WWzmacniacze operacyjne2.doc

1)   Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z własnościami wzmacniaczy operacyjnych. Służą one do wzmacniania amplitudy wyjścia, ale dają także możliwość dokonywania operacji matematycznych w maszynach analogowych (np. całkowanie, różniczkowanie, logarytmowanie itp.). Podczas ćwiczenia analizowane będą wzmacniacze nieodwracające(faza na wyjściu jest taka sama jak na wejściu) odwracające (faza wyjścia jest przesunięta o 180* względem wejścia).

2)    Wprowadzenie teoretyczne:

Idealny wzmacniacz operacyjny można przedstawić jako źródło napięcia sterowane napięciem.

Rys1

a) przedstawia wzmacniacza operacyjnego jako źródło napięcia sterowane napięciem

b) symboliczne oznaczenie wzmacniacza operacyjnego uA741 w programie PSpice

Charakterystyczna zależność do rysunku 1b jest następująca:

Vin = V- - V+

Vout = A0 Vin

A0 – współczynnik wzmocnienia

Idealny wzmacniacz operacyjny powinien charakteryzować się następującymi właściwościami:

-          nieskończenie dużym wzmocnieniem przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego;

-          nieskończenie szerokim pasmem przenoszenia częstotliwości;

-          zerową rezystancją wyjściową i nieskończenie dużą rezystancją wejściową przy

otwartej pętli sprzężenia zwrotnego;

-          napięciem wyjściowym równym zeru przy zerowej wartości różnicowego napięcia wejściowego, czyli zerowym napięciem nie zrównoważenia.

Rys 2.

a) Wzmacniacz op. odwracający                           b) Wzmacniacz op. nieodwracający

Współczynnik wzmocnienia można wyznaczyć badając powyższe układy prawem Kirchoffa, z obliczeń wynika (transmitancję wzmacniacza pomijamy)

a)                                                                                                  b)

We wzmacniaczach rzeczywistych trzeba jeszcze wziąć pod uwagę transmitancję układu H - która jest zależna od wielu czynników, których nie będę omawiał ze względu na fakt, że w ćwiczeniu wykorzystuje się gotowy wzmacniacz operacyjny uA741.

3)    Badanie wzmacniacza odwracającego:

3.1) Badanie stanu nasycenia

Połączyliśmy układ według schematu:

Mierzyliśmy amplitudę napięcia na cyfrowym oscyloskopie – na 1. kanale napięcie generatora, na 2. kanale napięcie za wzmacniaczem operacyjnym. Obserwowane sinusoidy były względem siebie przesunięte w fazie o 180*. Zwiększając amplitudę generatora otrzymywaliśmy zwiększoną amplitudę na wyjściu wzmacniacza.

Pomiar wzmacniania amplitudy

Gdy przekroczona została amplituda na generatorze 1.2V sinusoida na wyjściu wzmacniacza rozpoczęła się zniekształcać, więc obraliśmy w/w amplitudę jako punkt nasycenia wykorzystywany dalej. Współczynnik wzmocnienia obliczony na podstawie pomiarów dla punktu nasycenia jest w przybliżeniu równy:

Korzystając ze wzorów omówionych we wstępie teoretycznym możemy wyliczyć wzmocnienie za pomocą idealnego wzmacniacza:

Obliczanie wzmacniania amplitudy

Ponieważ:

Vo = A0Vi

Zatem teoretyczne wyniki powinny być następujące

Rys3.Teoretyczna charakterystyka wzmacniania sygnału sinusoidalnego

Przedstawiony wykres był niemal identyczny z tym uzyskanym na oscyloskopie dla amplitudy całkowitej 1V (stan nienasycenia). Zamieszczam model z PSpice, ponieważ nie mieliśmy aparatu by uwiecznić uzyskany wykres podczas pomiarów.

Błąd pomiarowy:

Vt – amplitudy wyliczone

Vp – amplitudy z pomiarów

Na błąd pomiarowy największy wpływ ma pominięcie w obliczeniach transmitancji wzmacniacza operacyjnego, której nie da się pominąć podczas dokonywania pomiarów na rzeczywistym sprzęcie.

3.2) Badanie szybkości zmian napięcia wyjściowego

Mając wyliczoną amplitudę nasycenia układu mogliśmy przystąpić do badania szybkości zmian napięcia na wyjściu wzmacniacza.

Po podłączeniu powyższego układu pod oscyloskop cyfrowy, mając na wejściu amplitudę nasycenia przystąpiliśmy do mierzenia amplitud na wyjściu oraz czasu narastania i opadania zboczy wykresu. Amplituda zgodnie z oczekiwaniami wyszła taka jak w pierwszym pomiarze. Po wyskalowaniu wykresu możliwe było zmierzenie dt – czasu narastania i opadania wykresu.

Pomiar czasu narastania amplitudy

dt = 7.5ms

dVo= 12.8V

Czas narastania zbocza trapezu jest ściśle zależny od charakterystyki wzmacniacza operacyjnego. Cały czas wykres wzmocniony jest przesunięty w fazie do napięcia na wejściu.

Znając przyrost czasu dt i amplitudy dVo można wyznaczyć współczynnik szybkości narastania napięcia wyjściowego SR (slew rate)

...