wzmacniacz, Materiały PWr, Elektrotechnika
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
W
YDZIAý
PPT
L
ABORATORIUM Z
E
LEKTROTECHNIKI I
E
LEKTRONIKI
Ęwiczenie nr X.
SprzħŇenie zwrotne, wzmacniacze operacyjne
D-1
Cel ęwiczenia
:
Praktyczne poznanie podstawowych parametrw wzmacniaczy operacyjnych
oraz ich moŇliwoĻci i ograniczeı. Wyznaczenie charakterystyki amplitudowo-
czħstotliwoĻciowej wzmacniacza operacyjnego.
Program ęwiczenia
1. Budowa ukþadu pomiarowego:
a. Ukþad poþĢczyę wedþug rys.1
b. Ustawię napiħcie zasilajĢce w zakresie 4Ô16V, np. U
Z
=10,5V (nastawa skokowa na
makiecie zasilacza).
c. Za pomocĢ generatora ustawię parametry sygnaþu wejĻciowego: U
WE
=1V
(amplituda), f=1kHz.
d. UstawiÄ™ wzmocnienie K
u
=10 za pomocĢ zworki Z
3
na makiecie wzmacniacza.
e. Uzyskaę stabilny obraz obu sygnaþw (U
WE
i U
WY
) na ekranie oscyloskopu.
f. W celu pomiaru wartoĻci skutecznej napiħcia (U
WE
i U
WY
) podþĢczyę woltomierz
napiħcia zmiennego.
V
4 16V
Generator
BNC
We
Wy
Zasilacz
Makieta
X
Oscyloskop
Y
Rys.1 Schemat blokowy ukþadu do badania sygnaþw przeksztaþconych przez wzmacniacz.
2. Pomiar wzmocnienia wzmacniacza i obserwacja pracy wzmacniacza w warunkach
przesterowania.
a. Wygenerowaę sygnaþ sinusoidalny o czħstotliwoĻci f w zakresie 1Ô10 kHz.
b. Zmierzyę wartoĻę sygnaþu na wyjĻciu wzmacniacza (U
WY
) dla trzech rŇnych
wartoĻci napiħę wejĻciowych (U
WE
) i policzyÄ™ wzmocnienie dla tych trzech
przypadkw zgodnie ze wzorem:
K =
U
WY
u
U
WE
Wyniki zapisaę w tabeli nr 1. Pomiaru napiħę dokonywaę za pomocĢ woltomierza
napiħcia zmiennego. Na oscyloskopie obserwowaę zmiany napiħcia wyjĻciowego
(U
WY
).
c. Zmienię napiħcie wejĻciowe w taki sposb aby zaobserwowaę znieksztaþcenie
sygnaþu wzmocnionego. Zapisaę wartoĻę U
WE
i U
WY
, przy ktrym zaobserwowano
przesterowanie wzmacniacza. Narysowaę sygnaþ na wyjĻciu wzmacniacza (U
WY
) i
zinterpretowaÄ™ wynik.
d. Zmienię wartoĻę wspþczynnika sprzħŇenia zwrotnego poprzez przeþoŇenie zworki
Z
3
na makiecie wzmacniacza i powtrzyÄ™ pomiary.
Strona 1 z 8
Ô
W
YDZIAý
PPT
L
ABORATORIUM Z
E
LEKTROTECHNIKI I
E
LEKTRONIKI
Ęwiczenie nr X.
SprzħŇenie zwrotne, wzmacniacze operacyjne
D-1
3. Pomiar charakterystyki amplitudowo-czħstotliwoĻciowej wzmacniacza
K
u
=
f
( )
.
a. Ustalię staþĢ wartoĻę napiħcia wejĻciowego np. U
WE
=100 mV
b. Zmierzyę wartoĻę U
WY
przy zmianach czħstotliwoĻci sygnaþu w zakresie 10Hz do
1MHz
c. ObliczyÄ™ wzmocnienie K
u
zgodnie ze wzorem:
K
=
20log
U
WY
[
dB
]
u
U
WE
Wyniki pomiarw zapisaÄ™ w tabeli nr 2.
Napiħcie wyjĻciowe policzyę zgodnie ze wzorem:
=
d. WykreĻlię zaleŇnoĻę
( )
U
WY
C
Y
µ
Y
[V/dz
µ
dz]
=
[
V]
K
. Na wykresie nanieĻę wartoĻci f w skali
logarytmicznej. Wyznaczyę czħstotliwoĻci graniczne przenoszenia f
d
i f
g
, policzyÄ™
szerokoĻę pasma wzmacniacza.
u
=
f
f
Zadania dodatkowe
1. Wygenerowaę sygnaþ prostokĢtny o czħstotliwoĻci f=100 kHz. Narysowaę sygnaþ po
wyjĻciu ze wzmacniacza i zinterpretowaę uzyskany wynik.
2. Zbadaę wpþyw napiħcia zasilajĢcego na napiħcie nasycenia wzmacniacza. W tym celu
zmierzyę za pomocĢ oscyloskopu wartoĻę maksymalnĢ napiħcia wyjĻciowego przy
dwch wartoĻciach napiħcia zasilajĢcego (nastawa skokowa na makiecie zasilacza)
U
Z
=7,5V i U
Z
=4,5V.
Przykþadowe tabele pomiarowe
Tab.1 Pomiar napiħcia wejĻciowego i wyjĻciowego wzmacniacza. Obliczenie wzmocnienia
.
Lp.
U
we
DU
we
dU
we
U
wy
DU
wy
dU
wy
K
u
DK
u
dK
u
[V]
[V]
[%]
[V]
[V]
[%]
[%]
1.
2.
3.
Tab. 2 Pomiar charakterystyki czħstotliwoĻciowej wzmacniacza.
Lp.
f
C
y
Y
U
wy
DU
wy
dU
wy
K
u
DK
u
dK
u
[kHz] [V/dz] [dz]
[V]
[V]
[%] [dB] [dB] [%]
Strona 2 z 8
f
W
YDZIAý
PPT
L
ABORATORIUM Z
E
LEKTROTECHNIKI I
E
LEKTRONIKI
Ęwiczenie nr X.
SprzħŇenie zwrotne, wzmacniacze operacyjne
D-1
Wprowadzenie
1. SprzħŇenie zwrotne
SprzħŇenie zwrotne w ukþadach elektronicznych polega na doprowadzeniu czħĻci sygnaþu
wyjĻciowego z powrotem do wejĻcia. CzħĻę sygnaþu wyjĻciowego, zwana sygnaþem zwrotnym,
zostaje skierowana do wejĻcia ukþadu i zsumowana z sygnaþem wejĻciowym, wskutek czego
ulegajĢ zmianie warunki sterowania ukþadu.
Wzmocnienie napiħciowe wzmacniacza bez sprzħŇenia zwrotnego jest rwne stosunkowi
napiħcia wyjĻciowego do napiħcia wejĻciowego (rys.2a).
K
=
U
2
(1.1)
U
U
1
gdzie: Ku Î wzmocnienie otwartej pħtli.
A)
U
1
U
2
Wzmacniacz K
u
B)
U
1
Wzmacniacz K
u
U'
2
U'
2
SprzħŇenie zwrotne
Ȳ
f
Rys.2 Ukþady blokowe wzmacniaczy A) bez sprzħŇenia zwrotnego B) ze sprzħŇeniem zwrotnym
Przy doþĢczeniu pħtli sprzħŇenia zwrotnego (rys.2.b) caþkowite napiħcie wejĻciowe skþada siħ z
sygnaþu poczĢtkowego U
1
oraz czħĻci Ȳ
f
sygnaþu wyjĻciowego doprowadzonego z powrotem na
wejĻcie. Suma tych sygnaþw zostaje wzmocniona przez wzmacniacz K
u
razy, a na wyjĻciu
powstaje napiħcie wyjĻciowe UÓ
2
, ktre moŇemy opisaę nastħpujĢco:
U
Ó
2
=(U
1
+ Ȳ
f
U
Ó
2
)K
u
(1.2)
Po przeksztaþceniu rwnania (1.2) otrzymujemy:
U
'
2
=
K
u
U
1
-
ȲK
1
u
(1.3)
Stosunek
U
'
2
stanowi wypadkowe wzmocnienie ukþadu ze sprzħŇeniem zwrotnym (wzmocnienie
U
1
zamkniħtej pħtli) i oznaczany jest przez K
Ó
u
.
Strona 3 z 8
Ȳ
f
W
YDZIAý
PPT
L
ABORATORIUM Z
E
LEKTROTECHNIKI I
E
LEKTRONIKI
Ęwiczenie nr X.
D-1
2. Ujemne sprzħŇenie zwrotne
Ujemne sprzħŇenie zwrotne polega na doprowadzeniu sygnaþu z wyjĻcia ukþadu z powrotem do
jego wejĻcia w taki sposb aby áskasowaęÑ czħĻę sygnaþu wejĻciowego, co powoduje zmniejszenie
wzmocnienia wzmacniacza. Wynika to z faktu, iŇ w ukþadzie z ujemnym sprzħŇeniem zwrotnym
doprowadzona na wejĻcie czħĻę sygnaþu wyjĻciowego ma przeciwnĢ fazħ niŇ napiħcie wejĻciowe, a
wiħc odejmuje siħ od napiħcia wejĻciowego. W przypadku ujemnego sprzħŇenia zwrotnego znak
wspþczynnika Ȳ
f
jest ujemny. W zwiĢzku z tym wyraŇenie (1.3) ulega modyfikacji i przyjmuje
nastħpujĢcĢ postaę:
K
'
u
=
K
u
1
+
ȲK
u
(2.1)
PrawdĢ jest, Ňe ujemne sprzħŇenie zwrotne powoduje zmniejszenie wzmocnienia, ale w zamian
otrzymuje siħ poprawħ innych parametrw a w szczeglnoĻci:
- poprawia siħ stabilnoĻę wzmocnienia (ukþad jest mniej wraŇliwy np. na wahania napiħę
zasilajĢcych i zmianħ temperatury),
- zmniejszajĢ siħ szumy i znieksztaþcenia (tak liniowe, jak i nieliniowe),
- zwiħksza siħ grna czħstotliwoĻę graniczna (czyli ulega poszerzeniu pasmo),
- moŇliwe jest ksztaþtowanie charakterystyki czħstotliwoĻciowej,
- moŇliwa jest modyfikacja impedancji wejĻciowej i wyjĻciowej.
3. Dodatnie sprzħŇenie zwrotne
SprzħŇenie zwrotne nazywamy dodatnim gdy faza napiħcia zwrotnego doprowadzonego z
wyjĻcia do wejĻcia ukþadu jest zgodna z faza napiħcia wejĻciowego. Oznacza to, ze wspþczynnik
Ȳ
f
jest dodatni, a wzmocnienie ukþadu z dodatnim sprzħŇeniem zwrotnym jest opisany zaleŇnoĻciĢ
(1.3). Tego typu sprzħŇenie znajduje zastosowanie np. do konstruowania generatorw, ale stosuje
siħ je rzadko ze wzglħdu na m.in. moŇliwoĻę wytwarzania niepoŇĢdanych drgaı.
4. Wzmacniacze operacyjne
Wzmacniaczem operacyjnym nazywamy rŇnicowy wzmacniacz prĢdu staþego o bardzo
duŇym wzmocnieniu i niesymetrycznych wyjĻciach, przeznaczony do pracy z ukþadem ujemnego
sprzħŇenia zwrotnego. Powszechnie stosowany symbol graficzny wzmacniacza operacyjnego
przedstawiono na Rys. 4.1.
Rys. 4.1. Symbol graficzny wzmacniacza operacyjnego
Konwencjonalny wzmacniacz ma 2 zaciski wejĻciowe i 1 zacisk wyjĻciowy. JeŇeli zacisk
oznaczony á+Ñ jest uziemiony , a sygnaþ wejĻciowy zostanie doprowadzony do zacisku á-Ñ to
nastħpuje odwrcenie fazy miħdzy wejĻciem a wyjĻciem, zatem wejĻcie oznaczone symbolem á-Ñ
oznacza wejĻcie odwracajĢce wzmacniacza operacyjnego. Przeciwnie, jeŇeli uziemiony jest zacisk
á-Ñ, a sygnaþ doprowadzony jest do zacisku á+Ñ to nie nastħpuje odwrcenie fazy miħdzy wejĻciem
a wyjĻcie i zacisk á+Ñ nazywany jest wejĻciem nieodwracajĢcym wzmacniacza operacyjnego. Na
graficznym symbolu wzmacniacza zazwyczaj nie oznacza siħ wyprowadzeı napiħę zasilajĢcych.
Zarwno we wzmacniaczu operacyjnym jaki i w symbolu graficznym nie ma wyprowadzeı masy.
PodstawowĢ funkcjĢ wzmacniacza jest wzmocnienie sygnaþu, przy zachowaniu nie
zmienionego jego ksztaþtu. Wzmocnienie to odbywa siħ kosztem energii doprowadzonej z
Strona 4 z 8
SprzħŇenie zwrotne, wzmacniacze operacyjne
W
YDZIAý
PPT
L
ABORATORIUM Z
E
LEKTROTECHNIKI I
E
LEKTRONIKI
Ęwiczenie nr X.
D-1
pomocniczego Ņrdþa napiħcia staþego. Podstawowym parametrem wzmacniacza jest wzmocnienie
(K
u
), okreĻlany jako stosunek sygnaþu wyjĻciowego do wejĻciowego.
Cechy idealnego wzmacniacza operacyjnego:
Idealny wzmacniacz operacyjny powinien charakteryzowaę siħ nastħpujĢcymi
wþaĻciwoĻciami:
- nieskoıczenie duŇym wzmocnieniem przy otwartej pħtli sprzħŇenia zwrotnego (K ŗ ¯),
- nieskoıczenie szerokim pasmem przenoszenia czħstotliwoĻci,
- nieskoıczenie duŇĢ impedancjĢ wejĻciowĢ, zarwno miħdzy wejĻciami, jak i miħdzy kaŇdym z
wejĻę, a ziemiĢ,
- impedancjĢ wyjĻciowĢ rwnĢ zeru,
- napiħciem wyjĻciowym rwnym zeru przy rwnoĻci napiħę wejĻciowych (U
wy
= 0 przy U
we1
=
U
we2
),
- nieskoıczenie duŇym dopuszczalnym prĢdem wyjĻciowym,
- zerowym prĢdem wejĻciowym,
- wzmocnieniem idealnie rŇnicowym, tzn. nieskoıczenie duŇym wspþczynnikiem tþumienia
sygnaþu nierŇnicowego,
- zachowaniem powyŇszych wþaĻciwoĻci przy zmianach temperatury.
5. Podstawowe ukþady ze wzmacniaczami operacyjnymi
Do podstawowych ukþadw pracy wzmacniacza operacyjnego zalicza siħ :
- wzmacniacz odwracajĢcy,
- wzmacniacz nieodwracajĢcy,
- wzmacniacz odejmujĢcy,
- wzmacniacz sumujĢcy,
- wzmacniacz caþkujĢcy,
- wzmacniacz rŇniczkujĢcy,
- wtrnik napiħciowy,
- konwerter prĢd-napiħcie,
- przesuwnik fazy,
5.1 Wzmacniacz odwracajĢcy
Rysunek 5.1.1 przedstawia schemat wzmacniacza odwracajĢcego. Sygnaþ wejĻciowy przez
rezystor R
1
zostaje doprowadzony do wejĻcia odwracajĢcego. Do tego samego wejĻcia przez
rezystor R
2
doprowadza siħ z wyjĻcia napiħcie ujemnego sprzħŇenia zwrotnego. WejĻcie
nieodwracajĢce zostaje uziemione (najczħĻciej przez odpowiednio dobrany rezystor). Rezystory R
1
i R
2
stanowiĢ obwd sprzħŇenia zwrotnego.
Rys. 5.1.1 Schemat wzmacniacza odwracajĢcego
Strona 5 z 8
SprzħŇenie zwrotne, wzmacniacze operacyjne
[ Pobierz całość w formacie PDF ]