Ústav fyzikální elektroniky Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity POKROČILÉ PRAKTIKUM Z ELEKTRONIKY Návod k úloze č. 4: Zapojení s OZ Zadání úlohy číslo 4 Prověřte zapojení elektronických obvodů s operačním zesilovač a porovnejte měření s teoretickými vztahy. Zapojení: převodníky proud/napětí napěťový sledovač Schmittův klopný obvod rozdílový zesilovač Volitelná zapojení: invertující zesilovač neinvertující zesilovač dolnofrekvenční propusť 1. Úvod S operačním zesilovačem jste se již prakticky seznámili v některém z předešlých praktik nebo přednášek. Existuje však množství zapojení, díky kterým je operační zesilovač praktickou součástkou v elektronice. V této úloze vytvoříte několik zapojení a prověříte, že odvozené teoretické vztahy odpovídají experimentu. 1.1. Operační zesilovač Operační zesilovač (zkráceně OZ) je univerzální zesilovací analogový elektronický obvod, který vytváří na svém výstupu napětí, které odpovídá mnohonásobně zesílenému rozdílu potenciálů mezi jeho vstupy. Ve většině případů je operační zesilovač integrován v součástce s několika vývody. Na součástce nalezneme nejenom vstupy a výstupy zesilovače, ale také napájecí vývody a často korekci offsetu. V- V+ OZ +12V -12V +12V+12 V −12 V 0 V neinvertující vstup invertující vstup výstup Obrázek 1: Schématická značka OZ s označenými vstupy, výstupem a napájením. Na obrázku 1 je znázorněná schématická značka OZ, součástka má dva různé vstupy. Je-li potenciál invertujícího vstupu vyšší než potenciál neinvertujícího, napětí na výstupu bude záporné a naopak. Zesilovač musí být napájen symetrickým napětím ±12 V se zapojenou společnou zemí. Pro zjednodušení teoretických výpočtů se reálný OZ často nahrazuje idealizovaným, tak jak popsán parametry v tabulce 1. Tabulka 1: Porovnání vlastností ideálního a reálného OZ Parametr Ideální OZ Reálný OZ AU Napěťové zesílení ∞ 5 · 104 − 1 · 106 Rvst Vstupní odpor ∞ Ω 1 · 105 Ω − 1 · 108 Ω Rvyst Výstupní odpor 0 Ω 1 Ω − 100 Ω BW Šírka frekvenčního pásma ∞ Hz 5 · 104 Hz − 1 · 109 Hz SR Rychlost náběhu ∞ V/µs 0, 1 V/µs − 5000 V/µs 1.2. Experimentální vybavení V praktiku máte k dispozici přípravek s osazeným operačním zesilovačem, sadu rezistorů, frekvenční generátor, dvojitý regulovatelný zdroj napětí a zdroj symetrického napětí (±12 V) . Pro měření proměnných veličin využijete sadu laboratorních multimetrů a osciloskop. Při zapojení si dávejte pozor na uzemňování vstupních napětí a měřících přístrojů. Mějte také na paměti, že OZ vykazuje saturační napětí výstupu, které je omezeno jeho napájením. 2. Zapojení s OZ 2.1. Převodníky proud/napětí S potřebou použít převodníky se setkáme při mnoha zapojeních, převážně se jedná o zapojení senzorů. V tomto případě můžeme převodníky použít také jako řiditelné napájení. Prakticky vzniká elektricky řízený zdroj proudu nebo napětí. Zdroj proudu řízený napětím A V Uin U1 R1 I2 R2 + − Schéma 1: Zapojení zdroje proudu řízeného napětím. 2 Na větev zpětné vazby připojujeme zátěž, kterou má téct konstantní proud. Tento proud lze teoreticky určit jako I2 = U1 R1 , (1) kde U1 je vstupní napětí a R1 je odpor na vstupu. Před měřením nejprve přiveďte symetrické napájení 12 V na operační zesilovač, nezapomeňte na zemnění (černý konektor). Následně můžete zapojit obvod podle schématu 1. Na vstup připojte regulovatelný zdroj napětí a měřte vstupní napětí a proud zpětnou vazbou. R1 ... různé R2 ... různé Ověřte zda uvedený vztah platí pro několik různých rezistorů R1 a R2. Empiricky rozhodněte, jestli se odpor R2 na výstupním proudu I2 nijak neprojevuje. Začněte s R1 = 10 kΩ a R2 = 100 kΩ. Zdroj napětí řízený proudem Zapojte obvod podle následujícího schématu, tím získáte převodník napětí řízený proudem. Multimetry měřte proud I1 a napětí U2. A V Uin R2 I1 U2 − + Schéma 2: Zapojení zdroje napětí řízeného proudem. Teoreticky odvozená velikost napětí je dáne jen vstupním proudem a velikostí odporu ve zpětné vazbě takto U2 = −I1R2. (2) R2 ... různé Ověřte zda uvedený vztah platí pro několik různých rezistorů R2, začněte s R2 = 1 kΩ. 3 2.2. Schmittův klopný obvod Schmittův klopný obvod patří mezi důležité obvody pro zpracování signálů s nenulovým šumem, protože vykazuje hysterezi. Znázorněné hystérezní chování je zobrazeno na obrázku 2, k překlopení stavu obvodu dochází až při překročení hysterezního napětí v závislosti na stavu ve kterém obvod před překlopením nacházel. in out T-T M -M H+H− U+ U− U2 U1 Obrázek 2: Hysterezní chování Schmittova klopného obvodu. Obvod zapojte podle následujícího schématu, na vstup zapojte signální generátor, který generuje pilový signál. Průběh napětí vstupu a výstupu určete osciloskopem. Oscilloscope S ingle Help Next Z oom < > Return Trig Ext Int L ine Video Free Run Cal P W P attern Ac quire S ystem L oc al P reset Video S ave/ Rec all S eq 1 2 3 4 1 M ath 2 3 M ath 4 Cursor Trac e V L ine H line Return O n/O ff R2 R1 OSC R1 Schéma 3: Zapojení Schmittova klopného obvodu. H± = ±Usat R1 R1 + R2 (3) Změřte saturační napětí OZ, vypočtěte teoretické hysterezní napětí podle zapojených rezistorů. Na vstup přiveďte trojúhelníkový signál, přeložením průběhů vstupního a výstupního napětí určete reálná hysterezní napětí. Začněte s R1 = 10 kΩ a R2 = 100 kΩ. 4 2.3. Sledovač napětí Sledovač napětí je de facto neinvertující zesilovač se zesílením AU = 1. Jeho funkce je tímto zřejmá, výhodou takové zapojení je větší proudová zatížitelnost operačního zesilovače. Dochází prakticky ke kopírování vstupního signálu na výstup. OSC Schéma 4: Zapojení sledovače napětí. AU = 1 (4) Rychlost přeběhu (slew rate) Rychlost přeběhu je jeden z parametrů, který popije chování elektrické součástky při rychle se měnícím signálů. U OZ se prakticky jedná o rychlost reakce na vstupní podnět. Je definována jako rychlost změny napětí takto SR = ∆U ∆t . (5) Pro výpočet rychlosti přeběhu tedy potřebuje změřit jak amplitudu výstupního napětí tak dobu, za kterou se vstupní signál měnil. Měřením přeběhové doby a velikosti napětí určíte slew rate. Určete funkci napěťového sledovače a určete chování výstupního signálu pro různé tvary vstupního signálu. Pro obdélníkový signál určete slew rate a diskutujte použitelnost sledovače napětí ve VF technice. Pro jaké aplikace by mohl být sledovač napětí využit? 5 2.4. Rozdílový zesilovač Rozdílový zesilovač zesiluje diferenci vstupních signálů. Díky velkému zesílení OZ jsme schopni detekovat minimální rozdíly mezi vstupními signály. Díky změně polarity na výstupu vidíme i který potenciál je vyšší a nejenom zesílený rozdíl. R2 R2 R1 R1 U1 U2 Uout U1in U2in R2Schéma 5: Zapojení rozdílového zesilovače. Teoreticky lze odvodit zesilovací koeficient rozdílu napětí takto UOUT = R2 R1 (U2 − U1) = R2 R1 ∆U. (6) Ověřte pro několik kombinací rezistorů R1 a R2 zda uvedený vztah platí, začněte s R1 = 10 kΩ a R2 = 100 kΩ. 6 3. Volitelná zapojení Invertující zesilovač R1 R2 U1 U2 Uin Schéma 6: Zapojení invertující zesilovače. U2 = − R1 R2 U1 (7) Ověřte, že tento typ zapojení invertuje a zesiluje vstupní signál podle teoretického vztahu. Určete koeficient zesílení teoreticky i empiricky pro různé kombinace rezistorů. Neinvertující zesilovač R1 R2 U1 U2 Uin Schéma 7: Zapojení neinvertující zesilovače. U2 = R1 R2 + 1 U1 (8) Ověřte, že tento typ zapojení a zesiluje vstupní signál podle teoretického vztahu. Určete koeficient zesílení teoreticky i empiricky pro různé kombinace rezistorů. 7 Dolnofrekvenční propusť Zapojením RC filtru do zpětné vazby dojde k zesílení jen určitého pásma frekvencí vstupních signálů. Zapojením podle schématu 8 získáte dolnofrekvenční propusť, u které určíte šířku pásma. Tu určíte Oscilloscope S ingle Help Next Z oom < > Return Trig Ext Int L ine Video Free Run Cal P W P attern Ac quire S ystem L oc al P reset Video S ave/ Rec all S eq 1 2 3 4 1 M ath 2 3 M ath 4 Cursor Trac e V L ine H line Return O n/O ff OSC R1 R2 C Schéma 8: Zapojení OZ jako dolnofrekvenční propusti. A = Amax √ 2 pokles zesílení o 3 dB (9) Ověřte funkci dolnofrekvenční propustě, určete frekvenční závislost zesílení pomocí osciloskopu. Určete při jaké frekvenci dochází k poklesu o 3 dB. Měření můžete opakovat pro různé rezistory a kondenzátory. 8