Základní zapojení operačních zesilovačů

Transkript

1 ákladní zapojení operačních zesilovačů ) Navrhněte a zapojte stejnosměrný zesilovač s operačním zesilovačem v invertjícím zapojení se zadanými parametry. ) Navrhněte a zapojte stejnosměrný zesilovač s operačním zesilovačem v neinvertjícím zapojení se zadanými parametry. 3) obo zapojení změřte sktečné zesílení, vstpní odpor a porovnejte je s teoretickými hodnotami. Operační zesilovače pracjící v lineární oblasti, vykazjí vlastnosti, které se s dostatečno přesností dají porovnat s vlastnostmi ideálního operačního zesilovače. Především važjeme dva důsledky vlastností ideálního operačního zesilovače : a) mezi vstpy je nlové napětí, tedy oba vstpy jso na stejném potenciál, což je důsledek nekonečného zesílení b) ani jedním vstpem neteče prod, což je důsledek nekonečného vstpního odpor. Tyto dva důsledky možňjí značně zjednodšit řešení a návrh všech obvodů s operačními zesilovači, neboť nám dovolí požít zjednodšené vztahy. Jedno ze základních zapojení je invertjící zapojení operačního zesilovače (viz. obr.). Obr. nvertjící zapojení idealizovaného operačního zesilovače Pro zapojení s idealizovaným operačním zesilovačem platí, že i ; i i = 0; = 0. Tedy: i + i = i i = 0

2 a zesílení bde : + = 0 = Pro vstpní a výstpní impedanci pak přibližně platí : N i OT 0 alší, neinvertjící zapojení operačního zesilovače je vedeno na obr.. Obr. Neinvertjící zapojení idealizovaného operačního zesilovače Protože se zesílení operačního zesilovače v otevřené smyčce bde blížit nekonečn, bde napětí mezi vstpy z pohled vnějšího obvod nlové, tzn., že je-li na neinvertjícím vstp napětí, bde totéž napětí na invertjícím vstp operačního zesilovače. Pro invertjící vstp lze psát při i, kde impedance i je vstpní impedance operačního zesilovače, ktero v náhradním schémat operačního zesilovače važjeme zapojeno mezi invertjícím a neinvertjícím vstpem. Takže za vedených předpokladů platí: i + i + i i = 0 Na základě předcházejících vztahů lze vyjádřit rovnici :

3 této rovnice vyjádříme : 0 + = 0. =.( + ) Celé zapojení je pak možné chápat jako zesilovač s napěťovým zesílením : = + toho vyplývá, že zesílení neinvertjícího operačního zesilovače nemůže být menší než jedna. V případě, kdy se z neinvertjícího zapojení stává napěťový sledovač. Bdeme-li važovat vstpní impedanci operačního zesilovače i, dá se na základě náhradního schémat operačního zesilovače odvodit vztah pro vstpní impedanci neinvertjícího zapojení N i. A = i + +, kde A je zesílení operačního zesilovače. Vzhledem k velikosti A (řádově 0 5 a více) lze vstpní impedanci neinvertjícího zapojení považovat za nekonečno. Největší vstpní impedanci bde vykazovat při napěťový sledovač, jehož vstpní impedance.( + A). A N i i se bde blížit nekonečn, což se s výhodo napěťových sledovačů vyžívá.

4 Schéma zapojení pro měření neinvertjícího a invertjícího zapojení Níže vedená schémata přesňjí vlastní měření. adanými parametry jso odpor R a napěťové zesílení A. Na základě přesně změřené hodnoty odpor R nastavíme odpovídající zesílení na odporové dekádě Rd. Hodnot vstpního napětí volíme v rozsah - až + V s krokem 00 mv. Všechny změřené hodnoty zaznamenáváme do tablky a provedeme konstrkci graf = f (). Na závěr provedeme porovnání teoretických a sktečných hodnot a vyhodnotíme chyb zesílení. nvertjící zapojení Neinvertjící zapojení

5 Logaritmické fnkční měniče ) Navrhněte zapojení logaritmického fnkčního měniče s diodo pro kladné hodnoty výstpního napětí ) měřte závislost 0 =f( ) fnkčního měniče pro rozsah vstpního napětí 0, 0V. 3) Ověřte přesnost takto změřeného průběh s teoretickým výpočtem a rčete chyb logaritmického měniče. 4) Všechny změřené a vypočtené hodnoty znázorněte graficky. Rozbor: deální logaritmický člen má splňovat rovnici: 0 = k log kde: r vstpní napětí R zvolená prahová úroveň pro 0 = 0 0 K výstpní napětí konstanta logaritmování, definjící změn 0 při změně vstpního napětí o jedn dekád Logaritmické fnkční měniče moho aproximovat fnkci lomeno čaro, častěji se však, zejména, jde-li o přesnost měniče, vyžívají exponenciální charakteristiky některých polovodičových sočástek. Nejčastěji se vyžívá exponenciálního průběh voltampérové charakteristiky polovodičové diody nebo tranzistor, zapojeného ve zpětnovazebním obvod operačního zesilovače. Chceme-li získat fnkční měnič exponenciální, msíme pak tento polovodičový prvek zapojit do vstpního obvod operačního zesilovače. R Obr. 3. Logaritmický fnkční měnič s diodo

6 ávislost napětí na diodě a prod popisje tzv. diodová rovnice: = S exp kde: m T kt = T q, přičemž k Boltzmannova konstanta, JK - T absoltní teplota [K] q náboj elektron, C m korekční činitel ( ) zohledňjící rozdíl mezi ideálním a reálným P-N přechodem s nasycený (satrační) prod diody v závěrném směr a předpoklad, že >00mV, lze vedený vztah zjednodšit na tvar = S exp m T Pro výstpní napětí pak bde platit: 0 = = mt ln = m T ln S R S ané zapojení splňje požadavek logaritmické závislosti však jen v omezeném rozsah. Při rostocím prod diodo se začíná projevovat vliv ohmického odpor P-N přechod a pro výstpní napětí pak bde platit: 0 = mt ln + RB S a charakteristika se bde odklánět od ideálního logaritmického průběh. Protože hodnota.r B závisí na parametrech požité diody, není tento měnič příliš vhodný pro požití při operacích, kde je vyžadována přesná logaritmická závislost v rozsah širším než dvě dekády. Při požadavk větší přesnosti se dioda nahrazje křemíkovým tranzistorem, zapojeným do zpětné vazby operačního zesilovače, místo dříve popisované diody.

7 ávěr: Popisované zapojení má jedn podstatno nevýhod. Jak vyplývá z vedených vztahů, je výstpní napětí ovlivňováno změnami teplotního napětí T a chyba činí cca 0,33%/K. Rovněž satrační prod požitých diod se může měnit v závislosti na typ (i výrobní sérii). Proto se pro praktické požití toto zapojení jeví jako nevhodné a při realizaci je zapotřebí zapojení doplnit o obvody kompenzjící tyto vlivy. Při měření je vhodné vzhledem k vybavení měřicího pracoviště volit hodnot R v rozmezí 0 00 kω a operační zesilovač napájet symetrickým napájecím napětím 5V. Hodnoty S lze rčit výpočtem ze změřených průběhů a následně ověřit vypočteno charakteristik se změřeno. Poznámky k měření Na obr. 4 je vedeno zapojení pozdra L 8 (pohled shora) nejčastěji požívaných operačních zesilovačů, v našem případě LM 74 (TL 07). K napájení je požito symetrické napájecí napětí +/- 5 V (vůči nlovém potenciál), získané z centrálního stejnosměrného napájecího rozvod. Vývody, 5 a 8 se v našem případě nezapojjí!!! Obr. 4 apojení vývodů operačního zesilovače.