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,