Laboratorium elektroniki i miernictwa Ćwiczenie W

150946
Numer indeksu
151021
Numer indeksu
Michał Moroz
Imię i nazwisko
Paweł Tarasiuk
Imię i nazwisko
kierunek: Informatyka
semestr 2 grupa II
rok akademicki: 2008/2009
Laboratorium
elektroniki i miernictwa
Ćwiczenie W
Wzmacniacz operacyjny
Ocena:
Streszczenie
Sprawozdanie z ćwiczenia, którego celem było zbadanie właściwości wzmacniaczy operacyjnych oraz wpływu różnych rodzajów sprzężeń zwrotnych na działanie wzmacniacza.
1
Teoria
W tym rozdziale zostaną omówione pokrótce poszczególne zagadnienia związane z tematem
przeprowadzanego ćwiczenia.
1.1
Działanie wzmacniacza operacyjnego
Wzmacniaczem operacyjnym nazywamy układ złożony z najczęściej kilkudziesięciu tranzystorów, o działaniu zbliżonym do działania wzmacniacza idealnego. Wzmacniacz ten posiada dwa
wejścia różnicowe – odwracające i nieodwracające, oraz jedno wyjście. Charakteryzuje się dużym
oporem wejściowym, liczonym w megaomach, niewielkim oporem wyjściowym, rzędu dziesiątek
omów, współczynnikiem wzmocnienia rzędu setek tysięcy, pewną ustaloną przez producenta częstotliwością pracy oraz dodatkowymi charakterystykami temperaturowymi i współczynnikami
zniekształceń.
W przypadku wzmacniacza rzeczywistego, napięcie wyjściowe można określić w uproszczeniu
poniższym wzorem:
1
UW y = kU R · UR + kU wsp · Uwsp = kU R (U1 − U2 ) + kU wsp (U1 + U2 )
(1)
2
gdzie kU R to współczynnik wzmocnienia różnicowego napięcia UR będącego różnicą napięć na
wejściach wzmacniacza, a kU wsp to współczynnik wzmocnienia napięcia wspólnego obu wejść
wzmacniacza Uwsp , które można zdefiniować jako średnią arytmetyczną z napięć na obu wejściach. Oba współczynniki wiąże CMRR (Common-mode rejection ratio), definiowany wzorem:
CM RR = 10 log
kU2 R
kU2 wsp
!
= 20 log
kU R
|kU wsp |
!
(2)
Im większy współczynnik CM RR, tym lepiej, bo większa część wzmocnienia wynika ze składowej różnicowej sygnału niż ze składowej wspólnej.
Mimo wszystko, przy tak dużym wzmocnieniu wzmacniacz może pełnić rolę komparatora,
ale bardzo trudno byłoby nim zasterować aby dostać liniowe wzmocnienie. Zważywszy na to, że
jego wyjście jest ograniczone napięciem zasilania, każde niewielkie wahanie napięcia pomiędzy
wejściami wprowadziłoby wyjście w stan nasycenia.
Problem ten rozwiązuje układ sprzężenia zwrotnego, który w ogólności łączy jedno lub oba
wejścia z wyjściem układu. Układ taki może składać się z róznych elementów i pełnić bardzo
różne role – od wzmacniacza liniowego o ustalonym wzmocnieniu poprzez układy całkujące i
różniczkujące aż do nieliniowych wzmacniaczy logarytmujących i potęgujących.
2
Analiza wyników
Wszystkie doświadczenia wykonywane były z użyciem zasilacza DF1731SB3A, nr J3–T6–
263/1, oscyloskopu GOS-620, nr J3–T6–258, generatora DF1641A, nr J3–T6–261/2, multimetrów M-4660A, nr J3–T6–260/5 i J3–T6–261/5 oraz zespołu źródeł sterowanych ZŹS-03.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. W
2/8
2.1
Wzmacniacz w układzie odwracającym
IC1A
3
IN
J1
1
R1
2
OUT
NE5532D
J2
R3
R2
GND
GND
Rysunek 1: Schemat urządzenia pomiarowego do badania układu odwracającego.
Po podłączeniu układu wzmacniacza jak przedstawiono na rysunku 1 i ustawieniu napięcia
na 20 V – dokładnie (19,9 ± 0,4) V, rozpoczęliśmy pomiary.
2.1.1
Wyznaczenie charakterystyki przejściowej wzmacniacza
Wyniki pomiarów zostały zestawione w tabeli 1 oraz 2.
Tabela 1: Charakterystyka przejściowa wzmacniacza odwracajacego, R1 = 10 kΩ, R2 = 20 kΩ.
Uwe [V] Uwy [V] Uwe [V] Uwy [V]
-12,195 14,062
0,011
-0,22
-11,008 14,064
1,086
-2,129
-10,028 14,066
2,087
-4,091
-9,018
14,068
2,973
-5,825
-8,011
14,069
4,076
-7,946
-7,099
13,862
5,081
-9,957
-5,981
11,720
6,038
-11,832
-5,036
9,871
7,007
-12,692
-4,095
8,027
8,005
-12,692
-3,004
5,888
8,988
-12,691
-2,052
3,971
10,073 -12,691
-1,029
1,979
11,092 -12,690
12,010 -12,689
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. W
3/8
Tabela 2: Charakterystyka przejściowa wzmacniacza odwracajacego, R1 = 10 kΩ, R2 = 50 kΩ.
Uwe [V] Uwy [V] Uwe [V] Uwy [V]
12,008 -12,716
-0,003
0,027
4,002
-12,720
-1,032
5,188
3,041
-12,719
-2,032
10,208
1,998
-10,024
-3,073
14,083
1,071
-5,374
-12,569 14,080
Powyższe wyniki przedstawiono na wykresie 2.
Rysunek 2: Charakterystyki przejściowe dla układu odwracającego.
Z rysunku wynika, że wzmacniacz ma prawie liniowe wzmocnienie w swoim zakresie napięć,
a jego wzmocnienie można łatwo ustalić dobierając odpowiednie wartości rezystorów.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. W
4/8
2.1.2
Pomiar pasma przenoszenia
Tabela 3: Pomiary amplitudy sygnału wyjściowego dla różnych częstotliwości, R1 = 5 kΩ.
R2 [kΩ] f [kHz] Uwe [mV] Uwy [V]
2,966
1,9
31,14
1,7
50
321,0
0,4
1524,3
0,06
1,502
7,5
14,90
200
6,5
200
163,4
0,8
1526,8
0,006
2,998
12,0 *
1000
31,51
4,0
322,2
0,4
Wynik oznaczony gwiazdką był silnie zniekształcony – po dotarciu do progowego napięcia,
które wyznaczyliśmy wcześniej, charakterystyka wzmacniacza staje się płaska. Można powiedzieć, że wzmacniacz był przesterowany.
Możemy zauważyć, że amplituda wzmacniacza maleje wraz ze wzrostem częstotliwości. Co
gorsza, przy wysokich częstotliwościach współczynnik wzmocnienia potrafi spaść znacząco poniżej zera mimo bardzo dużego wzmocnienia teoretycznego wynikającego z rezystorów R1 i R2.
2.1.3
Pomiar współczynnika wzmocnienia wzmacniacza dla zmiennych napięć.
Tabela 4: Pomiary amplitudy sygnału wyjściowego dla różnych rezystancji R1 i R2, f =
301, 2 Hz.
R1 [kΩ] R2 [kΩ] Uwe [mV] Uwy [V]
5
1000
60
11
5
500
110
11
5
200
200
8
20
10
200
0,1
30
10
200
0,06
Z tabeli wynika, że przy małych częstotliwościach współczynnik wzmocnienia dla sygnału
zmiennego i dla sygnału stałego nie odbiegają od siebie zbytnio. Łącząc wnioski z poprzedniej i
tej tabeli okazuje się, że dla sygnału audio nasz wzmacniacz będzie wzmacniał słabiej w okolicach
20 kHz niż dla 20 Hz, co jest znaczącym faktem podczas projektowania takich układów.
2.2
Wzmacniacz w układzie nieodwracającym
Schemat układu został przedstawiony na rysunku 3.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. W
5/8
IN
IC1A
3
J2
R1
J1
1
2
OUT
NE5532D
R3
R2
GND
GND
Rysunek 3: Schemat urządzenia pomiarowego do badania układu nieodwracającego.
2.2.1
Wyznaczenie charakterystyki przejściowej wzmacniacza
Tabela 5: Charakterystyka przejściowa wzmacniacza nieodwracajacego, R1 = 10 kΩ, R2 =
20 kΩ.1
Uwe [V] Uwy [V] Uwe [V] Uwy [V]
-12,087 -12,718
0,255
0,750
-10,048 -12,719
1,208
3,565
-8,088
-12,720
2,221
6,564
-5,906
-12,720
3,200
9,459
-4,989
-11,607
4,135
12,229
-3,035
-8,978
8,177
14,079
-2,084
-6,056
12,506
14,080
-1,200
-3,534
Powyższe wyniki przedstawiono na wykresie 4.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. W
6/8
Rysunek 4: Charakterystyki przejściowe dla układu nieodwracającego.
Okazuje się, że dla układu nieodwracającego współczynnik wzmocnienia zmienia się o 3/2
względem układu odwracającego, co zgadza sie z teoretycznymi przewidywaniami na ten temat
i pozwala stwierdzić że wzór na wzmocnienie w układzie nieodwracającym
kU R = 1 +
R2
R1
(3)
jest prawdziwy.
2.2.2
Pomiar pasma przenoszenia
Tabela 6: Pomiary amplitudy sygnału wyjściowego dla różnych częstotliwości, R1 = 5 kΩ.
R2 [kΩ] f [kHz] Uwe [mV] Uwy [V]
50
3,010
2,0
50
323,1
0,4
200
323,1
0,4
1000
323,1
200
0,4
1000
31,57
4,2
200
31,58
4,0
50
31,58
2,0
Tu możemy zauważyć ciekawą zależność, że dla częstotliwości 300 kHz napięcie wyjściowe
jest takie samo niezależnie od wzmocnienia układu. Poszczególne charakterystyki rozchodzą się
dopiero przy niższych częstotliwościach. Na dodatek możemy zaobserwować, że wzmocnienia
dla układu nieodwracającego i odwracającego są podobne przy wysokich częstotliwościach, co
pozwala nam wywnioskować, że taki efekt wynika z budowy wzmacniacza a nie z pobocznych
elementów.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. W
7/8
2.2.3
Pomiar współczynnika wzmocnienia wzmacniacza dla zmiennych napięć.
Tabela 7: Pomiary amplitudy sygnału wyjściowego dla różnych rezystancji R1 i R2, f =
301, 2 Hz.
R1 [kΩ] R2 [kΩ] Uwe [mV] Uwy [V]
5
10
200
0,6
5
500
125
11,5
5
1000
60
11,5
Tutaj podobnie jak przy wzmacniaczu odwracającym, dla niskich częstotliwości wzmocnienie
jest podobne do idealnego.
3
Wnioski końcowe
Udało nam się udowodnić, że dla niskich częstotliwości i dla stałego sygnału wzmacniacz
operacyjny jest układem o liniowym wzmocnieniu oraz przewidywalnym stopniu wzmocnienia.
Z kolei powyżej częstotliwości w której pracuje wzmacniacz amplituda sygnału wyjściowego silnie
spada dążąc do zera lub do wartości bliskich zeru.
Udało nam się zaobserwować, że wzmacniacz w plusie wzmacniał do innego progowego napięcia niż w minusie. Nie jesteśmy pewni czym było to spowodowane – być może napięcie zasilające
układu było niesymetyczne pomimo wskazań zasilacza lub wynika to z budowy układu albo
samego wzmacniacza.
Źródłem błędów nieprzypadkowych mogły być elementy które znajdowały się w układzie
badanego wzmacniacza oraz same układy pomiarowe. Dodatkowo, wszelkie elementy mechaniczne takie jak przełączniki w rezystorach nastawnych lub gniazda mogły także powodować
nieprzewidywalne wyniki. Mimo to, zaobserwowane pomiary były zgodne z przewidywaniami
teoretycznymi, zatem możemy zakładać, że błędów takich było niewiele i zniekształcenia nimi
spowodowane nie są duże.
Literatura
[1] Bogdan Żółtowski, Wprowadzenie do zajęć laboratoryjnych z fizyki, Skrypt Politechniki Łódzkiej, Łódź 2002.
[2] David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker, Podstawy fizyki, Tom 3., Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.
Michał Moroz, Paweł Tarasiuk, ćw. W
8/8