Ćwiczenie nr 6 – Badanie wzmacniacza operacyjnego
CEL:
Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości wzmacniaczy operacyjnych i komparatorów oraz możliwości
wykorzystania ich do realizacji bloków funkcjonalnych poprzez dobór odpowiednich sprzężeń zwrotnych.
PRZEBIEG ĆWICZENIA
1.
OGLĘDZINY
Dokonać oględzin badanego wzmacniacza operacyjnego określając jego:
° typ,
° oznaczenie,
° topologię wyprowadzeń,
° rodzaj obudowy.
Zaznajomić się z danymi katalogowymi badanego wzmacniacza operacyjnego.
UWAGA: Karta katalogowa badanego wzmacniacza operacyjnego znajduje w odrębnej
instrukcji.
2.
Pomiary charakterystyk przejściowych i parametrów wzmacniacza
operacyjnego w układzie odwracającym
2.1. Wyznaczenie charakterystyki przejściowej wzmacniacza
Dokonać połączenia układu zgodnie z rysunkiem 1. Ustawić pokrętła Z
1
w pozycji „2”
a Z
2
w położeniu ”3”. Zmienić wartość napięcia podawanego na wejście We1 od
wartości około –12V do +12V za pomocą potencjometru P1. Napięcie wejściowe
zmieniać z krokiem około 1V. Pomiary powtórzyć dla innych nastaw wartości Z
1
, Z
2
podanych przez prowadzącego. Wyniki pomiaru zapisać w tabeli 1.
UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze V
1
, V
2
→ 20V.
UWAGA: Napięcie zasilające wzmacniacz operacyjny większe niż ± 18V zazwyczaj
powoduje jego uszkodzenie.
Rys.1. Schemat układu pomiarowego do badania wzmacniacza operacyjnego w układzie
odwracającym
1
Tabela 1. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego w układzie
odwracającym
Z
1
-2
U
We1
[V] -12,0
-11,0
...
...
...
...
11,0
12,0
Z
2
- 3
U
Wy
[V]
Z
1
- ... U
We1
[V] -12,0
-11,0
...
...
...
...
11,0
12,0
Z
2
- ...
U
Wy
[V]
2.2. Wyznaczenie
oporu
wejściowego wzmacniacza w układzie odwracającym
W układzie pomiarowym jak na rys. 1 ustawić zadane napięcie wejściowe (V
1
) np.
12V. Zmierzyć wartość napięcia wyjściowego (V
2
). Następnie usunąć zworkę łączącą
wejście We1 z wejściem – wzmacniacza. W miejsce zworki podłączyć rezystancję R
s1
.
Nie zmieniając wartości napięcia zasilającego (V
1
) odczytać napięcie na wyjściu
wzmacniacza (V
2
). Po odczytaniu napięcia odłączyć rezystor R
s1
. Wyniki pomiarów
zapisać w Tabeli 2.
Tabela 2. Wyznaczanie oporności wejścia i wyjścia wzmacniacza w układzie odwracającym
U
we
[V]
U
wy
[V]
U
wy
[V] z R
s1
Z
1
– 2, Z
2
-3
12
U
wy
[V] ] z R
L
∞
U
wy
[V] ] z R
L1
U
wy
[V] z R
L2
U
wy
[V] z R
L3
Z
1
– 2, Z
2
-3
12
2.3. Wyznaczenie
oporu
wyjściowego wzmacniacza w układzie odwracającym
Ponownie wpiąć zworkę łączącą wejście We1 z wejściem – wzmacniacza.
operacyjnego. Ustawić taką wartość napięcia wejściowego, aby na wyjściu
wzmacniacza (V
2
) uzyskać około 12 V przy ustawieniach przełączników Z
1
– 2, Z
2
–
3 oraz R
L
-
∞. Następnie zmieniać położenie przełącznika R
L
od 1 do 3 z
jednoczesnym odczytem napięcia wyjściowego (V
2
) dla każdej pozycji. Wyniki
pomiarów umieszczać w Tabeli 2
2.4. Pomiar pasma przenoszenia wzmacniacza w układzie odwracającym
Odłączyć zworkę łączącą potencjometr P1 z wejściem We1 oraz woltomierze V1 i V2.
Połączyć układ zgodnie z rysunkiem 2. Sygnał wyjściowy z generatora ustawić jako
sinusoidalny. Składową stałą ustawić na poziomie zerowym (tzw. praca bez Offsetu).
Czułość dla sygnału wyjściowego oscyloskopu ustawić na poziomie 2V/dz. Pozycje
przełączników ustawić „2”dla Z
1
, „3” dla Z
2
oraz „
∞” dla R
3
i R
L
. Ustawić
częstotliwość generatora na poziomie około 300 Hz. Amplitudę sygnału wejściowego
dobrać tak by przebieg napięcia wyjściowego wzmacniacza zajmował np. 8 działek na
ekranie oscyloskopu. Zwiększając częstotliwość generatora określić częstotliwości,
przy których amplituda sygnału wyjściowego maleje kolejno: 2 razy, 10 razy i 20
razy. Powtórzyć pomiary przełączając kolejno przełącznik Z
2
w położenie: „5” i „7”
odpowiednio. Podczas pomiarów zwracać uwagę, aby sygnał wyjściowy nie był
zniekształcony. Wyniki pomiarów zapisać do Tabeli 3.
2
Tabela 3. Pomiar pasma przenoszenia wzmacniacza w układzie odwracającym
Spadek sygnału Z
1
– 2, Z
2
- 3
Z
1
– 2, Z
2
- 5
Z
1
– 2, Z
2
- 7
2 razy
10 razy
20 razy
Rys.2. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania pasma przenoszenia wzmacniacza
operacyjnego w układzie odwracającym
3.
Pomiary charakterystyk przejściowych i parametrów wzmacniacza
operacyjnego w układzie nieodwracającym
3.1. Wyznaczenie charakterystyki przejściowej wzmacniacza w układzie
nieodwracającym
Dokonać połączenia układu zgodnie z rysunkiem 3. Ustawić pokrętła Z
1
w pozycji „2”
a Z
2
w położeniu „3”. Zmienić wartość napięcia podawanego na wejście We1 od
wartości około –12V do +12V za pomocą potencjometru P1. Napięcie wejściowe
zmieniać z krokiem około 1V. Pomiary powtórzyć dla innych nastaw wartości Z
1
, Z
2
podanych przez prowadzącego. Wyniki pomiaru zapisać w Tabeli 4.
UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze V
1
, V
2
→ 20V.
3
Rys.3. Schemat układu pomiarowego do badania wzmacniacza operacyjnego w układzie
nieodwracającym
Tabela 4. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego w układzie
nieodwracającym
Z
1
-2
U
We1
[V] -12,0
-11,0
...
...
...
...
11,0
12,0
Z
2
- 3
U
Wy
[V]
Z
1
- ... U
We1
[V] -12,0
-11,0
...
...
...
...
11,0
12,0
Z
2
- ...
U
Wy
[V]
3.2. Wyznaczenie
oporu
wejściowego wzmacniacza nieodwracającego
W układzie pomiarowym jak na rys. 3 ustawić zadane napięcie wejściowe (V
1
) np.
12V. Zmierzyć wartość napięcia wyjściowego (V
2
). Następnie usunąć zworkę łączącą
wejście We2 z wejściem + wzmacniacza. W miejsce zworki podłączyć rezystancję
R
s2
. Nie zmieniając wartości napięcia zasilającego (V
1
) odczytać napięcie na wyjściu
wzmacniacza (V
2
). Następnie wypiąć rezystor R
s2
a wpiąć rezystor R
s3
ponownie
dokonując odczytu napięcia (V2) na wyjściu wzmacniacza. Po skończonych
pomiarach odłączyć rezystor R
s3
a wejście We2 ponownie połączyć z wejściem +
wzmacniacza. Wyniki pomiarów zapisać w Tabeli 5.
Tabela 5. Wyznaczanie oporności wejścia i wyjścia wzmacniacza w układzie
nieodwracającym
U
we
[V]
U
wy
[V]
U
wy
[V] z R
s2
U
wy
[V] z R
s3
Z
1
– 2, Z
2
-3
12
U
wy
[V] ] z R
L
∞
U
wy
[V] ] z R
L1
U
wy
[V] z R
L2
U
wy
[V] z R
L3
Z
1
– 2, Z
2
-3
12
4
3.3. Wyznaczenie
oporu
wyjściowego wzmacniacza w układzie nieodwracającym
Ponownie wpiąć zworkę łączącą wejście We1 z wejściem + wzmacniacza.
operacyjnego. Ustawić taką wartość napięcia wejściowego, aby na wyjściu
wzmacniacza (V
2
) uzyskać około 12 V przy ustawieniach przełączników Z
1
– „2”, Z
2
– „3” oraz R
L
– „
∞”. Następnie zmieniać położenie przełącznika R
L
od „1” do „4” z
jednoczesnym odczytem napięcia wyjściowego (V
2
) dla każdej pozycji. Wyniki
pomiarów umieszczać w Tabeli 5
3.4. Pomiar pasma przenoszenia wzmacniacza w układzie nieodwracającym
Odłączyć zworkę łączącą potencjometr P1 z wejściem We2 oraz woltomierze V1 i V2.
Połączyć układ zgodnie z rysunkiem 4. Sygnał wyjściowy z generatora ustawić jako
sinusoidalny. Składową stałą ustawić na poziomie zerowym (tzw. praca bez Offsetu).
Czułość dla sygnału wyjściowego oscyloskopu ustawić na poziomie 2V/dz. Pozycje
przełączników ustawić „2” dla Z
1
, „3” dla Z
2
oraz „
∞” dla R
3
i R
L
. Ustawić
częstotliwość generatora na poziomie około 300 Hz. Amplitudę sygnału wejściowego
dobrać tak by przebieg napięcia wyjściowego wzmacniacza zajmował np. 8 działek na
ekranie oscyloskopu. Zwiększając częstotliwość generatora określić częstotliwości,
przy których amplituda sygnału wyjściowego maleje kolejno: 2 razy, 10 razy i 20
razy. Powtórzyć pomiary przełączając kolejno przełącznik Z
2
w położenie: „5” i „7”
odpowiednio. Podczas pomiarów zwracać uwagę, aby sygnał wyjściowy nie był
zniekształcony. Wyniki pomiarów zapisać do Tabeli 6.
Tabela 6. Pomiar pasma przenoszenia wzmacniacza
w układzie nieodwracającym
Spadek sygnału Z
1
– 2, Z
2
- 3
Z
1
– 2, Z
2
- 5
Z
1
– 2, Z
2
- 7
2 razy
10 razy
20 razy
Rys.4. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania pasma przenoszenia wzmacniacza
operacyjnego w układzie nieodwracającym
5
4.
Pomiary charakterystyk przejściowych i parametrów wzmacniacza w
układzie nieodwracającym – wtórnik
4.1. Wyznaczenie charakterystyki przejściowej wzmacniacza w układzie
nieodwracającym -wtórnika
Dokonać połączenia układu zgodnie z rys. 3. Ustawić pokrętła Z
1
, R
3
, R
L
w pozycji
„
∞” a Z
2
w położeniu 1. Zmienić wartość napięcia podawanego na wejście We2 od
wartości około –12V do +12V za pomocą potencjometru P1. Napięcie wejściowe
zmieniać z krokiem około 1V. Pomiary powtórzyć dla innych nastaw wartości Z
1
, Z
2
podanych przez prowadzącego. Wyniki pomiaru zapisać w Tabeli 7.
UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze V
1
, V
2
→ 20V.
Tabela 7. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego w układzie
nieodwracającym - wtórnik
Z
1
-
∞ U
We1
[V] -12,0
-11,0
...
...
...
...
11,0
12,0
Z
2
- 1
U
Wy
[V]
4.2. Wyznaczenie
oporu
wejściowego wzmacniacza nieodwracającego w układzie
nieodwracającym - wtórnik
W układzie pomiarowym jak na rys. 3 ustawić zadane napięcie wejściowe (V
1
) np.
12V. Zmierzyć wartość napięcia wyjściowego (V
2
). Następnie usunąć zworkę łączącą
wejście We2 z wejściem + wzmacniacza. W miejsce zworki podłączyć rezystancję
R
s2
. Nie zmieniając wartości napięcia zasilającego (V
1
) odczytać napięcie na wyjściu
wzmacniacza (V
2
). Następnie wypiąć rezystor R
s2
a wpiąć rezystor R
s3
ponownie
dokonując odczytu napięcia (V2) na wyjściu wzmacniacza. Po skończonych
pomiarach odłączyć rezystor R
s3
a wejście We2 ponownie połączyć z wejściem +
wzmacniacza.. Wyniki pomiarów zapisać w Tabeli 8.
Tabela 8. Wyznaczanie oporności wejścia i wyjścia wzmacniacza
w układzie
nieodwracającym - wtórnik
U
we
[V]
U
wy
[V]
U
wy
[V] z R
s2
U
wy
[V] z R
s3
Z
1
–
∞, Z
2
-1
12
U
wy
[V] ] z R
L
∞
U
wy
[V] ] z R
L1
U
wy
[V] z R
L2
U
wy
[V] z R
L3
Z
1
–
∞, Z
2
-1
12
4.3. Wyznaczenie
oporu
wyjściowego wzmacniacza nieodwracającego w układzie
nieodwracającym - wtórnik
Ponownie wpiąć zworkę łączącą wejście We1 z wejściem + wzmacniacza.
operacyjnego. Ustawić taką wartość napięcia wejściowego, aby na wyjściu
wzmacniacza (V
2
) uzyskać około 12 V przy ustawieniach przełączników Z
1
– 1, Z
2
–
3 oraz R
L
-
∞. Następnie zmieniać położenie przełącznika R
L
od 1 do 4 z
6
jednoczesnym odczytem napięcia wyjściowego (V
2
) dla każdej pozycji. Wyniki
pomiarów umieszczać w Tabeli 8.
5.
Komparator
5.1. Wyznaczenie charakterystyki przejściowej komparatora bez histerezy
Dokonać połączenia układu zgodnie z rysunkiem 6. Ustawić pokrętła Z
2
, R
3
, R
L
w
pozycji „
∞” a Z
1
w położeniu „2”. Wejście We2 połączyć z + wejściem wzmacniacza
poprzez rezystor Rs1. Pomiędzy We2 a masę układu (
⊥) doprowadzić napięcie Udc1.
Napięcie z potencjometru P1 doprowadzić do wejścia We1. Napięcie wejściowe Udc1
ustawiać skokowo co około 2V od wartości 0V do +10V. Zmienić wartość napięcia
podawanego na wejście We2 od wartości około -12V do +12V za pomocą
potencjometru P1. Jednocześnie odczytywać napięcia wejściowe i wyjściowe za
pomocą woltomierzy cyfrowych. Zamienić miejscami doprowadzone napięcia tzn.
napięcie Udc1 dołączyć do We2, a napięcie z potencjometru P1 dołączyć do We1 i
powtórzyć wszystkie pomiary. Wyniki pomiarów zapisać w Tabeli 9.
UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze V
1
, V
2
→ 20V.
Tabela 9. Wyznaczanie charakterystyki przejściowej komparatora bez histerezy
U
we1
[V]
U
we2
[V]
U
wy
[V]
Rys.5. Schemat układu pomiarowego do badania komparatora bez histerezy
5.2. W
YZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI PRZEJŚCIOWEJ KOMPERATORA Z HISTEREZĄ
W układzie pomiarowym z rys. 5 pokrętło R
3
ustawić w położenie „1”. Napięcie
wejściowe Udc1 ustawiać z przedziału 0V
÷ 2V. Zmienić wartość napięcia
7
podawanego na wejście We2 od wartości około -12V do +12V za pomocą
potencjometru P1. Jednocześnie odczytywać napięcia wejściowe i wyjściowe za
pomocą woltomierzy cyfrowych. Pomiary wykonywać w obie strony tzn. od -12V do
+12V a następnie od +12V do -12V. Pomiary powtórzyć dla pozycji „3” i „5” pokrętła
R
3
. Zamienić miejscami doprowadzone napięcia tzn. napięcie Udc1 dołączyć do We2,
a napięcie z potencjometru P1 dołączyć do We1 i powtórzyć wszystkie pomiary.
Wyniki pomiarów zapisać w Tabeli 10.
UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze V
1
, V
2
→ 20V.
Tabela 10. Wyznaczanie charakterystyki przejściowej komparatora z histerezą
U
we1
[V]
U
we2
[V]
U
wy
[V]
6. O
BLICZENIA WYBRANYCH PARAMETRÓW WZMACNIACZA OPERACYJNEGO
6.1 Obliczanie wzmocnienia napięciowego wzmacniacza odwracającego
Wzmocnienie teoretyczne wzmacniacza operacyjnego odwracającego obliczamy z
zależności:
1
2
u
Z
Z
k
−
=
.
Rzeczywiste wzmocnienie układu obliczamy na podstawie wyników z Tabeli 1 ze
wzoru:
1
WE
WY
u
U
U
k
−
=
6.2. Obliczanie rezystancji wejściowej i wyjściowej wzmacniacza operacyjnego
odwracającego
Na podstawie wyników pomiarów z tabeli 2, korzystając z pomiarów spadków napięć
wywołanych dołączeniem dodatkowego rezystora na wejściu (R
s1
dla oporu
wejściowego) lub obciążającego wyjście (R
L
dla oporu wyjściowego) wyliczyć
odpowiednio opór wejściowy R
WE
i wyjściowy R
WY
wzmacniacza odwracającego,
posługując się zależnościami:
1
U
U
R
R
1
WY
WY
1
s
WE
−
=
1
L
1
WY
2
L
2
WY
1
WY
1
WY
WY
R
U
R
U
U
U
R
−
−
=
.
8
6.3.
Obliczanie wzmocnienia napięciowego wzmacniacza nieodwracającego
Wzmocnienie teoretyczne wzmacniacza operacyjnego nieodwracającego obliczamy z
zależności:
1
2
1
Z
Z
k
u
+
=
.
Rzeczywiste wzmocnienie układu obliczamy na podstawie wyników z Tabeli 1 ze
wzoru:
2
WE
WY
u
U
U
k
=
6.4. Obliczanie rezystancji wejściowej i wyjściowej wzmacniacza operacyjnego
nieodwracającego
Na podstawie wyników pomiarów z tabeli 4, korzystając z pomiarów spadków napięć
wywołanych dołączeniem dodatkowego rezystora na wejściu (R
s2
, R
s3
dla oporu
wejściowego) lub obciążającego wyjście (R
L
dla oporu wyjściowego) wyliczyć
odpowiednio opór wejściowy R
WE
i wyjściowy R
WY
wzmacniacza odwracającego,
posługując się zależnościami:
1
U
U
R
R
)
2
WY(
WY
2
s
WE
−
=
Rs
lub
1
)
U
U
R
R
3
WY(
WY
3
s
WE
−
=
Rs
1
L
1
WY
2
L
2
WY
1
WY
1
WY
WY
R
U
R
U
U
U
R
−
−
=
.
Sprawozdanie
I.
Część formalna:
a) temat ćwiczenia laboratoryjnego,
b) skład zespołu laboratoryjnego,
c) data wykonania ćwiczenia.
II.
Część pomiarowa:
a) schemat układu pomiarowego,
b) dane katalogowe badanego wzmacniacza operacyjnego,
c) wykaz przyrządów pomiarowych,
d) wyniki pomiarów zestawione w tabelach.
III.
Część wynikowa:
a) obliczenia parametrów wzmacniacza operacyjnego odwracającego:
o rezystancja wejściowa R
WE
,
o rezystancja wyjściowa R
WY
,
o teoretyczne i rzeczywiste wzmocnienie napięciowe ku.
b) charakterystyki przejściowe wzmacniacza operacyjnego odwracającego:
9
o U
WY
= f(U
WE1
)
,
o k
u
= f(U
WE1
)
,
o k
u
= f(f)
w skali logarytmicznej.
c) obliczenia parametrów wzmacniacza operacyjnego nieodwracającego:
o rezystancja wejściowa R
WE
,
o rezystancja wyjściowa R
WY
,
o teoretyczne i rzeczywiste wzmocnienie napięciowe ku.
d) charakterystyki przejściowe wzmacniacza operacyjnego nieodwracającego i wtórnika:
o U
WY
= f(U
WE1
)
,
o k
u
= f(U
WE1
)
,
o k
u
= f(f)
w skali logarytmicznej.
e) charakterystyki przejściowe komparatora bez histerezy:
o U
WY
= f (U
WE1
),
o U
WY
= f (U
WE2
).
f) charakterystyki przejściowe komparatora z histerezą:
o U
WY
= f (U
WE1
),
o U
WY
= f (U
WE2
).
IV.
Wnioski dotyczące:
o porównania obliczonych rzeczywistych wartości wzmocnień napięciowych z
wartościami teoretycznymi,
o porównania obliczonych rzeczywistych wartości rezystancji wejściowych i
wyjściowych z wartościami teoretycznymi,
o porównania działania wzmacniacza nieodwracającego oraz wtórnika,
o porównania działania komparatora bez histerezy oraz z histerezą,
o ogólne wnioski dotyczące wzmacniacza operacyjnego.
Wymagania
• symbol, oznaczenie wzmacniacza operacyjnego,
• rodzaje wejść wzmacniacza operacyjnego,
• parametry idealnego wzmacniacza,
• wzmacniacz odwracający – schemat, zasada działania, wzmocnienie napięciowe,
• wzmacniacz nieodwracający – schemat, zasada działania, wzmocnienie napięciowe,
• wzmacniacz nieodwracający w układzie wtórnika – schemat, zasada działania,
• wzmacniacz różnicowy – schemat, zasada działania,
• wzmacniacz sumujący – schemat, zasada działania,
• wzmacniacz całkujący– schemat, zasada działania,
• wzmacniacz różniczkujący – schemat, zasada działania,
• komparator bez histerezy – schemat, zasada działania,
• komparator z histerezą – schemat, zasada działania.
10
11
Tabela oporów i pojemności
Z
1
Z
2
R
3
R
L
Pozycja
Wartość
Pozycja Wartość
Pozycja Wartość
Pozycja Wartość
1
5 k
Ω
1
0
Ω
1
20
Ω
1
2
Ω
2
10 k
Ω
2
10 k
Ω
2
50 k
Ω
2
5 k
Ω
3
15 k
Ω
3
20 k
Ω
3
100 k
Ω
3
10 k
Ω
4
20 k
Ω
4
50 k
Ω
4
200 k
Ω
4
20 k
Ω
5
25 k
Ω
5
100 k
Ω
5
500 k
Ω
6
30 k
Ω
6
200 k
Ω
6
1 M
Ω
∞
∞ Ω
7
500 k
Ω
∞
∞ Ω
8
1 M
Ω
∞
∞ Ω
∞
∞ Ω
C1
0.1
μF
C1
0.1
μF
C2
1.0
μF
C2
1.0
μF
C3
10
μF
C3
10
μF
R
s1
10 k
Ω
R
s2
300 k
Ω
R
s3
10 M
Ω
Literatura
1. Nadachowski M., Kulka Z.: „Scalone układy analogowe” , WKiŁ, Warszawa
1985.
2. Rusek M., Pasierbiński J.: „Elementy półprzewodnikowe: układy scalone w
pytaniach i odpowiedziach”
. WNT Warszawa 1999r.
3. Nosal Z. Baranowski J.: „Układy elektroniczne. Cz. I. Układy analogowe liniowe”,
WNT, Warszawa 2003.
4. Horowitz P., Hill W.: „Sztuka elektroniki” Cz. I, WKiŁ, Warszawa 2003,