UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Sverker Johansson Bo Tannfors 1996-09-22 Vanliga förstärkarkopplingar med operationsförstärkaren Laboration E36 ELEKTRO
Laboration E36 Vanliga förstärkarkopplingar med operationsförstärkaren 2 Nyckelord Operationsförstärkare, spänningsföljare, inverterande- icke inverterande förstärkare, summator, differensförstärkare, operational amplifier, voltage follower, inverting- noninverting amplifier, summing amplifier, differential amplifier. Målsättning Denna laboration har som mål att ge dig grundläggande kunskap om vanliga förstärkarkopplingar som baseras på operationsförstärkaren. Ett viktigt delmål är att du får kunskap om kopplingarnas praktiska begränsningar. Teori Läs i din kursbok tex med ledning av nyckelorden och bokens indexregister! Inledning Laborationen består i att du gör fem vanligt förekommande förstärkarkopplingar med operationsförstärkaren som huvudkomponent: Uppgift 1 Spänningsföljare sidan 4 2 Inverterande förstärkare 5 3 Icke inverterande förstärkare 6 4 Summator ( summerare ) 7 5 Differentialförstärkare 8 Varje uppgift är indelad i tre avsnitt: Ett teoretiskt, ett realiserande samt ett praktiskt avsnitt: Teori: Här finns uppgifter som du gör som förberedelser innan du går till laborationslokalen. Räkna i denna del med en ideal operationsförstärkare. Realiseringsdelen innebär att du beskriver din verkliga krets ( med verklig operationsförstärkare ) med ett kopplingsschema. Normalt kan du göra denna del så gott som komplett innan du laborerar! Praktik: I denna del utför du mätningar på din verkliga krets! Dessutom gör du här jämförelser mellan dina egna teoretiska- och dina egna praktiska resultat och du drar slutsatser.
Laboration E36 Vanliga förstärkarkopplingar med operationsförstärkaren 3 Förberedelseuppgifter De förberedelseuppgifter som följer i detta stycke har två syften: - Att underlätta för dig att hämta in respektive teoriavsnitt. - att hjälpa dig att nyttja tiden mer effektivt i laborationslokalen så att du hinner göra laborationen färdig på avsedd tid. För att utföra laborationen behöver du dessförinnan hämta in kunskaper motsvarande uppgift I, II, III och IV ( se nedan ). Efter utförd laboration redovisar du endast uppgift IV bland förberedelseuppgifterna (dessutom tillkommer punkter från praktiska delen som framgår av avsnittet "redovisning" ). Ingen av de övriga förberedelse/teori-uppgifterna skall direkt besvaras i den skriftliga redovisningen - De är till för självhjälp och du har motsvarande fakta som underlag när du arbetar vidare med laborationen. Förberedelseuppgifter: I Vad har en ideal operationsförstärkare för viktiga egenskaper? II Välj i datablad en verklig operationsförstärkare och jämför dess egenskaper med de ideala du hade i uppgift I! Kommentera! III Gör i avsnitt "utförande" den teoretiska delen till var och en av de fem förstärkarna! IV Gör i avsnitt "utförande" ett realiseringsförslag i form av ett fullständigt kopplingsschema till var och en av de fem förstärkarna! Ledning: Fullständigt kopplingsschema innehåller alla komponenter med namn/beteckning, komponentvärde,beteckning på alla anslutningar till varje IC-krets i form av pin nr, all matningsspänning till storlek och tecken och alla förbindningar. Material Du behöver: Ett kopplingsbord, en signalgenerator och ett oscilloskop samt komponenter i form av resistorer och en operationsförstärkare.
Laboration E36 Vanliga förstärkarkopplingar med operationsförstärkaren 4 Utförande 1 SPÄNNINGSFÖLJARE Teoretisk del: 1.1 Vad använder man en spänningsföljare till? Med andra ord - vad har den för uppgift? Ange även ett exempel där en spänningsföljare är lämplig att använda! 1.2 Varför är det svårt att praktiskt mäta spänningsföljarens in- och utimpedans? Ledning: Om din operationsförstärkarkomponent har råförstärkningen F op (ggr), inimpedansen Zin op och utimpedansen Zut op (Ohm) - så har spänningsföljaren som krets med denna komponent teoretiskt inimpedansen (1+F op )*Zin op respektive utimpedansen Zut op /(1+F op ). 1.3 Rita ett fullständigt kopplingsschema på en spänningsföljare! Praktisk del: 1.4 Koppla upp och mät på din krets! Vad har din krets för spänningsförstärkning? Hur stor är fasvridningen mellan in- och utsignal?
Laboration E36 Vanliga förstärkarkopplingar med operationsförstärkaren 5 2 INVERTERANDE FÖRSTÄRKARE Teoretisk del: 2.1 Rita ett principschema på en inverterande spänningsförstärkare! 2.2 Beräkna hur utspänningen till storlek och fas beror på de resistorer du har i ditt schema! Ledning: Använd Ohms och/eller Kirchoffs lagar! Dimensionera sen för specialfallet att din krets ger spänningsförstärkningen 10 ggr ( till beloppet )! 2.3 Hur stor inimpedans har din inverterande förstärkarkrets? 2.4 Rita ett fullständigt kopplingsschema på din inverterande förstärkare med förstärkningen 10 ggr! Praktisk del: 2.5 Koppla upp din krets och testa! a) Mät in- och utsignal till storlek och fas för att bestämma förstärkning och fasvridning! b) Mät din förstärkares aktiva område dvs lägsta resp. högsta inspänning med rätt utsignal! c) Mät upp hur stor mättnadsspänning din krets har ( max resp min nivå på utspänningen )! d) Mät inimpedansen ( inresistansen ) till din inverterande förstärkare! Blir det någon skillnad om du mäter med DC- respektive med AC-signal? e) Jämför dina mätresultat ( i uppgift a och d ) med din teori ( enl. uppg. 2.2)! Kommentera!
Laboration E36 Vanliga förstärkarkopplingar med operationsförstärkaren 6 3 ICKE-INVERTERANDE FÖRSTÄRKARE Teoretisk del: 3.1 Rita ett principschema på en icke-inverterande spänningsförstärkare! 3.2 Beräkna ( härled ) hur utspänningen till storlek och fas beror på de resistorer du har i ditt schema! Dimensionera sen för specialfallet att din krets ger spänningsförstärkningen 10 ggr! 3.4 Rita ett fullständigt kopplingsschema på en icke-inverterande förstärkare med förstärkningen 10 ggr! 3.5 Varför är det olämpligt att använda resistorer med låga värden ( tex tiotals Ω ) i det praktiska fallet? Praktisk del: 3.6 Koppla upp din krets och testa! Mät in- och utsignal till storlek och fas! Jämför dina mätresultat med din teori och ge kommentar!
Laboration E36 Vanliga förstärkarkopplingar med operationsförstärkaren 7 4 SUMMATOR Teoretisk del: 4.1 Rita ett principschema på en spänningssummerarende förstärkare ( summator) med två ingångar U 1 och U 2! 4.2 Beräkna och beskriv hur utspänningen till storlek och fas beror på insignalspänningarna samt de resistorer du har i ditt schema! 4.3 Rita ett fullständigt kopplingsschema på en summator med två ingångar där alla resistorer är lika stora ( tex 10 k Ω )! Praktisk del: 4.4 Koppla upp din krets och testa! Anslut ena ingången till likspänningen -12 V och anslut den andra ingången till +5 V! Vilken utspänning får du? Jämför dina mätresultat med din teori om spänningsförstärkning och fasvridning! Kommentera!
Laboration E36 Vanliga förstärkarkopplingar med operationsförstärkaren 8 5 DIFFERENTIALFÖRSTÄRKARE Teoretisk del: 5.1 Beräkna och beskriv hur utspänningen till storlek och fas beror på insignalspänningarna och resistorer i differentialförstärkaren i figur 5-1! Beräkna sedan utspän ningen för specialfallet att förstärkaren har resistorer som alla är lika stora! R2 R1 + Uin - R3 R4 + + Uout - 0 V 0 V Figur 5-1: Principschema på en differentialkopplad OP-förstärkare. 5.2 Se efterföljande figur! Enbart spänningen Ua skall förstärkas utifrån att insignalerna U1 och U2 är inkopplade till en förstärkarkrets: Vilken krets - summatorn eller differentialförstärkaren - är då möjlig? Dvs är i detta fall endast en, båda eller ingen av dem möjlig att använda då...
Laboration E36 Vanliga förstärkarkopplingar med operationsförstärkaren 9 Ua Uc + - + - U1 U2 a).. spänningen Uc är 0 V. b).. spänningen Uc är skild från 0 V. 5.4 Vad är det för principiell skillnad mellan summatorn och differentialförstärkaren? 5.5 Rita ett fullständigt kopplingsschema på en differentiell förstärkare där alla resistorer har lika värde! Praktisk del: 5.6 Koppla upp din krets och testa! Anslut den ena ingången till likspänningen + 12 V och anslut den andra ingången till +5 V! Vad får du för svar? Jämför med din teori och kommentera! Redovisning Du redovisar laborationen enligt följande: Alternativ 1: Alternativ 2: Redovisa enligt kursansvarig lärares anvisningar (gäller i första hand). ( gäller då din lärare ej lämnat speciella anvisningar ) Du lämnar in (redovisar skriftligt ) endast följande punkter från de fem förstärkarna i laborationen: Ditt fullständiga kopplingsschema samt din jämförelse mellan det teoretiska och det praktiska resultatet där du även har kommentarer/slutsatser. Anm. Dina svar på direkta frågor i teoridelen skall ej redovisas! Undantag : Indirekt svar vid tex en jämförelse. Plocka loss och använd det efterföljande försättsbladet när du redovisar laborationen!
REDOVISNING AV LABORATION E36 VANLIGA FÖRSTÄRKARKOPPLINGAR MED OPERATIONSFÖRSTÄRKAREN Personalia: Namn: Program/Kurs: Datum: Återlämnad (ej godkänd): Rättningsdatum Kommentarer Godkänd: Rättningsdatum Signatur Kommentarer