Elektrické měření

Elaboráty

Měření na operačních zesilovačích

Zadání

1)     Změřte amplitudovou frekvenční a fázovou charakteristiku operačního zesilovače řady MAA 500 nebo 741 zatíženého odporem l0kW v základních zapojeních jako

a)     invertujícího zesilovače

b)     neinvertujícího zesilovače.

2)     Vyneste příslušné amplitudové frekvenční charakteristiky a určete frekvenci fn pro tři různé stupně zpětné vazby.

3)     Zesilovač zapojte jako Schmittův KO a určete hodnotu rozhodující úrovně U1.

4)     Zjistěte pokles zisku zesilovače v závislosti na napájecím napětí.

5)     Proved'te teoretický návrh ss milivoltmetru s operačním zesilovačem MAA 502. Tento ss zesilovač má zesílení 60dB. Vstupní obvod navrhněte pro rozsahy 10mV a 100mV. Na výstupu místo zatěžovacího odporu l0kW bude připojen mikroampérmetr s rozsahem 100mA s vnitřním odporem asi 1kW.

Teoretický úvod

IO řady MAA 501 - 504 a 741,748 jsou ss zesilovače s velkým ziskem, velkým vstupním a malým výstupním odporem pracující při teplotách od -55 do 125°C. Výroba se provádí planárně epitaxní technologií.

Planárně epitaxní technologie

Základem je bohatě dotovaná destička z křemíku. Na ní se vytvoří epitaxní vrstva tlustá několik mikrometrů. Po jejím dokončení se povrch celého monokrystalu okysličí, a tím se chrání před vlivem okolního prostředí. Kysličník se odstraní jen z míst, přes které se napaří kovová vrstva umožňující připojení vývodů.

Uvedené zesilovače mají symetrický vstup a asymetrický výstup, lze je tedy použít jako invertující i neinvertující zesilovače. Napájení zesilovačů se provádí ze souměrného zdroje proti zemi do +-15V. Vlivem výroby nemusí být obě poloviny vstupních zesilovačů stejné a tím vzniká tzv. napět'ová nesymetrie. Ta je definována jako napětí, které musí být připojeno mezi vstupy, aby výstup měl nulový potenciál. Výrobce doporučuje zapojení pro kompenzaci této nesymetrie u obvodů řady 501 – 504.

Ochranu OZ proti zničení je možno realizovat na vstupu zesilovače bud' antiparalelním zapojením diod nebo pomocí Zenerových diod. Proti zničení zkratem je OZ chráněn odporem 56W na výstupu.

V počátcích výroby MAA 501 - 504 bylo technicky náročné realizovat rozměrově malé kondenzátory pro kompenzaci frekvenční charakteristiky, proto výrobce navrhoval připojit tyto kompenzační C a RC členy na zvláštní vývody OZ. Výsledkem je pak velmi výhodná amplitudová frekvenční charakteristika obvodu. OZ řady 741, 748 mají již kompenzační kapacity uvnitř.

Teorie OZ

Požadavky na OZ:

1)     vysoké zesílení otevřené smyčky

2)     výstupní napětí musí být pouze funkcí vstupního s fázovým posunem 180

3)     přesně definovaný tvar přenosu nezávislý na vlastnostech zesilovače

4)     malý drift (kolísání nulové výstupní hladiny)

u₁…..vstupní napětí

u_g…..vstupní napětí OZ

u₂…..výstupní napětí

Z₁…..vstupní impedance

Z₂…..impedance zpětné vazby

A…..zesílení OZ

Podmínka nutná pro stabilitu OZ : u₂ = - A . u_g

Další předpoklady : nulový drift

                                    Nulový proud i_g…..pak i₁ = i₂    

u_g = - u₂ / A….napětí na vlastním vstupu OZ považujeme za virtuální nulu

Pro velké zesílení A zanedbáme člen 1/A a tím dostaneme základní rovnici pro zesílení OZ           :

Určení vstupní impedance: 

Při určování vstupní impedance OZ vzcházíme ze vztahů

a u_g = - u₂ / A

Určení výstupní impedance:

Poměr výstupního napětí naprázdno a proudu nakrátko

Při určování výstupní impedance vyjdeme ze vztahů

Pro řadu OZ MAA 501-504 jsou udávány tyto charakteristické hodnoty zesílení a impedancí :

A = 5.10⁴ při napájecím napětí ±15V

Z₁ = 10⁴W-10⁵W pro oba vstupy

Z_výstIo = 150W….z toho pak dostáváme výstupní impedanci OZ o velikosti tisícin W

Invertující zesilovač

odpor R₃ by měl mít hodnotu R₁//R₂, při R₂>>R₁ vychází R₁=R₃

Zesílení , vstupní impedance Z_vst = R₁, impedance

Neinvertující zesilovač

Zesílení

Z uvedených vztahů je patrné podstatné zvýšení vstupního odporu OZ jako neinvertujícího zesilovače.

Diferenciální zesilovač    R₁=R₄, R₂=R₃

Schéma zapojení

Postup měření

Ad 1a) Při zapojení OZ jako invertujícího zesilovače uzemněte svorky 3-Z´ a zpětnou vazbu realizujte propojením svorek a.b 1,2,3. Tím postupně zařazujete do obvodu zpětnovazební odpory 5,15 a 30kW. Jako vstup využijte svorku č.2.

Ad 1b) Při zapojení OZ jako neinvertujícího zesilovače uzemněte svorky č. 2´-Z a zpětnou vazbu realizujte stejně jako v případě 1a. Pro vstup využijte svorku č.3.

Ad 3) Schmittův KO realizujte propojením svorek 2´-Z. Napětí přiveďte na svorky 3 a Z. Zpětná vazba se realizuje propojením a-c. Postupně zvyšujte napětí do chvíle, kdy se na výstupu OZ objeví obdélník.

Ad 4) Při zjišťování poklesu zisku měňte současněvelikost obou úrovní napájecího napětí při referenčním kmitočtu 1kHz.

Naměřené a vypočtené hodnoty

u₁ = 10mV

Invertující zapojení:

R₂=25kΩ

R₂=50kΩ

R₂=75kΩ

Neinvertující zapojení:

R₂=25kΩ

R₂=50kΩ

R₂=75kΩ

Schmittův klopný obvod překlápěcí napětí: U=0,88V

Návrh milivoltmetru:

U_x=100,10mV

měřák - plná výchylka 100mA

Proud děličem se volí tak 10x větší než vstupní proudy zesilovače. Proto R₁+R₂=1,5MΩ.

Stejnosměrný odpor vazby se určí:

Paralelní odpor vazby:

Návrh kondenzátoru:

Závěr

Měření probíhalo relativně bez problémů. Z grafů je vidět, že OZ zesilují už od 0 Hz. Taky je vidět, že při vyšším zesílení se nesnižuje šířka pásma tak dramaticky jako u zesilovačů z diskrétních součástek.