Wydział Fizyki Matematyki i Informatyki Stosowanej	Mateusz Finek Mateusz Kisielewski	Grupa 12, PEd	29.03.2010
Informatyka I rok	Wzmacniacz operacyjny – zastosowania nieliniowe.	Ćwiczenie 5

1. Badanie wzmacniacza operacyjnego – komparator napięcia.

Rys. 1 : Układ wzmacniacza operacyjnego w roli komparatora napięć.

Rys. 2 : Przebieg wyjściowy przy napięciu stałym 0V i amplitudzie generatora 1V.

R
ys. 3 : Przebieg wyjściowy przy napięciu stałym 0.5V i amplitudzie generatora 1V.

Rys. 4: Przebieg wyjściowy przy napięciu stałym -0.7V i amplitudzie generatora 1V.

Pojawienie się różnicy napięć rzędu ułamka mV między wejściami komparatora wywołuje skokową zmianę poziomu napięcia na wyjściu. Poziom napięcia wyjściowego jest wysoki albo niski, zależnie od znaku różnicy napięć wejściowych: jeżeli napięcie wejściowe podane na końcówkę odwracającą (-) komparatora jest mniejsze od napięcia podawanego na końcówkę nieodwracającą (+), to napięcie wyjściowe przyjmuje poziom wysoki, natomiast jeżeli napięcie wejściowe podane na końcówkę odwracającą (-) komparatora jest większe od napięcia podawanego na końcówkę nieodwracającą (+), to napięcie wyjściowe przyjmuje poziom niski.

2. Detektor przejścia przez zero.

Rys. 5: Układ detektora przejścia przez zero.

Rys. 6: Sygnał wejściowy i wyjściowy dla przebiegu sinusoidalnego 0.5kHz, 3V.

Rys. 7: Charakterystyka statyczna układu dla U_we = 1V.

Rys. 8: Charakterystyka statyczna układu dla U_we = 2V.

Rys. 9: Charakterystyka statyczna układu dla Uwe = 3V.

Dioda Zenera o napięciu charakterystycznym 5V powoduje ograniczenie napięcia wyjściowego do 5V co odpowiada logicznej 1 i ok. 0V co odpowiada logicznemu 0 dla układów TTL. Na wykresie sygnałów we/wy widzimy, że przebieg wyjściowy jest odwrócony względem przebiegu wejściowego, co spowodowane jest zastosowaniem ujemnego sprzężenia. Układ sygnalizuje napięcia niższe od 0V logiczną jedynką, czyli napięciem 5V na wyjściu.

3. Detektor wartości szczytowej.

Rys. 10: Układ detektora wartości szczytowej.

Rys. 11 : Przebieg sygnałów we/wy dla fali sinusoidalnej.

Rys. 12 : Przebieg sygnałów we/wy dla fali trójkątnej.

Rys. 13 : Przebieg sygnałów we/wy dla fali prostokątnej.

Kondensator C1 służy do zapamiętania na dłużej szczytowej wartości napięcia. Szybko się ładuje i dużo wolniej rozładowuje (zgodnie ze stałą czasową). Najmniejsze spadki występują dla fali prostokątnej. Dla dodatniego napięcia na wejściu, napięcie wyjściowe równe jest spadkowi napięcia na rezystorze R1, natomiast dla napięcia ujemnego, napięcie wyjściowe ma przeciwny znak i taką samą wartość napięcia.

4. Ogranicznik amplitudy.

Rys. 14: Układ ogranicznika amplitudy.

Rys. 15: Charakterystyka statyczna układu dla U_we = 1V.

Rys. 16: Charakterystyka statyczna układu dla U_we = 2V.

Rys. 17: Charakterystyka statyczna układu dla U_we = 3V.

Dla podanych napięć U_we (1-3V) charakterystyki statyczne są prostoliniowe, gdyż diody Zenera nie przewodzą, a wzmocnienie ustala stosunek R₂/R₁, w tym wypadku równy 1. Dopiero gdy napięcie wejściowe jest porównywalne z napięciem Zenera, diody zaczyna przewodzić co powoduje ograniczenie wzmocnienia. W efekcie amplituda wyjściowa będzie ograniczona przez diody Zenera niezależnie od napięcia wejściowego.

Rys. 18: Przebieg sygnałów we/wy dla fali sinusoidalnej o amplitudzie 10V.

Rys. 19: Przebieg sygnałów we/wy dla fali trójkątnej o amplitudzie 10V.

Rys. 20: Przebieg sygnałów we/wy dla fali prostokątnej o amplitudzie 10V.

Gdy napięcie wejściowe osiąga wartości porównywalne do napięcia Zenera, diody przewodzą ograniczając wzmocnienie, czego efektem jest ograniczenie amplitudy napięcia wyjściowego do napięcia ustalonego przez diody – niezależnie od wartości napięcia wejściowego. Sygnał wyjściowy jest odwrócony w stosunku do wejściowego. Ograniczenie to nie ma wpływu na częstotliwość przebiegu.

Analizując wykresy można zauważyć że napięcie przy którym diody zaczynają przewodzić nie jest

dokładnie równe napięciu Zenera. Jest to spowodowane szeregowym i przeciwstawnym połączeniem tych diód. Dlatego też napięcie to musi przekroczyć napięcie Zenera diody powiększone o spadek napięcia w kierunku przewodzenia drugiej diody.

Rys. 21: Układ ogranicznika amplitudy z jedną diodą Zenera.

Rys. 22 : Charakterystyka statyczna dla ukł. z jedną diodą Zenera.

Rys. 23: Przebieg sygnałów we/wy dla ukł. z jedną diodą Zenera.

W przypadku zastosowania diody Zenera i zwykłej diody, w zależności od umiejscowienia diody Zenera sygnał wyjściowy jest ograniczany tylko dla dodatnich (lub ujemnych) półokresów, niezależnie od napięcia wejściowego. Częstotliwość się nie zmienia.