1

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. Wzmacniacz zasilamy z zasilacza
dwusekcyjnego ustawionego w tryb pracy szeregowej. 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
dostosowanym do wzmocnienia oraz punktu pracy wzmacniacza. Pomiary powtórzyć dla
innych nastaw wartości Z

1

, Z

2

podanych przez prowadzącego. Wyniki pomiaru zapisać w

tabeli 1.
UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze

V1, V2→ 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

2

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]

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
dostosowanym do wzmocnienia oraz punktu pracy wzmacniacza. Pomiary powtórzyć dla
innych nastaw wartości Z

1

, Z

2

podanych przez prowadzącego. Wyniki pomiaru zapisać w

Tabeli 2.

UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze

V1, V2→ 20V.

Rys.2. Schemat układu pomiarowego do badania wzmacniacza operacyjnego w układzie

nieodwracającym

Tabela 2. 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]

3

Z

1

- ...

U

We1

[V]

-12,0

-11,0

...

...

...

...

11,0

12,0

Z

2

- ...

U

Wy

[V]

4.

Pomiary charakterystyk przejściowych i parametrów wzmacniacza w

układzie nieodwracającym – wtórnik

4.1.

Wyznaczenie

charakterystyki

przejściowej

wzmacniacza

w

układzie

nieodwracającym -wtórnika

Ustawić pokrętła Z

1

, R

3

, R

L

w pozycji „∞” a Z

2

w położeniu 1 w układzie z rysunku 2.

Zmienić wartość napięcia podawanego na wejście We2 od wartości około –12V do +12V za
pomocą potencjometru P1. Napięcie wejściowe zmieniać z krokiem około 3V. Wyniki
pomiaru zapisać w Tabeli 3.

UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze

V1, V2→ 20V.

Tabela 3. Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego w układzie
nieodwracającym - wtórnik

Z

1

-∞

U

We1

[V]

-12,0

-9,0

...

...

...

...

9,0

12,0

Z

2

- 1

U

Wy

[V]

5.

Komparator

5.1.

Wyznaczenie charakterystyki przejściowej komparatora bez histerezy

Dokonać połączenia układu zgodnie z rysunkiem 3. 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 wykorzystując
zewnętrzny układ potencjometryczny zasilany napięciem 5V. Napięcie z potencjometru
wewnętrznego P1 doprowadzić do wejścia We1. Napięcie wejściowe Udc1 ustawiać z
przedziału 0.5V ÷ 2V. 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. Wyniki pomiarów zapisać w
Tabeli 4.

UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze

V1, V2→ 20V.

Tabela 4. Wyznaczanie charakterystyki przejściowej komparatora bez histerezy

U

we1

[V]

U

we2

[V]

U

wy

[V]

-12

….

….

12

4

Rys.3. Schemat układu pomiarowego do badania komparatora bez histerezy

5.2.

W

YZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI PRZEJŚCIOWEJ KOMPERATORA Z HISTEREZĄ

W układzie pomiarowym z rys. 3 pokrętło R

3

ustawić w położenie „1”. Napięcie wejściowe

Udc1 ustawiać z przedziału 0.5V ÷ 2V. 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. 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 5.

UWAGA: Zakresy pomiarowe: woltomierze

V1, V2

→

20V.

Tabela 5. Wyznaczanie charakterystyki przejściowej komparatora z histerezą

U

we1

[V]

U

we2

[V]

U

wy

[V]

-12

…

12

12

…

-12

6.

O

BLICZENIA WYBRANYCH PARAMETRÓW WZMACNIACZA OPERACYJNEGO

6.1 Obliczanie wzmocnienia napięciowego wzmacniacza odwracającego

5

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 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 2 ze
wzoru:

2

WE

WY

u

U

U

k

=

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:

o

U

WY

= f(U

WE1

)

,

6

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.

7

Tabela oporów i pojemności

Z

1

Z

2

R

3

R

L

Pozycja

Wartość

Pozycja

Wartość

Pozycja

Wartość

Pozycja

Wartość

1

5 kΩ

1

0 Ω

1

20 Ω

1

2 Ω

2

10 kΩ

2

10 kΩ

2

50 kΩ

2

5 kΩ

3

15 kΩ

3

20 kΩ

3

100 kΩ

3

10 kΩ

4

20 kΩ

4

50 kΩ

4

200 kΩ

4

20 kΩ

5

25 kΩ

5

100 kΩ

5

500 kΩ

6

30 kΩ

6

200 kΩ

6

1 MΩ

∞

∞ Ω

7

500 kΩ

∞

∞ Ω

8

1 MΩ

∞

∞ 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 kΩ

R

s2

300 kΩ

R

s3

10 MΩ

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,