1 Wprowadzenie

Transkrypt

1 Wprowadzenie

WFiIS
LABORATORIUM
Z ELEKTRONIKI
ROK
Imię i nazwisko:
1.
2.
TEMAT:
Data wykonania: Data oddania:
GRUPA
ZESPÓŁ
NR ĆWICZENIA
Zwrot do poprawy:
Data oddania:
Data zliczenia:
OCENA
CEL ĆWICZENIA:
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk amplitudowych i częstotliwościowych.:
1.wtórnika napięcia;
2. wzmacniacza nieodwracającego;
3. wzmacniacza odwracającego;
4. układu całkującego;
5. układu różniczkującego;
1 Wprowadzenie
Wzmacniaczem operacyjnym nazywamy różnicowy wzmacniacz prądu stałego o
bardzo dużym wzmocnieniu (oraz dużej impedancji wejściowej). Wzmacniacz operacyjny
jest przystosowany do pracy z zewnętrznym układem ujemnego sprzężenia zwrotnego
(inaczej nazywanym zewnętrzną pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego), którego właściwości
decydują w głównej mierze o właściwościach całego układu.
Wzmacniacze operacyjne na schematach oznaczane są przedstawionym poniżej
symbolem. Jeżeli sygnał wejściowy zostanie doprowadzony do wejścia "-" (nazywanego
wejściem odwracającym) to na wyjściu pojawi się sygnał w fazie przeciwnej.
Jeżeli natomiast sygnał wejściowy zostanie doprowadzony do wejścia "+" (wejście
nieodwracające), to nie wystąpi odwrócenie fazy między wejściem, a wyjściem.
Symbol graficzny wzmacniacza operacyjnego
Napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego powinno być proporcjonalne do
różnicy napięć wejściowych, zgodnie z zależnością:
U wy = KU ⋅ (U 2 − U1 ) ,
gdzie: KU - współczynnik wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego
(wzmocnienie różnicowe), U1 i U 2 napięcia podane na wejścia: nieodwracające i
odwracające. Jeżeli do obu wejść zostaną doprowadzone dwa identyczne sygnały względem
masy ( U1 = U 2 ), to sygnał na wyjściu będzie równy zeru ( U wy = 0 ). Tego rodzaju sygnał
wejściowy nazywa się sygnałem nie różnicowym (wspólnym).
Wzmacniacz operacyjny - Agata Rachwał i Jacek Mostowicz
1
Sprzężenie zwrotne polega na doprowadzeniu części sygnału wyjściowego z
powrotem do wejścia wzmacniacza. Ujemne sprzężenie zwrotne ma miejsce, gdy fazy
sygnału wejściowego i sygnału sprzężenia zwrotnego są przeciwne.
Właściwości układu wzmacniacza operacyjnego o dużym wzmocnieniu z ujemną pętlą
sprzężenia zwrotnego zależą wyłącznie od parametrów pętli (obwodu zewnętrznego).
Własności idealnego wzmacniacza operacyjnego:
- nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego;
- nieskończenie szerokie pasmo przenoszenia częstotliwości;
- nieskończenie duża impedancja wejściowa;
- impedancja wyjściowa równa zeru;
- brak poboru prądu z obwodów zewnętrznych;
- nieskończenie duża szybkość narastania napięcia wyjściowego;
- niezależność parametrów od temperatury;
- brak zakłóceń własnych;
Główne parametry wzmacniacza μ A741 :
• wzmocnienie w układzie otwartym
• prądy polaryzacji
• napięcie niezrównoważeni
• rezystancja wejściowa
• tłumienie sygnału wspólnego
• napięcie różnicowe
• częstotliwość graniczna
• narastanie odpowiedzi na skok napięcia
• prędkość zmian napięcia wyjściowego
• zasilanie
• skok napięcia wyjściowego
2 ⋅104 V V
0,5μ A
5mV
2M Ω
70dB
±15 / ± 30V
1MHz
0,3μ s
0,5V μ s
±15V
±14V
2
2 Wtórnik napięcia
Wyznaczono U out = f (U in ) dla napięcia stałego:
lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
Uin [V] Uout [V]
15
14,85
14
13,99
13
12,99
12
11,99
11
10,99
10
9,99
9
8,99
8
7,99
7
6,99
6
5,99
5
4,99
4
4
3
2,99
2
1,99
1
0,99
0
0,001
-1
-1
-2
-2
-3
-2,99
-4
-3,99
-5
-4,99
-6
-5,99
-7
-6,99
-8
-7,99
-9
-8,99
-10
-9,99
-11
-10,99
-12
-11,99
Uout/Uin [V/V]
0,9900
0,9993
0,9992
0,9992
0,9991
0,9990
0,9989
0,9988
0,9986
0,9983
0,9980
1,0000
0,9967
0,9950
0,9900
1,0000
1,0000
0,9967
0,9975
0,9980
0,9983
0,9986
0,9988
0,9989
0,9990
0,9991
0,9992
Obliczając nachylenie prostej można wyliczyć wzmocnienie wtórnika
dla częstotliwości f = 0 ;
Nachylenie charakterystyki wtórnika, czyli wzmocnienie wynosi: KV = 0,9979V
V
.
3
Poniższy wykres przedstawia zależność U out = f (U in ) dla wtórnika.
Zależność Uout w funkcji Uin
20
15
10
Uin [V]
5
0
-20
-15
-10
-5
0 -5
5
10
15
20
-10
-15
Uout [V]
Charakterystyka częstotliwościowa dla małego sygnału:
f [Hz]
100
200
300
500
700
1000
2000
3000
5000
10000
20000
50000
70000
100000
200000
500000
800000
1000000
2000000
3000000
5000000
Uin [V] Uout [V]
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,18
2,14
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,14
2,16
2,16
2,16
2,16
2,16
2,12
2,2
1,2
2,2
0,76
2,12
0,56
2,1
0,32
2,1
0,2
2,04
0,19
Kv=Uout/Uin [V/V]
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
0,98
1,00
1,00
0,99
1,00
1,00
0,98
0,55
0,35
0,26
0,15
0,10
0,09
20*log(Kv)
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
-0,16
0,00
0,00
-0,08
0,00
0,00
-0,16
-5,26
-9,23
-11,56
-16,34
-20,42
-20,62
U
⎞ [dB ]
Tłumienie wyznaczono korzystając ze wzoru: 20 ⋅ log ⎛⎜ out
⎟
U
in ⎠
⎝
4
Zależność tłumienia od częstotliwości
f [Hz]
20log(Uout/Uin) [dB]
5
0
-5
1
10
100
1000
10000
100000
1000000 10000000
-10
-15
-20
-25
Częstotliwość graniczna wynosi f g ≈ 500000 Hz .
Wzmocnienie dla wtórnika wynosi KV = 1V
Obliczono:
gdzie : ϖ g = 2π f g .
Ostatecznie otrzymano wynik:
V
.
KV ⋅ϖ g
KV ⋅ϖ g = 3,14MHz
5
Odpowiedz na skok napięcia dla małego i dużego sygnału.
- mały sygnał: 100mV i 100Hz ;
0,25
U [V]
0,2
0,15
0,1
0,05
t [ns]
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Z wykresu można odczytać czas narastania impulsu:
tr = 390ns
Można odczytać również, jaki wzrost napięcia nastąpił w tym czasie:
U = 0,168V
Ostatecznie dzieląc napięcie przez czas narastania otrzymano prędkość narastania (prędkość
zmian napięcia wyjściowego):
vn ≈ 0, 431
V
μs
- duży sygnał: 10V , 100Hz
25
U [V]
20
15
10
5
t [μs]
0
0
5
10
15
20
25
30
35
6
Z powyższego wykresu można odczytać czas narastania impulsu:
tr = 13,37 μ s
Odczytano wzrost napięcia, jaki nastąpił w tym czasie:
U = 11, 6V
Obliczono również szybkość narastania:
vn ≈ 0,867
V
μs
Prędkość narastania jest wartością stałą i dla wzmacniacza μ A741 wynosi 0,5V μ s .
„Slew rate” jest to skończona szybkość narastania napięcia wyjściowego. Wynikiem tego
dynamika układów z zastosowaniem wzmacniacza jest znacznie gorsza niż wynikałoby to z jego
modelu małosygnałowego. Współczynnik ten pokazuje o ile V może wzrosnąć sygnał w czasie
1μ s . Wysoka szybkość zmian napięcia wyjściowego odpowiada dużej szerokości pasma. W
chwili t = 0 na wejściu dajemy napięcie +10V , ale napięcie na wyjściu nie może natychmiast
ulec zmianie i na początku jest równe zero. Powoduje to pracę w zakresie nieliniowym. Gdy
układ na wejściu pracuje w sposób liniowy to napięcie na wejściu powoduje bardzo duży
prąd, aby móc naładować pojemność.
dV
dV
V
SR można obliczyć jako
, po podstawieniu wartości otrzymano, że
≈ 0,869
.
μs
dt
dt
3 Wzmacniacz nieodwracający
Obliczono wartość teoretyczną wzmocnienia dla powyższego układu:
U
R + R2
R
V
U in − U out
U
= 1 + 2 , K v = 101
= − out , K v = out = 1
U in
R1
R1
R2
R1
V
7
Poniższa tabela przedstawia wartości U in i U out oraz wzmocnienia KV wyznaczone w
wyniku pomiarów:
Uin [V] Uout [V] Kv [V/V]
0,14
14,2 101,429
0,13
13,17 101,308
0,12
12,16 101,333
0,11
11,14 101,273
0,1
10,12 101,200
0,09
9,12 101,333
0,08
8,1 101,250
0,07
7,08 101,143
0,06
6,07 101,167
0,05
5,04 100,800
0,04
4,04 101,000
0,03
2,95
98,333
0,02
1,93
96,500
0,01
0,91
91,000
0
0,02
-0,01
-0,91
91,000
-0,02
-1,93
96,500
-0,03
-2,95
98,333
-0,04
-4,04 101,000
-0,05
-5,04 100,800
-0,06
-6,07 101,167
-0,07
-7,08 101,143
-0,08
-8,1 101,250
-0,09
-9,12 101,333
-0,1
-10,12 101,200
-0,11
-11,14 101,273
-0,12
-12,16 101,333
-0,13
-13,17 101,308
-0,14
-14,2 101,429
8
Poniższy wykres przedstawia zależność U in i U out dla wzmacniacza nieodwracającego:
20
15
10
0
-0,2
-0,15
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0,15
0,2
Uin [V]
5
-5
-10
-15
-20
Uout [V]
Wyliczając nachylenie charakterystyki wzmacniacza nieodwracającego otrzymano wartość
wzmocnienia układu:
KV = 100,964V
V
Poniższa tabela przedstawia zależność KV w funkcji częstotliwości f .
f [Hz]
100
200
300
500
1000
2000
3000
5000
10000
20000
50000
100000
500000
1000000
2000000
3000000
Uin [V] Uout [V]
0,212
20,8
0,208
20,8
0,224
21,2
0,224
21,2
0,224
21,2
0,224
21,2
0,224
21,2
0,224
20,8
0,224
18
0,224
12
0,224
5,6
0,224
3,2
0,224
1,024
0,228
0,512
0,224
0,256
0,228
0,152
Kv
20*log(Kv)
98,11
39,83
100,00
40,00
94,64
39,52
94,64
39,52
94,64
39,52
94,64
39,52
94,64
39,52
92,86
39,36
80,36
38,10
53,57
34,58
25,00
27,96
14,29
23,10
4,57
13,20
2,25
7,03
1,14
1,16
0,67
-3,52
9
f [Hz]
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
-10
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
Powyższy wykres przedstawia zależność wzmocnienia od częstotliwości
Częstotliwość graniczna, wynosi f g ≈ 10kHz .
Obliczamy:
KV ⋅ϖ g = 6,3MHz
Wartość KV ⋅ϖ g powinna być stała dla wzmacniacza. Rozbieżność pomiędzy wartościami
wyliczonymi dla wtórnika i wzmacniacza nieodwracającego wynika z niepewności przy
odczycie częstotliwości granicznej.
10
4 Wzmacniacz odwracający
Wartość teoretyczna wzmocnienia dla powyższego układu:
U in
U
= − out ,
R1
R2
Kv =
U out
R
=− 2 ,
U in
R1
K v = −100
V
V
Wartości U in i U out oraz wzmocnienia KV wyznaczone w wyniku pomiarów:
Uin [V] Uout [V] Kv [V/V]
0,12
-12,05 -100,42
0,11
-11,04 -100,36
0,1
-10,02 -100,20
0,09
-9,03 -100,33
0,08
-8,02 -100,25
0,07
-7 -100,00
0,06
-5,99
-99,83
0,05
-4,97
-99,40
0,04
-3,97
-99,25
0,03
-2,89
-96,33
0,02
-1,87
-93,50
0,01
-0,86
-86,00
0
-0,12
-0,01
-0,86
86,00
-0,02
-1,87
93,50
-0,03
-2,89
96,33
-0,04
-3,97
99,25
-0,05
-4,97
99,40
-0,06
-5,99
99,83
-0,07
-7
100,00
-0,08
-8,02
100,25
-0,09
-9,03
100,33
-0,1
-10,02
100,20
-0,11
-11,04
100,36
-0,12
-12,05
100,42
11
Obliczając nachylenie charakterystyki otrzymano wartość wzmocnienia układu:
Kv = −97,99
V
V
Poniższy wykres przedstawia zależność U out i U in dla wzmacniacza odwracającego:
15
10
0
-0,11
-0,06
-0,01
0,04
0,09
0,14
Uin [V]
5
-5
-10
-15
Uout [V]
Poniższa tabela przedstawia zależność KV w funkcji częstotliwości f .
f [Hz]
100
200
500
1000
2000
5000
7000
10000
20000
50000
100000
200000
500000
1000000
2000000
3000000
Uin [V] Uout [V]
0,28
-27,6
0,28
-27,6
0,28
-27,6
0,28
-27,6
0,288
-27,6
0,304
-26,4
0,32
-24,8
0,334
-22
0,392
-14,8
0,408
-6,4
0,408
-3,2
0,408
-1,68
0,408
-0,8
0,408
-0,304
0,408
-0,152
0,4
-0,088
Kv
-98,57
-98,57
-98,57
-98,57
-95,83
-86,84
-77,50
-65,87
-37,76
-15,69
-7,84
-4,12
-1,96
-0,75
-0,37
-0,22
20*log(-Kv)
39,88
39,88
39,88
39,88
39,63
38,77
37,79
36,37
31,54
23,91
17,89
12,29
5,85
-2,56
-8,58
-13,15
12
f [Hz]
50
40
30
20
10
0
-10
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
-20
Powyższy wykres przedstawia zależność KV w funkcji częstotliwości f .
Reakcja wzmacniacza odwracającego na skok napięcia.
20
U [V]
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
t [μs]
50
100
150
200
250
300
Z wykresu możemy odczytać czas narastania impulsu:
tr = 67 μ s
13
4 Układ całkujący
Można wyprowadzić wzór na wzmocnienie układu:
R2
sC
U out
1
1
R
=−
=− 2
U in
R1 R + 1
R1 sCR2 + 1
2
sC
Gdzie R2 to rezystor znajdujący się w pętli sprzężenia, wprowadzenie tego rezystora pozwala
1
na przeniesienie bieguna układu z zera do wartości
.
CR2
f [Hz]
100
200
500
1000
2000
5000
7000
10000
20000
50000
100000
200000
Uin [V] Uout [V]
0,236
0,672
0,236
0,36
0,232
0,152
0,232
0,156
0,232
0,088
0,24
0,056
0,208
0,014
0,208
0,01
0,208
0,006
0,208
0,004
0,204
0,007
0,204
0,007
Kv
20*log(Kv)
2,85
9,09
1,53
3,67
0,66
-3,67
0,67
-3,45
0,38
-8,42
0,23
-12,64
0,07
-23,44
0,05
-26,36
0,03
-30,80
0,02
-34,32
0,03
-29,29
0,03
-29,29
Powyższa tabela przedstawia wyniki pomiarów oraz obliczone wzmocnienie układu KV .
14
Wykres przedstawiający zależność wzmocnienia układu od częstotliwości:
f [Hz]
15
10
5
0
-5 1
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
10
100
1000
10000
100000
Odpowiedź układu na sygnał prostokątny i trójkątny o częstotliwości znacznie większej i
znacznie mniejszej od granicznej.
•
f = 30 Hz , sygnał prostokątny:
•
f = 30 Hz , sygnał trójkątny:
15
•
f = 1kHz , sygnał prostokątny:
•
f = 1kHz , sygnał trójkątny:
Powyższy układ całkujący ma jeden biegun oznacza to, że nachylenie charakterystyki wynosi
20dB/dekadę. Jest to zgodne z obserwacjami, nachylenie można wyznaczyć z wykresu
zależności KV = g ( f ) .
Podobnie postąpiono wyznaczając częstotliwość graniczną.
Z wykresu odczytano, że f g ≈ 79 Hz .
Można wyznaczyć wartość teoretyczną ω g :
1
ωg = ,τ = CR2 = 10ms ⇒ ωg = 100 Hz
τ
fg =
ωg
= 16 Hz
2π
16
5 Wnioski
Okazuje się, że zmierzone wartości wzmocnienia dla poszczególnych układów z
wykorzystaniem wzmacniacza μ A741 zgadzają się dość dokładnie z wartościami
teoretycznymi.
V
V
Dla wtórnika wartość teoretyczna wynosi K v = 1 , wartość zmierzona to: K v = 0,9979 .
V
V
Rozbieżność na poziomie 2%.
Dla wzmacniacza nieodwracającego wartość teoretyczna wynosi K v = 101
przez nas to: K v = 100,964
V
. Rozbieżność na poziomie 1%.
V
Dla wzmacniacza odwracającego wartość teoretyczna wynosi K v = −100
przez nas to: K v = −97,99
V
wartość zmierzona
V
V
wartość zmierzona
V
V
. Rozbieżność na poziomie 4%.
V
Powyższe różnice mogą wynikać z:
• niedokładności przyrządów pomiarowych;
• niepewności przy odczytywaniu wartości z wykresów;
Wartości nachylenia charakterystyki oraz częstotliwości granicznych bardzo łatwo odczytać z
wykresu. Są one jednak obarczone pewną niepewnością.
Dla układu całkującego nachylenie charakterystyki zgadza się w pełni z przewidywaniami
teoretycznymi.
Dla układu całkującego sygnał trójkątny przechodzi w zniekształcony sinus (dla
częstotliwości poniżej granicznej), natomiast dla dużych częstotliwości skok napięcia
przechodzi w sygnał trójkątny, trójkątny zaś w sinus.
17

1 Wprowadzenie

Transkrypt

Podobne dokumenty

uk£ady ze wzmacniaczami operacyjnymi

τ τ ω τ ω ω ω τ ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω

Wykaz elementów zestawu: WZMACNIACZ DO GITARY

Wzmacniacz lampowy dla nielampowców

Wzmacniacz 2x25W

Spis głównych zagadnień.

Wzmacniacz antenowy wewnętrzny z zasilaczem AWS

Wprowadzenie - mostowicz.pl

Wzm. cał.new

Tascam GA30 CD