Wzmacniacz operacyjny (WO) Komparator - badania, charakterystyki, pomiary

W doświadczeniu użyto dwóch rodzajów wzmacniaczy. Wysokiej precyzji wzmacniacz operacyjny o niskim napięciu niezrównoważenia OP07 oraz wzmacniacz operacyjny ogólnego zastosowania LM741.

1. Ogólne informacje o wzmacniaczach

Pojęcie WO oznacza wzmacniacz o możliwości wzmacniania napięć stałych i zmiennych, charakteryzujący się bardzo dużym wzmocnieniem i przeznaczony z reguły do pracy z zewnętrznym obwodem ujemnego sprzężenia, przy czym właściwości tego obwodu decydują w głównej mierze o właściwościach całego układu. Większość WO ma dwa symetryczne wejścia (wejście oznaczone „+” nosi nazwę wejścia nieodwracającego, „-” – wejścia odwracającego) i niesymetryczne wyjście.

Rys.1.1. Schemat ogólny wzmacniacza operacyjnego.

U_I1,U_I2 – napięcia wejściowe,

U₀ – napięcie wyjściowe,

Ku – wzmocnienie napięciowe wzmacniacza z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego,

±U_z –napięcie zasilania dodatnie (ujemne) względem masy (zwykle± 15V)

Idealny wzmacniacz operacyjny

1. Zakłada się następujące idealne własności:
a) wzmocnienie napięciowe A → ∞
b) rezystancja wejściowa R_we → ∞
c) rezystancja wyjściowa R_wy → 0
d) pasmo częstotliwości od 0 do ∞

Rzeczywisty wzmacniacz operacyjny

a) wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego K_u=10⁴÷10⁶ V/V ;
b) rezystancja wejściowa (różnicowa) R_I=0,5÷10⁴[MΩ];
c) rezystancja wyjściowa (z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego) R₀=50÷200[Ω];
d) częstotliwość graniczna (przy której amplituda równa jest 1) ƒ=1÷100[MHz];
e) współczynnik tłumienia sygnału wspólnego CMRR =60÷100 dB ;
f) wejściowe napięcie niezrównoważenia U_IO=0,5÷5 mV ;
g) wejściowy prąd niezrównoważenia I_IB=5∙10⁻⁴÷5∙10² [nA];
h) maksymalny prąd wyjściowy I_OS=10÷100 mA ;
i) zakres temperaturowy pracy −55÷125[℃].

Więcej informacji o użytych w ćwiczeniu wzmacniaczach OP07 oraz LM741 zawarto w dołączonych na końcu wpisu kartach katalogowych (na końcu załącznika)

2. Przebieg doświadczenia

W doświadczeniu użyto dwóch rodzajów wzmacniaczy. Wysokiej precyzji wzmacniacz operacyjny o niskim napięciu niezrównoważenia OP07 oraz wzmacniacz operacyjny ogólnego zastosowania LM741.

Ćwiczenie obejmowało:

1. Wyznaczenie charakterystyki amplitudowej wzmacniacza operacyjnego (WO) w układzie wzmacniacza odwracającego i nieodwracającego.
2. Sprawdzenie działania WO w układzie wzmacniacza sumującego i różnicowego.
3. Wyznaczenie parametrów rzeczywistych WO (napięcia nierówno-ważenia i prądów polaryzujących).
4. Zdjęcie charakterystyki przejściowej komparatora z histerezą i bez histerezy.
5. Zmierzenie częstotliwości generacji generatora astabilnego na bazie WO.
6. Zdjęcie charakterystyki amplitudowej filtru aktywnego pasmowo-przepustowego i wyznaczenie jego parametrów.

Realizacja

 I. Wyznaczanie charakterystyki amplitudowej wzmacniacza operacyjnego w układzie pracy:

 a. wzmacniacza odwracającego

Rysunek 2.1. Schemat badanego wzmacniacza operacyjnego w układzie odwracającym.

 W pierwszej części doświadczenia badano wzmacniacz odwracający . Przy częstotliwości f=1kHz zmierzono zależność napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego. Zmierzone napięcie wejściowe i wyjściowe dla oporu R2=100kΩ i R2=1MΩ zawarto w tabelach pomiarowych.

Tabela 2.1 Zestawienie wyników pomiarowych napięć wejściowych i wyjściowych dla wzmacniacza odwracającego.

Wykres 2.1 Charakterystyka przejściowa dwóch układów odwracających o wartościach rezystancji R2=100kΩ i R2=1MΩ

Do wykresów dopasowano proste i otrzymano wartości współczynników kierunkowych (metodą regresji liniowej) będących jednocześnie wartościami wzmocnień napięciowych:

K_u1=−0,8898±0,0074 V/V , dla rezystancji R₂=100kΩ
K_u2=−9,767±0,040 V/V , dla rezystancji R₂=1MΩ

 Na podstawie wzoru:

przy założeniu idealności wzmacniacza, obliczono wzmocnienie napięciowe K_u1 dla rezystancji R₂=100kΩ, oraz K_u2 dla rezystancji R₂=1MΩ:

K_u1=−1 [V/V]

K_u2=−10 [V/V]

Wniosek: wartości zmierzone różnią się od wartości teoretycznych, o 9,7% dla K_u1 oraz o 1,9% dla K_u2. Powstałe rozbieżności spowodowane są faktem iż obliczenia teoretyczne opierają się na założeniu idealności WO, a w doświadczeniu badamy WO rzeczywisty. Nie bez znaczenia jest też fakt, że rezystory R₂=100kΩ i R₂=1MΩ prawdopodobnie produkowane jako seryjne mają wartość rezystancji również w granicy błędu.