Operačné zosilňovače

Transcript

1 Operačné zosilňovače. Spracjte teóri operačných zosilňovačov. Merania s operačnými zosilňovačmi 3. Poznatky získané z internet. Úvod: Princíp ČMP je v aplikácii vhodných zapojení operačných zosilňovačov (OZ). Z dôvod osvieženia vedomostí sa najskôr zopakjú princípy jednotlivých zapojení OZ a tak postpne prejdeme k štrktúre ČMP. SCHÉMATICKÁ ZNAČKA OZ ZÁKLADNÉ ZAPOJENIE OZ Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. /8

2 ) INVETUJÚCE ZAPOJENIE OZ ( INVENTO ) Definícia: OZ vykonávajúci operáci obrátenia fázy, Uvst má opačnú fáz než Uvýst. Vyjadrje sa to záporným znamienkom vo výraze pre výpočet A. s s i i = = = = = = vst výst vst výst s s - A = - z vedeného vsťah vyplýva, že při rovnosti vstpného a spätnoväzobného odpor je Uvýst rovnaké, s opačným znamienkom. ) SUMAČNÝ ZOSILŇOVAČ ( SUMÁTO )

3 Definícia: OZ vzkonávajúci operáci súčt N napätí (s presným pripojením viacerých vstpných napätí na invertjúci vstp získame inverzné výstpné napätie). ealizácia: Na smačný zol (zol zdanlivej zeme) vádzame prúdy I, I, I3,...In cez odporníky,, 3,... n. 3` - rovnaká fnkcia ako v prípade inventora minimalizovanie kolísania nly a jeho hodnota je daná vsťahom pre paralelné zapojenie všetkých vstpých odporov, čiže: = n výst U = s U + U U + L+ n n ak = = 3 =... = na = 3, tak potom U U výst výst = s = n i= Ui n ( U+ U + U Un) 3) NEINVETUJÚCI ZOSILŇOVAČ ( NEINVETO ) Definícia: OZ vykonávajúci fnkci zosilňjúceho impedančného meniča s veľkým vstpným a malým výstpným odporom. Uvést je vo fáze s Uvst. Pre ideálny OZ platí: Ivst ±=0 a A = => U na invertjúcom vstpe je rovnaké ako U+ na neinvertjúcom vstpe. Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. /8 3/8

4 Zosilnenie: A = Uvýst Uvst Uvst U Uvst = I Uvýst = Uvst + I Uvýst = I + I A = I + Ir I A = + ealizácia: Signálové napätie privádzame na neinvertjúci vstp a dostávame veľmi vysokú hodnot vstpného odpor OZ pre stav naprázdno. Vstpný prúd je nlový. Pri silnej napäťovej spätnej väzbe je výstpný odpor malý, (niekoľko mω). Takto sa získa zosilňjúci impedančný menič s veľkým vstpným a malým výstpným odporom. 4) IMPEDANČNÝ MENIČ Definícia: Neinvertjúci zosilňovač so 00 spätno väzbo. Celé neinvertjúce výstpné napätie sa privádza späť na invertjúci vstp.spätná väzba dosahje 00% napäťové zosilnenie je, platí Uvýst = U vst. Zdroj signál pripájame na veľký vstpný odpor zosilňovača. Výstpný odpor je malý. V dôsledk zápornej napäťovej vstpnej väzby.prúdové zosilnenie je veľké. Zapojenie zodpovedá emitorovém sledovač v tranzistorových obvodoch. Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. 4/8

5 5) INTEGAČNÝ ZOSILŇOVAČ Definícia: Drh Operačného zosilňovača, ktorý má v spätno-väzobnej vetve kapacit C; jeho výstpné napätie je úmerné integrál časového priebeh vstpného napätia! C () t = () t t = U sin( ωt + ϕ) t 0 ι = C - požíva sa na tvarovanie signálov Integračný zosilňovač je základom každého analógového merača frekvencie. Meraná frekvencia sa prenáša na implzy po konštantnej amplitúde výške a šírke. Potom Uvýst je priamoúmerné f vstpného signál. Kondenzátor C pôsobí ako spätná väzba predovšetkým pre signály s vf pri ktorých znižje zosilnenie, signály s nízko f prechádzajú neovplyvnené na výstp. Zapojenie teda pracje ako dolný priepst. Ak na vstp privedieme pravohlé implzy tak ich podľa hodnoty časovej konštanty c tvarovo pravíme a sploštíme. Vstpné napätie Výstpné napätie Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. 5/8

6 Schéma zapojenia: = dt C ([ ( t) + ( t) + 3( t) + K n( t ] ) výst + ) 6) DEIVAČNÝ ZOSILŇOVAČ ( DEIVÁTO ) Definícia: Drh OZ, ktorý má v spätnoväzobnej väzbe odpor a na vstpe kondenzátor C; jeho výstpné napätie je úmerné derivácii časového priebeh Uvyst! - požíva sa na tvarovanie signálov, napríklad obrazových zosilňovačov. Takto získané časové priebehy sa požívajú napríklad na spúšťanie preklápacích obvodov. C = d [ ( t )] dt Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. 6/8

7 Vstpné napätie Výstpné napätie ealizácia derivátora: - na výstpe sú ihlovité implzy, ktoré vznikajú prenosom vf zložiek signál. Matematické odvodenie výstpného napätia pri zadaných hodnotách predstavje diferenciáln rovnic, ktorá je vedená vyššie. 7) DIFEENČNÝ ZOSILŇOVAČ Definícia: OZ, ktorého výstpné napätie je dané rozdielom oboch vstpov. Tento OZ zosilňje len rozdiely vstpných signálov rozdielový signál. U U U výst výst výst = = = U ( U vst U vst) s ( U vst U vst) vst U vst ; ak s = Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. 7/8

8 8) KOMPAAČNÝ ZOSILŇOVAČ ( KOMPAÁTO ) Toto zapojenie sa tiež nazýva analólogový komparátor. Analógový znamená, že zmeny bdú súvislé. Definícia: Je to OZ vybdený dvoma, alebo viacerými vstpnými signálmi. Je rčený na presné porovnávanie dvoch veličín. V elektronike sa najčastejšie porovnávajú napätia. Princíp činnosti KZ vychádza z diferenciálneho zosilňovača. U >U potom U 0 = U >U potom U 0 =0 Napäťový komparátor je obvod, na výstpe ktorého sa objaví napätie zodpovedajúce logickej 0 alebo (v zmysle nášho zapojenia to bde 0 alebo 5V) v závislosti od znamienka rozdiel napätí na jeho vstpoch. Je to teda porovnávací obvod ( angl. COMPAE ), ktorý porovnáva signál privedený na jeden vstp s referenčným napätím na drhom vstpe, pričom zmeny znamienka rozdiel týchto dvoch napätí sa signalizjú ako zmena logického stav obvod na výstpe. Z toho vyplýva: krajné hodnoty výstpných napätí sú vhodné na spolprác s číslicovými obvodmi. Všeobecne je jedno zo vstpných napätí jednosmerné referenčné napätie, takže napäťový komparátor možno chápať ako bitový analógovo číslicový prevodník. Pre KZ volíme zosilňovacie stpne jemno alebo strmo charakteristiko a vysokým stpňom zosilnenia.

9 MEANIA NA OZ: Operačné zosilňovače I Impedančný menič Úloha cvičenia:. Zistite a nakreslite schém elektronického zapojenia predloženého prípravk. Schém zapojenia doplnte o zdroje a meracie prístroje tak, aby ste mohli overiť fnkčnosť obvod. Vykonajte 5 meraní overjúcich fnkci činnosti obvod (5 +Uvst, 5 -Uvst, 5 Uvst). Zmerané hodnoty zaznamenajte do tabľky. 3. Zdôvodnite prečo je nezhoda medzi vstpno a výstpno veličino Postp pri meraní: Zapojenie sme zapojili podľa predloženej schémy. Na napájanie sme požili napájací zdroj TSZ75, ktorý má dve dvojice výstpných svoriek ktoré sme prepojili, čím sme získali symetrické napájacie napátie. Paralelne k napájacím svorkám sme pripojili V-metre, ktoré merajli zaporné, kladné a zdržené napätie. Do série sme zapojili A-metre, ktoré merali napájací prúd. Na vstp sme najprv pripojili paralelne V-meter, do série A-meter a napájací zdroj TSZ75. Na výstp sme pripojili V-meter. Takto sme vykonali merania s kladným a záporným vstpným napätím. Potom sme vstp pripojili nf milivoltmeter NV,85, A-meter,. kanál osciloskop EO 3 a striedavý signál z C generátora s frekvencio 000Hz. Na výstp sme pripojili nf milivoltmeter NV,85 a. kanál osciloskop EO 3. S takto zapojeným obvodom sme vykonali meranie so striedavým vstpným napätím. Na osciloskope sme pozorovali vstpnú i výstpnú sínsoid. Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. 8/8 9/8

10 n Ucc [V] Ucc [V] Uz [V] Icc [ma] Icc [ma] Uvst [V] Ivst [ A] Uvyst [V] 5, -4,97 30, -,4 5,09 0,4 5,09 5, -4,97 30, -,4-5,09 0,6-5,09 3 5, -4,97 30, -,4 0, f =khz Zhodnotenie merania: Meranie z môjho pohľad bolo jednodché i keď sa vyskytli menšie komplikácie pri zostavovaní obvod. Stalo sa to po meraní výstpného napätia pri zápornom vstpnom napätí som zabdol naspäť pripojiť zem vstp na zem obvod, následkom čoho po pripojení striedavého vstpného signál, na sa na výstpe neobjavil žiadny signál. Po odhalení a napravení chyby bolo ž všetko v poriadk a úspešne sme dokončili meranie. Samotné meranie bolo rýchle, Len zapojenie obvod, nám zabralo troch viac čas.. Z hodnôt vedených v tabľkách vidieť nesymetrickosť vstpného a výstpného napätia, ktorá vzhľadom na to že v tomto obvode nie s požité žiadne externé súčiastky je spôsobená nepresnosťo meracích prístrojov. Vzhľadom na požité napájacie napätie +,-5V nebolo potrebné požiť žiadne mimoriadne bezpečnostné opatrenia. Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. 0/8

11 Operačné zosilňovače II Invertjúci operačný zosilňovač Úloha cvičenia:. Zistite a nakreslite schém elektronického zapojenia predloženého prípravk. Schém zapojenia doplnte o zdroje a meracie prístroje tak, aby ste mohli overiť fnkčnosť obvod. Vykonajte 3 merania overjúce fnkci činnosti obvod (5 +Uvst, 5 -Uvst, 5 Uvst). Zmerané hodnoty zaznamenajte do tabľky. 3. Zdôvodnite prečo je nezhoda medzi vstpno a výstpno veličino Postp pri meraní: Zapojenie sme zapojili podľa predloženej schémy. Na napájanie sme požili napájací zdroj TSZ75, ktorý má dve dvojice výstpných svoriek ktoré sme prepojili, čím sme získali symetrické napájacie napátie. Paralelne k napájacím svorkám sme pripojili V-metre, ktoré merajli zaporné, kladné a zdržené napätie. Do série sme zapojili A-metre, ktoré merali napájací prúd. Na vstp sme najprv pripojili paralelne V-meter, do série A-meter a napájací zdroj TSZ75. Na výstp sme pripojili V-meter. Takto sme vykonali merania s kladným a záporným vstpným napätím. Potom sme vstp pripojili nf milivoltmeter NV,85, A-meter,. kanál osciloskop EO 3 a striedavý signál z C generátora s frekvencio 000Hz. Na výstp sme pripojili nf milivoltmeter NV,85 a. kanál osciloskop EO 3. S takto zapojeným obvodom sme vykonali meranie so striedavým vstpným napätím. Na osciloskope sme pozorovali vstpnú i výstpnú sínsoid. n +Ucc [V] -Ucc [V] Uz [V] +Icc [ma] -Icc [ma] Uvst [V] Ivst [ A] Uvyst [V] 5, -4,97 30,4 -,4 5, 0-5,06 5, -4,97 30,4 -,7-5, 0 5,09 3 5, -4,97 30,4 -,7,5 0, f =khz Zhodnotenie merania: Meranie z môjho pohľad bolo jednodché. Po predchádzajúcom meraní ž išlo všetko hladko Z hodnôt vedených v tabľkách vidieť nesymetrickosť vstpného a výstpného napätia, ktorá je spôsobená nerovnako veľkosťo vstpného odpor a odpor v spätnej väzbe. Meranie prebiehalo rýchlo a bez problémov. Vzhľadom na požité napájacie napätie +,-5V nebolo potrebné požiť žiadne mimoriadne bezpečnostné opatrenia. Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. /8

12 Operačné zosilňovače III Smátor Úloha cvičenia:. Zistite a nakreslite schém elektronického zapojenia predloženého prípravk. Schém zapojenia doplnte o zdroje a meracie prístroje tak, aby ste mohli overiť fnkčnosť obvod. Vykonajte všetky možné kombinácie meraní overjúcich fnkci činnosti obvod ( 4 =6). Zmerané hodnoty zaznamenajte do tabľky. 3. Zdôvodnite prečo je nezhoda medzi vstpno a výstpno veličino Postp pri meraní: Obvod sme zapojili podľa predloženej schémy. Na napájenie sme požili zdroj TSZ 75. Pomoco 3 voltmetrov sme merali symetrické napájacie napätie i zdržené napätie a -mi ampérmetrami sme merali napájací prúd. Na vstp smátora sme pripojili 4 zdroje napätia 3 boli realizované zdrojom TSZ 75 a 4. bol realizovaný 9V batério. Pričom sme merali napätie jednotlivých zdrojov a aj odoberaný prúd. Na výstp sme pripojili voltmerer. Ako meracie prístroje, či ž voltmetre alebo ampérmetre, sme požili digitálne mltimetre TO 035N a rčičkové meracie prístroje PU 500. Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. /8

13 Polarita vstp U [V] U [V] U 3 [V] U 4 [V] I [µa] I [µa] I 3 [µa] I 4 [µa] + Ucc [V] - Ucc [V] Uz [V] + Icc [ma] - Icc [ma] Uvyst [V] ,4 0,95,0,0 7, ,6 -,65 -, ,3,0,04 7, ,6 -,65-9, ,3,0,04 7, ,6 -, ,3,0,04 7, ,6 -,65-7, ,3,0,05 7, ,6 -, ,3,0,05 7, ,6 -,65-7, ,3,0,05 7, ,6 -,65-7, ,3,0,05 7, ,6 -,65-5, ,3,0,05 7, ,6 -,65 5, ,3,0,05 7, ,6 -,65 7, ,3,0,05 7, ,6 -, ,3,0,05 7, ,6 -,65 9, ,3,0,05 7, ,6 -,65 7, ,3,0,05 7, ,6 -, ,3,0,05 7, ,6 -, ,3,0,05 7, ,6 -,65,3 Zhodnotenie merania: Meranie z môjho pohľad bolo mierne zložité. Zapríčinilo to množstvo až 6 meraní, ktoré bolo potrebné, aby sme zmerali všetky kombinácie polarít vstpných napätí. Ďalej množstvo zapojených meracích prístrojov a ntnosť nestále prepínať polarit vstpného napätia pred každým meraním. Toto meranie i do rčitej miery spomalovalo. Ani počas merania ani počas zostavovania obvod nenastali žiadne komplikácie. A meranie prebiehalo rýchlo a hladko. Vzhľadom na požité napájacie napätie +, - 5V nebolo potrebné požiť žiadne mimoriadne bezpečnostné predpisy. Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. 3/8

14 Operačné zosilňovače IV Diferenčný zosilňovač Úloha cvičenia:. Zistite a nakreslite schém elektronického zapojenia predloženého prípravk. Schém zapojenia doplnte o zdroje a meracie prístroje tak, aby ste mohli overiť fnkčnosť obvod. Vykonajte merania overjúce fnkci činnosti obvod. Zmerané hodnoty zaznamenajte do tabľky. 3. Zdôvodnite prečo je nezhoda medzi vstpno a výstpno veličino Postp pri meraní: Obvod sme zapojili podľa predloženej schémy. Na napájenie sme požili zdroj TSZ 75. Pomoco digitálneho mltimetra TO 035N sme merali vstpné napájaci napätie. Na vstp diferenčného OZ sme pripojili zdroje napätia TSZ 75. Pričom sme merali napätie jednotlivých zdrojov a aj odoberaný prúd. Na výstp sme pripojili voltmerer TO 035N. Vykonali sme 4 merania, ktorými sme vyskúšali všetky kombinácie polarít vstpných napätí. ( =4). Namerané hodnoty sme zapísali do tabľky a porovnali ich s predpokladanými vypočítanými hodnotami výstpného napätia. A tiež sme vypočítali ich odchylk vo voltoch I UI. Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. 4/8

15 N U[V] U [V] Uz [V] I [µa] I [µa] Uvyst [V] Uvyp [V] I UI [V] 4,36 6,68 30,7 7, 7,,3,3 0,0-4,35 6,68 30,7 -,8,9 0,9,03 0,3 3 4,36-6,68 30,7,98 -,98-0,89 -,04 0,5 4-4,36-6,68 30,7 -,9 -,9 -,6 -,33 0,07 Zhodnotenie merania: Meranie z môjho nebolo zložité. Problémy nám nespôsobilo ani zapojenie obvod ani samotné meranie. Počas merania ani počas zostavovania obvod nenastali žiadne komplikácie. A meranie prebiehalo rýchlo a hladko. Z môjho pohľad bolo meranie presné. Hoci sme namerali nejaké odchylky od vypočítaných hodnôt. To bolo spôsobené nerovnako veľkosťo odporov, ako aj nepresnosťo meracích prístrojov. Vzhľadom na požité napájacie napätie +, - 5V nebolo potrebné požiť žiadne mimoriadne bezpečnostné predpisy. Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. 5/8

16 Operačné zosilňovače V Derivačný zosilňovač Úloha cvičenia:. Zistite a nakreslite schém elektronického zapojenia predloženého prípravk. Schém zapojenia doplnte o zdroje a meracie prístroje tak, aby ste mohli overiť fnkčnosť obvod. Vykonajte merania overjúce fnkci činnosti obvod. Zmerané hodnoty zaznamenajte do tabľky. 3. Napíšte postp merania a zhodnotenie merania. 4. Postp pri meraní: Obvod sme zapojili podľa predloženej schémy. Na napájanie sme požili symetrický zdroj +,-5V TSZ 75. Na vstp obvod sme pripojili generátor a paralelne k nem jeden kanál osciloskop a nf milivoltmeter a frekventomer.. Na obrazovke osciloskop sme mohli pozorovať pilovitý priebeh vstpného napätia. Na výstp sme pripojili paralelne k nf milivoltmeter a drhý kanál osciloskop. Na jeho obrazovke sme mohli pozorovat priebeh výstpného ihlovitého napätia a porovnať ho so vstpným. Počas merania sme menili velkosť vstpného napätia na a,5 V a jeho frekvenci na 400, 800, 8000 Hz. Odčítali sme velkosť výstpného napätia a pozorovali sme jeho priebeh na osciloskope. Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. 6/8

17 Legenda: 8 Ω C 47n 50 Ω 3 39kΩ Ω Prípravok č. f [Hz] Uvst [V] Uvyst [mv] 400,6 400,5 5, ,5 5, ,8 8000,5 6 Prípravok č. f [Hz] Uvst [V] Uvyst [mv] 400,7 400,5 5,4 800,4 800, ,5 Prípravok č.3 f [Hz] Uvst [V] Uvyst [mv] , , ,7 8000,5 67 Zhodnotenie merania: Meranie z môjho nebolo zložité. Problémy nám nespôsobilo ani zapojenie obvod ani samotné meranie. Počas merania ani počas zostavovania obvod nenastali žiadne komplikácie. A meranie prebiehalo rýchlo a hladko. Presnosť merania nedokážem posúdiť. No predpokladám rčitú odchylk vzľadom na požité meracie prístroje najmä pri vyšších frekvenciách. Vzhľadom na požité napájacie napätie +, - 5V nebolo potrebné požiť žiadne mimoriadne bezpečnostné predpisy. Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. 7/8

18 Poznatky z internet: Jednodcho realizovaný komparátor má však na svojej prevodovej charakteristike ž spomínanú oblasť lineárnej činnosti, ktorá môže byť príčino nekorektného vyhodnotenia rovnosti vstpného a referenčného napätia a tiež možno príčino nestability komparátora. Ak operačný zosilňovač pracje v tejto oblasti, správa sa ako lineárny zosilňovač a teda zosilňje všetky signály, ktoré sa objavia na jeho vstpe. Táto sktočnosť sa môže nepriaznivo prejaviť vtedy, ak sa vstpné napätie mení veľmi pomaly a je na ňom nasperponované ršiace napätie, napr. naindkované napätie z elektrorozvodnej siete 0V/50Hz. Operačný zosilňovač toto ršiace napätie zosilní napäťovým zosilnením A a na výstpe získame obdĺžníkový signál s frekvencio ršiaceho signál, čím sa stratí schopnosť komparátora jednoznačne rčiť okamih rovnosti vstpného a referenčného napätia. Šírka tejto oblasti, tak ako sme ž spomenli, je + v okolí referenčného napätia U ref a v praxi dosahje rádovo niekoľko desatín až jednotiek milivoltov. Túto nedobrú vlastnosť jednodchého komparátora odstraňje zapojenie komparátora so zavedeno kladno spätno väzbo. Zapojenie aj s prevodovo charakteristiko je na nasledjúcom obrázk. Ako z obrázka vidno, zdroj referenčného napätia nie je tvorený samostatným zdrojom napätia U ref ako to bolo jednodchého komparátora, ale je získaný zo zdroja prahového napätia U p a úbytk napätia na rezistore, ktorý je súčasťo napäťového deliča tvoreného rezistormi a. Teda : U ref = U p + U Zároveň rezistorom tohto napäťového deliča je zavedená kladná spätná väzba z výstp komparátora na jeho neinvertjúci vstp. Zavedením kladnej spätnej väzby sa vytvorí na prevodovej charakteristike komparátora rčitá oblasť necitlivosti ( hysterézy ) komparátora na prípadné malé zmeny vstpného napätia a zároveň sa zabezpečí zostrmenie prechod výstp komparátora z kladnej satrácie do zápornej alebo naopak. Poznámka: Na tom mieste je potrebné aby sme si vedomili, že samotný operačný zosilňovač má vždy svoj typickú prevodovú charakteristik ( o ktorej sme hovorili v téme Zosilňovače, v stati Operačné zosilňovače ) a to aj s oblasťo lineárnej činnosti, široko od U ref až po U ref +, tak ako je to znázornené na prevodovej charakteristike pri zapojení jednodchého komparátora vyššie. Operačný zosilňovač nemá žiaden dôvod meniť túto charakteristik. My však vhodným zapojením vonkajších obvodových prvkov ( v našom prípade rezistorov do vetvy kladnej spätnej väzby ) vieme zabezpečiť, aby sa táto nežiadúca oblasť, oblasť lineárnej činnosti, na prevodovej charakteristike výsledného obvod ( nás komparátora ) neplatnila. Keďže napätie U je výstpným napätím napäťového deliča tvoreného rezistormi a, jeho veľkosť aj polarita je závislá od vstpného napätia tohto deliča, ktoré je zároveň výstpným napätím komparátora. Veľkosť napätia U vypočítame zo vzťah Zdrojová stránka: Matej Uhlík 4.D Komplexná práca č. /4 Strana č. 8/8

19 STEDNÁ PIEMYSELNÁ ŠKOLA ELEKTOTECHNICKÁ V PEŠŤANOCH Nám. SNP 8 Operačné zosilňovače KOMPLEXNÁ PÁCA č. II Šk. rok: 003/ 004 Matej Uhlík, 4.D

20