Aplikace operačního zesilovače - laboratovní cvičení, úloha

1. Název úlohy: Aplikace operačního zesilovače

2. Úkol měření:

1. Operační zesilovač zapojte jako derivační obvod, na jeho vstup přiveďte napětí trojúhelníkového průběhu. Vstupní a výstupní průběh signálu znázorněte na osciloskopu a překreslete na mm papír. Změřené průběhy porovnejte s teoretickými předpoklady. Zvyšte a snižte vstupní kmitočet dvakrát a sledujte působení změny na průběh výstupního napětí - výsledky zakreslete.

2. Operační zesilovač zapojte jako integrační obvod, na jeho vstup přiveďte napětí obdélníkového průběhu. Dále postupujte podle bodu 1.

3. Měřicí metoda:

Derivační obvod (k bodu 1):

Rezistor R3 odstraňuje vstupní proudovou nesymetrii operačního zesilovače (dále jen OZ).

Výpočet zesílení a dalších parametrů, je-li R1 zanedbáno:

Pro výpočet zisku tedy bude platit:

[dB]

Se zvyšující se frekvencí tedy zisk vzrůstá.

Pro výstupní napětí pak platí:

Odpor R1 omezuje rušivá napětí (šumy) nad frekvencí fmax:

Nyní určíme výpočet UOUTmax:

Za můžeme dosadit a tedy i , neboť platí:

Po dosazení získáme UOUTmax:

Pro vlastní výpočet periody T lze uplatnit vztah:

Po dosazení do vztahu pro UOUTmax vznikne:

Předpokládané průběhy vstupního a výstupního napětí UIN a UOUT:

Přivede-li se však vstupní napětí UIN obdélníkového průběhu, pak bude výstupní napětí UOUT téměř pilového (trojúhelníkového) průběhu. Přivede-li se na vstup sinusové vstupní napětí UIN, výstupní napětí UOUT bude též sinusové.

Integrační obvod (k bodu 2):

Rezistor R3 odstraňuje vstupní proudovou nesymetrii OZ.

Lze vypočítat zesílení a další parametry při zanedbání R2:

Pro výpočet zisku tedy bude platit:

[dB]

Se zvyšující se frekvencí zisk klesá.

Pro výstupní napětí tedy platí:

Odpor R2 v tomto případě omezuje zisk na kmitočtech menších než fmin:

Pro čas t = 0 až platí pro výstupní napětí toto:

Ale pro t = platí:

Potom musí platit:

Z čehož odvodíme vztah pro UOUTmax:

Pro vlastní výpočet periody T lze opět uplatnit vztah:

Tím pádem můžeme též napsat tento vztah pro UOUTmax:

Předpokládané průběhy vstupního a výstupního napětí UIN a UOUT:

Bude-li mít však vstupní napětí UIN trojúhelníkový průběh, pak bude výstupní napětí UOUT sinusového průběhu. Přivede-li se na vstup sinusové vstupní napětí UIN, výstupní napětí UOUT bude též sinusové.

Chyby měření:

Absolutní chyba odečítání napětí UOUTmax:

[V]

N – hodnota naměřeného napětí UOUTmax

S – hodnota vypočítaného napětí UOUTmax

Relativní chyba odečítání napětí UOUTmax:

[%]

Schéma zapojení:

Postup měření:

Tento postup je společný pro derivační i integrační obvod (bod 1 i 2):

1. Po zapojení obvodu podle schématu napájíme stabilizovaným zdrojem SZ měřený přípravek napětím UCC = 5 V.

2. Na funkčním generátoru G zvolíme požadovaný průběh vstupního napětí UIN (pro derivační obvod vybereme trojúhelníkový průběh a pro integrační obvod zvolíme obdélníkový průběh).

3. Funkčním generátorem G zvolíme požadované frekvence a omezíme jím amplitudu vstupního napětí UIN, abychom zamezili zkreslení výstupního napětí UOUT, ale s omezením je nutné to nepřehnat, aby v signálu nakonec nedominovaly šumy.

4. Průběhy vstupního i výstupního napětí UIN a UOUT stále sledujeme na stínítku osciloskopu OSC a případné zkreslení odstraníme pomocí úpravy amplitudy vstupního napětí UIN z funkčního generátoru G.

5. Výsledné průběhy vstupního a výstupního napětí UIN a UOUT zaznamenáme ze stínítka osciloskopu OSC na milimetrový papír.

6. Učiníme potřebné výpočty a v závěru vyhodnotíme měření.