A-3. Wzmacniacze operacyjne w układach liniowych
Transkrypt
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