ΕΡΓΑΣΗΡΙΟ 12: Γραμμικά Κσκλώματα με Σελεστικούς Ενιστστές

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΗΡΙΟ 12: Γραμμικά Κσκλώματα με Σελεστικούς Ενιστστές ύνουη Το επγαζηήπιο αςηό πποϋποθέηει ηην καηανόηζη ηηρ λειηοςπγίαρ ηος ιδανικού ηελεζηικού ενιζσςηή. Πεπιλαμβάνει ηην πποζομοίυζη και ςλοποίηζη ενόρ αναζηπέθονηορ ενιζσςηή ηάζηρ με ηελεζηικό ενιζσςηή. Επίζηρ, πεπιλαμβάνει ηην ςλοποίηζη ενόρ αθποιζηή και ηην πειπαμαηική μελέηη ηηρ λειηοςπγίαρ ηος. Φπηζιμοποιώνηαρ ηη δςναηόηηηα ζςγσπονιζμού ηος παλμογπάθος, παπαηηπείηαι η διαδικαζία άθποιζηρ ζημάηυν. τότος Γνυπιμία ηυν θοιηηηών με ηη σπήζη ηελεζηικών ενιζσςηών. Καηανόηζη ηηρ ζςμπεπιθοπάρ ηοςρ ζε γπαμμικά κςκλώμαηα ενίζσςζηρ. Προαπαιτούμενη γνώση Θευπία ηελεζηικών ενιζσςηών. Ανάλςζη γπαμμικών κςκλυμάηυν.

2 12.1 Θεφρητική εισαγφγή Δδώ ζπλνςίδνληαη ηα θύξηα ραξαθηεξηζηηθά ιεηηνπξγίαο ησλ ηειεζηηθώλ εληζρπηώλ θαη ε αλάιπζε ησλ θπθισκάησλ αλαζηέθνληνο εληζρπηή θαη γξακκηθνύ αζξνηζηή ζεκάησλ κε ηειεζηηθό εληζρπηή. Ο ηειεζηηθόο εληζρπηήο είλαη έλαο δηαθνξηθόο εληζρπηήο ζρεδηαζκέλνο έηζη, ώζηε λα έρεη ηεξάζηην δηαθνξηθό θέξδνο (π.ρ. κεγαιύηεξν από ), ην κέγηζην δπλαηό ιόγν απόξξηςεο θνηλνύ ζήκαηνο (π.ρ. κεγαιύηεξν από 100 db), κεγάιε αληίζηαζε εηζόδνπ (π.ρ. κεγαιύηεξε από 1 MΩ), κηθξή αληίζηαζε εμόδνπ (100 Ω) θαη ην επξύηεξν δπλαηό εύξνο ζπρλνηήησλ. Ωο ζύζηεκα, έρεη δύν εηζόδνπο, ηε κε-αλαζηξέθνπζα θαη ηελ αλαζηξέθνπζα, έλαλ αθξνδέθηε εμόδνπ θαη δύν αθξνδέθηεο γηα ηε ζεηηθή θαη ηελ αξλεηηθή DC ηξνθνδνζία, όπσο θαίλεηαη ζην Σρήκα Γηα ιόγνπο απιόηεηαο, ζπλήζσο ζηα θπθιώκαηα κε ηειεζηηθνύο εληζρπηέο, νη αθξνδέθηεο ηξνθνδνζίαο θαη νη ζπλδέζεηο ηνπο παξαιείπνληαη. Σπλήζσο, ε δηαθνξηθή ηξνθνδνζία ησλ ηειεζηηθώλ εληζρπηώλ είλαη ± 5 V (+5 Vγηα ζεηηθή ηξνθνδνζία θαη 5 V γηα αξλεηηθή ηξνθνδνζία) ή ± 15 V (+15 Vγηα ζεηηθή ηξνθνδνζία θαη 15 Vγηα αξλεηηθή ηξνθνδνζία). Σύμβολο με ηοςρ ακποδέκηερ ηποθοδοζίαρ Σύμβολο σωπίρ ηοςρ ακποδέκηερ ηποθοδοζίαρ Θεηική ηποθοδοζία Αναζηπέθοςζα - Έξοδορ Αναζηπέθοςζα - Έξοδορ Μη αναζηπέθοςζα + Μη αναζηπέθοςζα + Απνηηική ηποθοδοζία Σσήμα 12.1: Κςκλυμαηικό ζύμβολο ηος ηελεζηικού ενιζσςηή. Σηελ πξάμε, εθηόο από εμεηδηθεπκέλεο πεξηπηώζεηο, γηα ηε ζρεδίαζε θαη αλάιπζε θπθισκάησλ κε ηειεζηηθνύο εληζρπηέο, κπνξεί λα ζεσξεζεί όηη νη ηειεζηηθνί εληζρπηέο είλαη ηδαληθνί. Ο ηδαληθόο ηειεζηηθόο εληζρπηήο έρεη άπεηξν δηαθνξηθό θέξδνο, άπεηξε αληίζηαζε εηζόδνπ, κεδεληθή αληίζηαζε εμόδνπ, άπεηξν ιόγν απόξξηςεο θνηλνύ ζήκαηνο θαη άπεηξν εύξνο ζπρλνηήησλ. Απηό ζεκαίλεη όηη γηα ηελ DC κειέηε ησλ θπθισκάησλ κε ηειεζηηθνύο εληζρπηέο, κπνξνύλ λα ζεσξεζνύλ σο δεδνκέλα ηα παξαθάησ: Τν ξεύκα ζηηο εηζόδνπο ησλ ηειεζηηθώλ εληζρπηώλ είλαη κεδέλ. Η DC δηαθνξά δπλακηθνύ κεηαμύ ησλ εηζόδσλ είλαη κεδέλ. Οη δύν απηέο παξαδνρέο απινπνηνύλ ηδηαίηεξα ηε δηαδηθαζία αλάιπζεο. Γηα παξάδεηγκα, ν ππνινγηζκόο ηεο ζρέζεο εμόδνπ εηζόδνπ ηνπ θπθιώκαηνο ηνπ Σρήκαηνο 12.2 κπνξεί λα γίλεη σο εμήο. Τν ξεύκα ζηηο εηζόδνπο ηνπ εληζρπηή είλαη κεδέλ θαη επνκέλσο, ην ξεύκα πνπ δηαξξέεη ηελ R A είλαη ίζν κε εθείλν ηεο R F. Δπηπιένλ, από ηε δεύηεξε παξαδνρή, ε δηαθνξά δπλακηθνύ κεηαμύ ηεο αλαζηξέθνπζαο θαη ηεο κε αλαζηξέθνπζαο εηζόδνπ είλαη κεδέλ. Δπνκέλσο, αθνύ ην δπλακηθό ζηε κε αλαζηξέθνπζα είζνδν είλαη κεδέλ, ην δπλακηθό ζηνλ θόκβν ηεο αλαζηξέθνπζαο εηζόδνπ ζα είλαη, επίζεο, κεδέλ. Έηζη, ζα ηζρύεη: [12.1] Οπόηε, ην θέξδνο ηάζεο ηνπ θπθιώκαηνο ζα είλαη: [12.2]

3 [12.3] Αληίζηνηρα, γηα ην θύθισκα ηνπ αζξνηζηή ηνπ Σρήκαηνο 12.3, ν ππνινγηζκόο ηεο εμόδνπ ηνπ, κε βάζε ηηο παξαπάλσ παξαδνρέο, γίλεηαη σο εμήο: [12.4] [12.5] [12.6] [12.7] 12.2 Προετοιμασία Η πξνεηνηκαζία γηα ην εξγαζηήξην απηό πεξηιακβάλεη ηε ζρεδίαζε θαη πξνζνκνίσζε ζην πξόγξακκα PSPICE ελόο αλαζηξέθνληνο εληζρπηή Να ζρεδηαζηεί ην θύθισκα ηνπ Σρήκαηνο 12.1 ζην PSPICE, ρξεζηκνπνηώληαο ηξνθνδνζία V + = + 5 V θαη V - = -5 V γηα ηνλ ηειεζηηθό εληζρπηή LM741. Να ρξεζηκνπνηεζνύλ νη ηηκέο R A = 100 kω θαη R F = 1 ΜΩ. Η πεγή V in λα ξπζκηζηεί, ώζηε λα δίλεη εκηηνληθό ζήκα πιάηνπο 100 mv θαη ζπρλόηεηαο 2 khz. Σσήμα 12.1: Αναζηπέθυν ενιζσςηήρ με ηον ηελεζηικό ενιζσςηή LM Να ζρεδηαζηεί ην δηάγξακκα κε ηηο θπκαηνκνξθέο εηζόδνπ θαη εμόδνπ θαη λα κεηξεζεί ην θέξδνο ηνπ εληζρπηή. Τν απνηέιεζκα λα ζπγθξηζεί κε ηε ζεσξεηηθά αλακελόκελε ηηκή (A V = -R F /R A ).

4 12.3 Βοηθητικές πληρουορίες Οη δηαηάμεηο πνπ ζα ρξεζηκνπνηεζνύλ ζην εξγαζηήξην απηό ζπλνςίδνληαη ζηνλ πίλαθα Γηα ηνλ ηξόπν ρξήζεο θαη ηα ραξαθηεξηζηηθά ηνπ νινθιεξσκέλνπ LM741 κπνξείηε λα αλαηξέμεηε ζηηο αληίζηνηρεο πξνδηαγξαθέο πνπ είλαη δηαζέζηκεο ζην δηαδίθηπν. Η αληηζηνίρηζε αθξνδεθηώλ, θαζώο θαη θάπνηεο βαζηθέο πιεξνθνξίεο ζρεηηθά κε ηε ρξήζε απηνύ ηνπ νινθιεξσκέλνπ θπθιώκαηνο δίλνληαη ζην Παξάξηεκα Β2 απηνύ ηνπ ζπγγξάκκαηνο. Γηα απηήλ ηελ εξγαζηεξηαθή άζθεζε, νη αθξνδέθηεο αληηζηάζκηζεο (offset) ζα πξέπεη λα κελ είλαη ζπλδεδεκέλνη πνπζελά, ελώ ε ηξνθνδνζία ηνπ νινθιεξσκέλνπ ζα πξέπεη λα είλαη: V + = +5 V, V - = -5 V. Τύπνο Σύκβνιν /Τύπνο Τηκή Πνζόηεηα Αληίζηαζε R kω 1 Αληίζηαζε R 2 1 kω 1 Αληίζηαζε R 100 Ω 1 Αληίζηαζε R Α 100 kω 1 Αληίζηαζε R F 1 MΩ 1 Τειεζηηθόοεληζρπηήο LM741-2 Κεξακηθόο Ππθλσηήο C 56 nf 1 Παικνγξάθνο Τξνθνδνηηθό ± 5 V Γελλήηξηα Σπρλνηήησλ Πίνακαρ 12.1: Σύνοτη διαηάξευν.

5 12.4 Πειραματικό Μέρος Να πξαγκαηνπνηεζεί ν αλαζηξέθσλ εληζρπηήο ηνπ Σρήκαηνο 12.2 ρξεζηκνπνηώληαο ην νινθιεξσκέλν LM741 θαη R A = 100 kω θαη R F = 200 kω. Τν ζήκα εηζόδνπ ζα πξέπεη λα έρεη πιάηνο 100 mv θαη ζπρλόηεηα 2 khz. Να παξαηεξεζεί ε είζνδνο θαη ε έμνδνο ρξεζηκνπνηώληαο ηνλ παικνγξάθν θαη λα κεηξεζεί ην θέξδνο ηάζεο ηνπ εληζρπηή. Να ζρεδηαζηνύλ νη θπκαηνκνξθέο εηζόδνπ θαη εμόδνπ ηνπ εληζρπηή Να κεηξεζεί ην θέξδνο ηάζεο γηα δηάθνξεο ηηκέο ηεο ζπρλόηεηαο ηνπ ζήκαηνο εηζόδνπ, από 1 Hz έσο 1 MHz, δεθαπιαζηάδνληαο θάζε θνξά ηελ ηηκή (1 Hz, 10 Hz, 100 Hz,.). Να ζρεδηαζηεί ε ηηκή ηνπ θέξδνπο ζπλαξηήζεη ηεο ζπρλόηεηαο, κε ινγαξηζκηθή θιίκαθα ζηνλ νξηδόληην άμνλα θαη ζε db (20logA V ) ζηνλ θαηαθόξπθν άμνλα. Τν δηάγξακκα απηό νλνκάδεηαη δηάγξακκα Bode θαη είλαη ελδεηθηηθό ηεο ηζρύνο ελίζρπζεο (γηα ηνλ ζσζηό πξνζδηνξηζκό ηεο ηζρύνο ελίζρπζεο, ζα πξέπεη λα ιεθζνύλ ππόςε νη αληηζηάζεηο εηζόδνπ θαη εμόδνπ) Να πινπνηεζεί ην θύθισκα ηνπ αζξνηζηή πνπ θαίλεηαη ζην Σρήκα 12.3 κε R B = 100 kω θαη R A = 50 kω. Να ηξνθνδνηεζνύλ νη είζνδνη u 1 θαη u 2 κε ζήκαηα από δύν γελλήηξηεο ζπρλνηήησλ, ην έλα κε πιάηνο 50 mv θαη ζπρλόηεηα 10 khz θαη ην άιιν κε πιάηνο 400 mv θαη ζπρλόηεηα 1 khz. Να παξαηεξεζνύλ νη είζνδνη θαη ε έμνδνο ηνπ αζξνηζηή κε παικνγξάθν. Να ζρεδηαζηνύλ ηα δηαγξάκκαηα ησλ δύν εηζόδσλ θαη ηεο εμόδνπ, ζηνηρηζκέλα ην έλα θάησ από ην άιιν, ώζηε λα θαίλεηαη ε δηαδηθαζία ηεο άζξνηζεο. Υπόδειξη: Γηα ηνλ ζπγρξνληζκό ηνπ παικνγξάθνπ κε δύν ζήκαηα, απαηηείηαη ην έλα λα είλαη αθξηβώο αθέξαην πνιιαπιάζην ηνπ άιινπ. Γηαθνξεηηθά, ε κεηαμύ ηνπο δηαθνξά θάζεο είλαη ρξνληθά κεηαβαιιόκελε, κε απνηέιεζκα λα παξαηεξείηαη ζρεηηθή θίλεζε ησλ δύν ζεκάησλ ζηελ νζόλε ηνπ παικνγξάθνπ. Λόγσ απνθιίζεσλ ζηε ζπρλόηεηα θαη πξνθεηκέλνπ λα ζηαζεξνπνηεζνύλ ηα δύν ζήκαηα, ζα πξέπεη ν παικνγξάθνο λα ξπζκηζηεί, έηζη ώζηε λα ζπγρξνλίδεηαη (triggering) κε βάζε ην 2 ν ζήκα, θαη λα ξπζκηζηεί ε ζπρλόηεηα ηνπ 1 νπ ζήκαηνο (κε ειάρηζηεο κεηαβνιέο πξνο ηα πάλσ ή πξνο ηα θάησ). Σσήμα 12.3: Αθποιζηήρ δύο ζημάηυν με ηελεζηικό ενιζσςηή.