Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Ανάλυση Κυκλωμάτων Εργαστηριακές Ασκήσεις Εργαστήριο 8 Τελεστικός Ενισχυτής Φ. Πλέσσας Βόλος 2015
Σκοπός Σκοπός του εργαστηρίου αυτού είναι 1. Η γνωριμία με τους Τελεστικούς Ενισχυτές και η χρήση αυτών σε απλά κυκλώματα 2. Δημιουργία θετικών και αρνητικών τάσεων τροφοδοσίας 3. Μετρήσεις σε κυκλώματα που συμπεριλαμβάνουν τελεστικούς ενισχυτές Τι θα χρειαστείτε Πολύμετρο Πηγή συνεχούς τάσης Breadboard Αντιστάσεις Παλμογράφο και Γεννήτρια Θεωρητικό Μέρος Κυκλώματα γενικής και ειδικής χρησιμότητας μπορούν να κατασκευασθούν εύκολα με τελεστικούς ενισχυτές (οperational amplifiers, op amp s, OA s), οι οποίοι προσφέρονται στο εμπόριο ως φθηνά ολοκληρωμένα κυκλώματα (integrated circuits, ΙCs). Η ονομασία των τελεστικών ενισχυτών είναι ενδεικτική της ικανότητάς τους να πραγματοποιούν (μετά από μια κατάλληλη συνδεσμολογία) μαθηματικές τελέσεις σε σήματα αναλογικού χαρακτήρα. Με τους ΤΕ μπορούν να κατασκευασθούν όλα τα κυκλώματα τα οποία περιγράφονται στο φυλλάδιο κεφάλαιο αυτό. Η εξωτερική εμφάνιση, η αντιστοιχία των ακίδων συνδέσεων, μια τυπική σύνδεση του ΤΕ 741, ως αναστρέφοντα ενισχυτή με κέρδος 10, και το ισοδύναμο μοντέλο και δείχνονται στο Σχήμα 1. Ο 741 θεωρείται ως ένα από τα πλέον επιτυχημένα αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Σχήμα 1
Γραμμικά Κυκλώματα Τελεστικών Ενισχυτών 1 Απομονωτής Ο απομονωτής είναι το απλούστερο και συγχρόνως ένα από τα χρησιμότερα κυκλώματα ΤΕ. Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται το τυπικό κύκλωμα του ακόλουθου τάσης. Σύμφωνα με την λειτουργία των ΤΕ η συνάρτηση μεταφοράς είναι υο = υi Η αντίσταση εισόδου του απομονωτή είναι εξαιρετικά υψηλή σε αντίθεση με την αντίσταση εξόδου που είναι εξαιρετικά χαμηλή. Αυτό επιτρέπει την απευθείας σύνδεσή του με πηγές τάσης με μεγάλη εσωτερική αντίσταση, χωρίς να αντλεί ρεύμα από αυτές. Δηλαδή δρα ως μια εξαιρετική μονάδα απομόνωσης μιας πηγής σήματος πολύ μεγάλης εμπέδησης εξόδου με ένα φορτίο σχετικά μικρής εμπέδησης εισόδου. 2 Αναστρέφων ενισχυτής Σχήμα 2 Στο Σχήμα 3 φαίνεται το τυπικό κύκλωμα του αναστρέφων ενισχυτή. Σύμφωνα με τη λειτουργία των ΤΕ η συνάρτηση μεταφοράς του κυκλώματος θα είναι υο = (R2/R1) υi Σχήμα 3 3 Μη Αναστρέφων ενισχυτής Στο Σχήμα 4 φαίνεται το τυπικό κύκλωμα του μη αναστρέφοντα ενισχυτή. Σύμφωνα με τη λειτουργία των ΤΕ η συνάρτηση μεταφοράς του κυκλώματος θα είναι υο = [1 + (R2/R1)] υi
Σχήμα 4 Πειραματική Εργασία Τα κυκλώματα που θα υλοποιηθούν χρειάζονται θετική και αρνητική τροφοδοσία ο τρόπος δημιουργίας των οποίων παρουσιάζεται στον παρακάτω Σχήμα 5. Σχήμα 5 Επιπλέον, η σωστή τοποθέτηση του ΤΕ στο breadboard για να αποφευχθεί βραχυκύκλωμα των ακροδεκτών του παρουσιάζεται στο Σχήμα 6. Σχήμα 5 Πειραματική Εργασία
Μέρος Α ( Αναστρέφουσα συνδεσμολογία) Ρυθμίστε και τις δύο πηγές συνεχούς τάσης στα 8V και ώστε να έχετε θετική και αρνητική τροφοδοσία όπως στο Σχήμα 5. Συνδέστε αντίστοιχα στους ακροδέκτες 7 και 4 του ολοκληρωμένου. Υλοποιήστε μια αναστρέφουσα συνδεσμολογία με αντιστάσεις δικής σας επιλογής ώστε το κέρδος να είναι -20. Χρησιμοποιήστε τη γεννήτρια σημάτων για να δώσετε είσοδο στο κύκλωμα. Ρυθμίστε την στα 100mVpp και 100KHz. H γείωση από το τροφοδοτικό πρέπει να συνδεθεί σε κοινό σημείο με τις γειώσεις της γεννήτριας και του παλμογράφου. Μετρήστε με τον παλμογράφο το σήμα στην έξοδο, υπολογίστε το κέρδος και συγκρίνετε με το θεωρητικό. Χρησιμοποιήστε ταυτόχρονα και τα δύο κανάλια για να παρατηρήσετε την αντιστροφή του σήματος. Αυξήστε σταδιακά την Vpp μέχρι τα 1V τι παρατηρείτε; Ρυθμίστε ξανά τη γεννήτρια στα 100mVpp και αυξήστε σταδιακά τη συχνότητα μέχρι τα 5MHz, τι παρατηρείτε (ως προς το κέρδος και ως προς τη φάση); Μέρος Β (Μη αναστρέφουσα συνδεσμολογία) Ρυθμίστε και τις δύο πηγές συνεχούς τάσης στα 8V και ώστε να έχετε θετική και αρνητική τροφοδοσία όπως στο Σχήμα 5. Συνδέστε αντίστοιχα στους ακροδέκτες 7 και 4 του ολοκληρωμένου. Υλοποιήστε μια μη-αναστρέφουσα συνδεσμολογία με αντιστάσεις δικής σας επιλογής ώστε το κέρδος να είναι 21. Χρησιμοποιήστε τη γεννήτρια σημάτων για να δώσετε είσοδο στο κύκλωμα. Ρυθμίστε την στα 100mVpp και 100KHz. H γείωση από το τροφοδοτικό πρέπει να συνδεθεί σε κοινό σημείο με τις γειώσεις της γεννήτριας και του παλμογράφου. Μετρήστε με τον παλμογράφο το σήμα στην έξοδο, υπολογίστε το κέρδος και συγκρίνετε με το θεωρητικό. Χρησιμοποιήστε ταυτόχρονα και τα δύο κανάλια για να παρατηρήσετε τη σχέση ως προς τη φάση των δύο σημάτων. Αυξήστε σταδιακά την Vpp μέχρι το 1V τι παρατηρείτε; Ρυθμίστε ξανά τη γεννήτρια στα 100mVpp και αυξήστε σταδιακά τη συχνότητα μέχρι τα 5MHz, τι παρατηρείτε (ως προς το κέρδος και ως προς τη φάση);