z wtórnika napięcia, aby
rezystancja źródła sygnału była mała w stosunku do R3 (rys. 9). Górna częstotliwość
graniczna wynika z własności wzmacniacza.
Rys. 9
Dla tak zmodyfikowanego układu różniczkującego:
a) wyznaczyć k=f(f); określić częstotliwość graniczną i nachylenie charakterystyki
b) podać reakcję układu na sygnał trójkątny o częstotliwości znacznie mniejszej niż
graniczna dolna.
5
6