Fyzikální praktikum 3 - úloha 7

Transkript

1 Fyzikální praktikum 3 - úloha 7 Operační zesilovač, jeho vlastnosti a využití Teorie: Operační zesilovač je elektronická součástka využívaná v měřící, regulační a výpočetní technice. Ideální model má nekonečně velké zesílení A u, nekonečně velký vstupní odpor R vst a nulový výstupní odpor R vyst. Reálný model mívá zesílení alespoň A u = 1, vstupní odpor R vst = 5kΩ a výstupní odpor R vyst = 5Ω. Tato součástka má dva vstupy, invertující a neinvertující, a jeden výstup. Pokud přijde signál na invertující vstup, na výstupu bude s opačnou fází, bude-li připojen na neinvertující vstup, na výstupu bude signál se stejnou fází. Operační zesilovač má dále vstupy pro napájení. Popis měření: V tomto praktiku budeme zkoumat vlastnosti operačního zesilovače v několika zapojeních. Zesilovač s invertujícím vstupem Vstupní napětí je přivedeno na invertující vstup. Po určité době bude v uzlu A téměř nulové napětí způsobené přivedením výstupního napětí na vstup. V uzlu A pak můžeme psát U = R U 1. Budeme měřit napětí U 1 a U. Data proložíme přímkou a ze směrnice zjistíme experimentální hodnotu R. Tu můžeme porovnat s teorií.

2 V tomto zapojení můžeme také měřit frekvenční charakteristiku zesilovače a zjistit tak přenosovou oblast zesilovače, tedy oblast, kdy zesílení neklesne pod A u max, kde A umax je maximální zesílení. Zesilovač s neinvertujícím vstupem Napětí je tentokrát přivedeno na neinvertující vstup. Pro výstupní napětí lze odvodit vztah ( U = 1 + R ) U 1. Opět grafem závislosti U = f(u 1 ) můžeme proložit přímku a naměřená data porovna s teorií. Rozdílový zesilovač Kombinací předchozích dvou zapojení můžeme získat rozdílový zesilovač. Výstupní napětí získáme ze vztahu R ( + R ) U = U (R 3 + R ) U R 1. Sčítací zesilovač

3 Obměnou předchozího zapojení získáme sčítací zesilovač. Pro výstupní napětí můžeme odvodit vztah ( R U = U 1 + R ) U. 1 Komparátor Toto zapojení využívá velkého zesílení operačního zesilovače. Po nastavení referenčního napětí můžeme nastavovat napětí U 1 tak, aby nesvítila ani jedna z diod. To znamená, že obě napětí na vstupu jsou stejná.

4 Dolní propust V tomto zapojení je zapojen RC prvek, takže se mění frekvenční charakteristika. Zde nás bude zajímat šířka přenášeného pásma. Pásmová propust Pokud místo RC členu v předchozí úloze zapojíme T článek, získáme pásmovou propust, jejíz frekvenční charakteristika nás bude zajímat.

5 Měření a výsledky: Invertující zapojení U 1 [V ] U [V ],5-9, 3,91 -,55 3,37-7,3,75 -, 1,97 -,3 1,59-3,9 1, -, -1,,77-1,5 3,9 -,7,55 -,95,7-3,3 7,33-3,,1 -,3 9,7 U [V] Invertujici zapojeni U 1 [V] Směrnice přímky: a =, 195 ±, Předpokládaný poměr: R = 1,5 =, 17 9,5 f[hz], 9,1 13, 557,1 77, 95, U 1 [V ],1,,1,1,, U [V ],5,5,5,5,5,51 A,15,19,15,15,19,17 f[khz] 1,1,,7 7, 5,1 1, U 1 [V ],,,1,1,, U [V ],,,,,, A,1,1,,19,11 1,5 f[khz] 1, U 1 [V ],,1,1,1,1, U [V ], 3,7 3,, 1,,9 A 1,79 1,71 1,51 1,11,57,7 Neinvertující zapojení U 1 [V ] U [V ] 1,, 1,5 5,,51, 3,3 9, 3,9 1,3,5 1,3-1, -, -1,57-5, -,3-7, -3, -9,57-3,71-11,3-3,3-1,59 U [V] A Neinvertujici zapojeni Frekvencni charakteristika Omezeni pasmove oblasti log f Hranice přenosové oblasti je 13kHz U 1 [V] Směrnice přímky: a = 3, 15 ±, 5 Předpokládaná hodnota: 1 + R = 1 + 1,5 9,5 = 3, 13

6 Rozdílový zesilovač U 1 [V ] U [V ] U [V ] 1, 5, 9,15 1,,3,71 1, 3,19,19 1,,, 1,91,7,77, 3,1 1, 3,79 3,1 -,5 5,1 1,75-7,33, 1,75-9,9 5,97 3,51-5,39 5,3 3,9 -, 7, 5,7-3,3,7,5 -,1 1,7 1, -,,9, 3,71 3, 5,39 3,7 1, 5,39 7,5 Sčítací zesilovač U 1 [V ] U [V ] U [V ] 1, 1, -1,3 1,5 1, -,7,33 1, -,9,3,3-3,3,3 3,3-3, 3,1 3,3 -,5,, -, 5,5,1-7,77-1,9-3,19,9 -,31-3,19 3,77 -,3-5,1,3 -,91-5,9 5, -,91 -,73 5,9 -,33 -,7 7, -,31-1,5,9-1, -1,5 1, Komparátor U ref [V ] 1,33-1, -1,5 U 1 [V ] 1,3-1,37-1,9 U [V] Rozdilovy zesilovac ,19 U -,1 U 1 [V] Směrnice přímky: a =, 999 ±, Předpoklad: a = 1 U [V] Scitaci zesilovac , U 1-1,1 U [V] Směrnice přímky: a =, 995 ±, Předpoklad: a = 1

7 Dolní propust f[hz] 9,95,1 7, 77, 11 U 1 [mv ] U [V ] 1, 1, 1, 1,1 1, A 1,1 1, 9, 9,1,5 f[hz] 15, , 15, 15 U 1 [mv ] U [V ] 1, 1,,9,, A,39,3, 7,,7 f[hz], U 1 [mv ] U [mv ] 3 A 5, 3,11,7,3,39 Pásmová propust f[hz] 9,7,5 7,5 77, U 1 [mv ] U [mv ] A,,,, f[hz] 99, 17 1,7 1,7 U 1 [mv ] U [mv ] A,95 3, 3,13 3, f[hz], 5 555, 51 U 1 [mv ] U [mv ] A 3, 3,1 3,1 3,5 f[hz] 7,9 3, 99,1 99,1 U 1 [mv ] U [mv ] A,93,95,7,7 A A Dolni propust Hranice sirky prenaseneho pasma log f Hranice přenosové oblasti je 11Hz. Pasmova propust f [Hz] Závěr: Úkolem tohoto praktika bylo ověření vlastností operačního zesilovače. První dvě úlohy se týkaly ověření invertujícího a neinvertujícího vstupu. Zesílení takto získané se dá porovnat s teoretickou hodnotou. V obou případech jsou hodnoty hodně podobné. Dále byla naměřena frekvenční závislost zesílení. Teoreticky by mělo být zesílení stejné pro všechny frekvence, ale ve skutečnosti ve vyšších frekvencích klesá. Šířka přenášeného pásma zde byla určena na 13kHz. V dalších dvou úlohách se oveřovaly vlastnosti, když je zapojen invertující i neinvertující vstup. V grafech jsou zakresleny hodnoty dané příslušným vztahem, který je uveden dříve. Teoreticky by tedy měla být směrnice určená z těchto dat rovna jedné. V obou případech tomu tak téměř je, i když u sčítacího zesilovače bylo nutné jednu hodnotu zanedbat, protože byla příliš jiná. Dále byla ověřena funkce komparátoru. Je vidět, že referenční a vstupní napětí jsou podobná, takže komparátor pracoval dobře. Poslední dvě úlohy byly zaměřeny na frekvenční závislost zesílení. Kombinací odporů a kapacit lze u dolní propusti dosáhnout různé šířky přenášeného pásma, zde byla kofigurace taková, že šířka byla 11Hz.