Elektronické praktikum EPR1

Transkript

1 Elektronické praktikum EPR1 Úloha číslo 4 název Záporná zpětná vazba v zapojení s operačním zesilovačem MAA741 Vypracoval Pavel Pokorný PINF Datum měření vypracování protokolu

2 Zadání 1. Navrhněte zápornou zpětnou vazbu a zapojení operačního zesilovače pro případy celkového zesílení K = 12 a K = -12 (neinvertující a invertující zapojení). V rámci přípravy v laboratorním deníku navrhněte schéma úplného zapojení obou případů, které budete v praktiku realizovat (včetně potřebných výpočtů a odvození, která uvedete i v protokolu). Potřebná teorie viz přednášky. 2. Připojte napájecí napětí k operačnímu zesilovači dle doporučení výrobce a seznamte se se zapojením patice integrovaného obvodu podle katalogu. Všimněte si konvence způsobu kreslení napájení obvodů ve schématu a skutečného propojení zdrojů napájení s obvodem zesilovače. 3. Změřte zesílení zesilovače a jeho dynamický rozsah pro stejnosměrný signál a pro oba případy z bodu 1. Zesílení určujte jako směrnici přímky, která aproximuje naměřené body v lineární části. 4. Ze závislosti určené v bodě 3 určete napětí na vstupu, při kterém je na výstupu napětí právě 0,00 V. 5. Porovnejte naměřené výsledky s teoreticky odvozenými hodnotami a případný rozdíl vysvětlete. 6. Ověřte funkci i pro střídavé signály 100 a 1000 Hz Vypracování Návrh zapojení se zápornou zpětnou vazbou Následující schémata ukazují invertující a neinvertující zapojení operačního zesilovače. Obrázek 1 - Invertující zapojení operačního zesilovače

3 Obrázek 2 - Neinvertující zapojení operačního zesilovače Návrh záporné zpětné vazby Pro návrh budeme uvažovat následující vlastnosti operačního zesilovače. Vstupní odpor R i, výstupní odpor R o 0 (tj. při správném zapojení zpětné vazby je napětí mezi vstupy operačního zesilovače rovno 0). Platí následující vztahy I R1 = U A, I R2 = U B Z předpokladu nekonečného vstupního odporu plyne, že proud tekoucí do OZ je roven 0. Tedy I R1 =-I R2. Po dosazení získáme vztah U B = U A Pro požadované zesílení K=-12 v zapojení s invertujícím vstupem K = U B U A v poměru dostáváme, že velikost odporů musí být = 12 Pro tento typ zesilovače musí být hodnoty odporů v rozmezí 2 kω 3 MΩ. Zvolili jsme proto odpor 100kΩ (naměřeno 104,9 kω) a odpor 1,2 MΩ (naměřeno 1,41 MΩ). Pro změřené velikosti odporů je velikost teoretického zesílení 13,44. Pro zapojení na neinvertující vstup jsme použili stejné odpory a přepočítali jsme velikost zesílení.

4 Výpočet je shodný s předchozím postupem, pouze napětí na odporu R2 není rovno U B, ale U B - U A. Platí tedy I R1 = U A I R2 = U B U A K = U B U A = I R2 I R1 + 1 = + 1 = 1,41M 104,9k + 1 = 14,44 Měření zesílení stejnosměrného signálu Pomocí dvojice voltmetrů jsme měřili závislost výstupního napětí na úrovni vstupu. U A [mv] U B [V] 14,51 14,50 14,28 13,95 13,00 11,67 10,99 8,57 7,43 6,77 5,47 4,16 3,02 2,04 1,07 0,44 -K 11,60 13,67 13,86 13,95 13,97 13,89 14,97 13,91 13,91 13,81 13,67 13,86 14,73 13,97 14,45 15,17 Tabulka 1 - Měření zesílení pro invertující vstup (záporná vstupní napětí) U A [mv] U B [V] -0,19-0,59-0,84-1,50-2,63-3,28-4,09-5,55-6,32-6,84-8,69-10,30-11,10-12,08-13,13-13,15 -K 11,87 12,82 13,12 13,63 13,69 13,72 13,72 13,87 13,73 13,68 13,79 13,64 13,87 13,79 12,74 10,95 Tabulka 2 - Měření zesílení pro invertující vstup (kladná vstupní napětí) U A [mv] U B [V] -12,07-12,15-10,80-9,60-8,30-6,50-5,00-1,79-0,72-0,37 K 11,333 13,500 13,793 13,714 13,833 13,830 13,774 13,459 12,857 14,038 Tabulka 3 - Měření zesílení pro neinvertující vstup (záporná vstupní napětí) U A [mv] U B [V] 1,11 1,45 2,87 3,60 4,75 6,20 6,68 9,00 10,12 12,00 13,50 13,36 K 14,416 14,500 14,350 13,688 13,930 13,901 12,846 13,846 13,901 13,825 13,706 11,740 Tabulka 4 - Měření zesílení pro neinvertující vstup (kladná vstupní napětí) Naměřená data jsme v lineární části lineárně fitovali. Výsledky fitu jsou shrnuty v následující tabulce. Směrnice Posunutí Velikost odchylky od teorie Relativní chyba U A kde U B = 0 Invertující vstup -13,884 0,058 0,444 3,20 % 0,0041 Neinvertující vstup 13,753 0,003 0,687 4,76 % -0,0002 Tabulka 5 - Výsledky fitování a odvozené výsledky Z grafu můžeme určit hodnoty, při kterých začíná docházet ke zkreslování výstupního signálu. Šipkami je v grafu naznačeno, kde dynamický rozsah najdeme. Pokud vezmeme krajní body, kde se začíná odchylovat graf od lineární aproximace, dostaneme následující hodnoty Vstupní napětí U A < 0 U A > 0 Horní mez 14,50 13,55 Dolní mez -12,15-12,85 Rozdíl 26,65 26,40 Tabulka 6 - Výpočet dynamického rozsahu

5 Dynamický rozsah Dynamický rozsah Závislost výstupního napětí na vstupním pro OZ MAA741 20,00 Výstupní napětí *V+ 15,00 10,00 5,00 0, Vstupní napětí *mv+ -5,00-10,00-15,00-20,00 invertující vstup neinvertující vstup Invertující vstup (lineární fit) neinvertující vstup (lineární fit) Graf 1 - Závislost výstupního napětí na vstupním pro OZ MAA741 Měření zesílení harmonického signálu Pro ověření funkce operačního zesilovače jsme změřili hodnoty vstupního a výstupního signálu pomocí analogového osciloskopu. Kvůli nedostatku času jsme provedli pouze velice omezené množství měření. Invertující vstup Neinvertující vstup 150 Hz 1000Hz 150 Hz 1000Hz U A [mv] U B [V] K U A [mv] U B [V] K U A [mv] U B [V] K U A [mv] U B [V] K 16-0,22-13, ,05-13, ,34 11, ,14 13, ,4-13, ,3-13, ,8 13, ,48 13, ,26-13, ,5 16,304 Tabulka 7 - Měření zesílení harmonického signálu

6 Závěr 1. Schémata pro zapojení operačního zesilovače jsou zakresleny v Obrázek 1 - Invertující zapojení operačního zesilovače a Obrázek 2 - Neinvertující zapojení operačního zesilovače. Postup návrhu zpětnovazebných odporů je uveden v části Návrh záporné zpětné vazby. 3. Výsledky měření pro stejnosměrný signál jsou v tabulkách Tabulka 1 - Měření zesílení pro invertující vstup (záporná vstupní napětí), Tabulka 2 - Měření zesílení pro invertující vstup (kladná vstupní napětí), Tabulka 3 - Měření zesílení pro neinvertující vstup (záporná vstupní napětí) a Tabulka 4 - Měření zesílení pro neinvertující vstup (kladná vstupní napětí). Změřené zesílení a hodnoty dynamického rozsahu jsou uvedeny v tabulkách Tabulka 5 - Výsledky fitování a odvozené výsledky a Tabulka 6 - Výpočet dynamického rozsahu. 4. Pomocí výsledků lineárního fitu jsme určili vstupní napětí, při kterém bude na výstupu napětí 0,00 V na 4,1 mv pro invertující zapojení a -0, 2 mv pro neinvertující zapojení. 5. Porovnání hodnot je uvedeno v Tabulka 5 - Výsledky fitování a odvozené výsledky. Rozdíl mezi naměřenou hodnotou a teoreticky vypočítanou byl nejspíše způsoben špatným měřením velikostí odporů pomocí digitálního multimetru. 6. Měřením jsme ověřili, že operační je schopen zesilovat i harmonický signál. Měření zesílení bylo zatíženou chybou způsobenou nepřesným odečítáním hodnot na osciloskopu. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v Tabulka 7 - Měření zesílení harmonického signálu.