6 Operasjonsforsterker

Kurs:
Gruppe:
FYS 1210
Oppgave:
LABORATORIEØVELSE NR 7
Revidert utgave 18. mars 2013 (Lindem)
Omhandler:
«OPERASJONSFORSTERKERE»




Utført dato:
FORSTERKER MED TILBAKEKOBLING
AVVIKSPENNING OG HVILESTRØM
STRØM-TIL-SPENNING OMFORMER
INTEGRATOR
Utført av:
Navn:
Navn:
Godkjent:dato:
Kommentar fra veileder:
Godkjent av:
Gruppe-dag:
7 Operasjonsforsterker
Les Paynter Kapittel 22
Oppgave:
A. FORSTERKER MED TILBAKEKOBLING:
· Måle forsterkning som funksjon av frekvensen.
B. AVVIKSPENNING OG HVILESTRØM:
· Måle avvikspenning og hvilestrøm til operasjonsforsterkeren.
C. STRØM-TIL-SPENNING OMFORMER:
· Måle forsterkningen i en strøm- til spenningskobling.
· Bruke koblingen til å måle reversstrømmen i en signaldiode.
D. INTEGRATOR:
· Integrere en likespenning og noen vekselstrømsignaler
Formålet med denne oppgaven er å bli kjent med
· operasjonsforsterkeren LM358
·
forskjellige anvendelser og begrensninger som forsterkeren har i forhold til den
ideelle operasjonsforsterker.
Komponenter:
1 stk LM358
Motstander 1 stk 4.7 MΩ 1 stk. 1MΩ, 1 stk.100KΩ, 1 stk. 20KΩ og 2 stk.10KΩ
VIKTIG !
Operasjonsforsterkeren LM 358 skal i denne oppgaven ha +/- 10 volt som drivspenning.
Oppgave C og D bruker et ferdig kretskort– se bilde på siste side.
Veiledning FYS1210 : Oppgave 7
2
OPERASJONSFORSTERKERE
Den integrerte kretsen LM 358 inneholder to operasjonsforsterkere på samme brikke.
Den kan brukes både med symmetrisk- og med ensidig spenningstilførsel.
( Dvs. pinne 4 kan koples til jord og pinne 8 til en positiv spenning på 3 - 30 V – men dette
setter begrensninger på signalene du kan sette på inngangen – se databladet fra produsenten )
I denne oppgaven brukes LM358 med symmetrisk spenningstilførsel som vist i fig. 1.
+ 10 volt til pin 8 og -10 volt til pin 4
Av 
vut
R
 2
vinn
R1
Figur 1: Skjema og pinnetilkobling for LM358.
A. FORSTERKERE MED TILBAKEKOBLING (FEEDBACK)
Operasjonsforsterkere brukes alltid med negativ tilbakekopling. Tilbakekoplingen bestemmer
spenningsforsterkningen Av . Når du kopler opp en forsterker er det viktig å se på ut-signalet.
Bruk oscilloskopet for å kontrollere at utgangsignalet er harmonisk, - dvs. at forsterkeren ikke
forvrenger signalet.
Sender du et signal (sinus) inn på forsterkeren forventer du et like ”pent” sinus-signal på
forsterkerens utgang..
Utgangssignalets amplitude vil begrenses av forsterkerens forsyningsspenning. Her får kretsen
+/- 10 volt. Det betyr at ut-signalet aldri kan bli større enn +/- 10 Volt peak to peak (VPP).
Hvis signalamplituden blir for stor vil ”toppene” på ut-signalet bli klippet bort.
Hvis signalet overskrider kretsens slewrate-begrensning vil utgangssignalet bli ”forvrengt”.
Et sinus-signal blir ”sagtann”-formet på utgangen når slewrate overskrides.
Praktiske utførelse
I denne oppgaven må begge kanalene på oscilloskopet være DC-koplet ( CH MENUE ).
For alle koplinger med operasjonsforsterkere:
GND - ”jord” fra ”power supply” må distribueres til oscilloskop, signalgenerator og
multimeter)
Veiledning FYS1210 : Oppgave 7
3
A1. Inverterende forsterker ( Figur 2 )
Forsterkeren kobles først opp som vist i figur 2. Sett R1 = 10 k og R2 = 1 M.
Bruk begge kanalene på oscilloskopet. Kanal 1 kan vise signalet som sendes inn på
forsterkeren – kanal 2 viser signalet på utgangen.
Bruk phonokontaktene på koplingsbrettet.
Send inn et sinus-signal på 100 Hz med ca 0,1volt amplitude Peak to Peak - PP.
Juster amplituden på signalet slik at utgangssignalet fra forsterkeren ikke går i ”metning” (dvs.
toppene på sinuskurven må ikke ”klippes”)
Hvor nær forsyningsspenningen ligger maksimal signalamplitude ?
Hvor stor er forsterkning - passer dette med forholdet mellom motstandene R2 og R1?
Sett signalamplituden ut fra generatoren til 50mV pp.
Bruk først R1 = 10 k , R2 = 1 M bytt så ut R2 med R2 = 100 k .
Vi skal se på frekvensresponsen til forsterkeren – først med AV = 100 - deretter med AV = 10
Øk frekvensen ut fra signalgeneratoren, – helt til signalamplituden på utgangen er redusert
med en faktor 10 - underveis - noter forsterkningen ved 1kHz og finn øvre grensefrekvens frekvensen hvor utgangssignalet er redusert med 3 dB (0,707) -.
Hvor mange dB reduksjon tilsvarer det når forsterkningen er redusert med en faktor 10 ?
Hvis kretsen har større forsterkning enn 10 kan du øke frekvensen inntil utgangssignalet
har en amplitude lik inngangssignalet. ( Kretsen gir da en forsterkning = 1 dvs. 0 dB )
La Y-aksen vise forsterkningen i dB. X-aksen skal være logaritmisk med dekadeinndeling
– 10Hz -100Hz – 1kHz – 10kHz – 100kHz – 1MHz
Sett verdiene inn i Excel og tegn opp frekvenskarakteristikkene for de to verdiene av R2.
(i samme diagram)
A2. Ikke-inverterende forsterker. ( Figur 3 )
Som under A1 - Bruk komponentverdiene som vist i figur 3. R1 = 10k , R2 = 100k
Bruk de samme frekvensene – og tegn opp frekvenskarakteristikken.
Figur 2 : Skjema for inverterende forsterker.
Figur 3: Skjema for ikke-inverterende forsterker.
I alle forsøkene brukes LM358 med + 10 V spenningsforsyning. ( Ikke glem ”jord” )
Veiledning FYS1210 : Oppgave 7
4
B. AVVIKSSPENNING OG HVILESTRØM FOR OPERASJONSFORSTERKERE.
En forsterker som LM358 vil ikke oppføre seg helt som en ideelle operasjonsforsterker.
Vi skal bestemme to parametere som er viktige når vi skal gjøre nøyaktige målinger med en
”ikke ideell” operasjonsforsterker:
·
Avviksspenning - ( INPUT OFFSET VOLTAGE )
·
Hvilestrøm
- ( INPUT BIAS CURRENT )
B1. Avviksspenning Vio.
Koble operasjonsforsterkeren som en spenningsfølger - med den
ikke- inverterende (+) inngangen til jord. Utgangsspenningen er
da lik avviksspenningen.
Mål avviksspenningen Vio for LM 358
B2. Hvilestrøm IB.
Koble operasjonsforsterkeren som en spenningsfølger, - men sett
inn en stor motstand, (f.eks. R = 1 M eller 4,7 M ) mellom
jord og den ikke-inverterende (+) inngangen.
Strømmen som ”lekker” ut fra (+) inngangen vil gi et
spenningsfall over denne motstanden. VR = RIB.
Utgangsspenningen må være summen av avviksspenningen
og spenningen over motstanden:
Vut = Vio + R · IB
Beregn hvilestrømmen IB til operasjonsforsterkeren.
Veiledning FYS1210 : Oppgave 7
5
C.
STRØM TIL SPENNING OMFORMER.
( Bruk ferdig koplet kretskort – se bilde på siste side )
Se på kretsen i figur 5. Vi regner operasjonsforsterkeren som tilnærmet ideell
- dvs. ingen strøm går inn i forsterkeren, all strøm må gå igjennom Rf.
Som en konsekvens av Ohms lov vil da spenningen ut være gitt ved : Vut = - I · Rf
Kretsen er ferdig koplet på et kretskort – se bilde på siste side
Figur 5: Skjema for strøm-til-spenning omformer.
Figur 6: a. Enkel strømkilde.
b. Kobling for måling ” lekkasjestrøm” i diode
C-1. Bruk en strømkilde som i figur 6a.
Strømmen som sendes til operasjonsforsterkeren vil være gitt av spenningsfallet over
motstanden på 1 M. ( I = Vi / 1 M )
Hvis Vi = 1 volt blir strømmen I = 10-6 Amp = 1uA (en mikro-ampere)
Husk at den inverterende inngangen på forsterkeren kan betraktes som et nullpunkt.
Bruk først Rf = 10 k og deretter Rf = 100 k. Velg Vi f.eks. 5 volt, 2 volt og -2 volt.
Bestem I ut fra spenningsfallet over 1 M -motstanden. Beregn Vut og sammenlign med den
målte. Sett opp resultatene, sammenhørende verdier for strømmen inn (I), beregnet Vut og
målt Vut i en oversiktlig tabell.
NB ! Hvis du kopler multimeteret direkte over motstanden på 1 M - vil multimeterets indre
motstand parallellkoples med 1 M - Hvordan påvirker dette måleresultatet ?
Multimeteret skal aldri koples til operasjonsforsterkerens virtuelle nullpunkt ( - ) !!
Veiledning FYS1210 : Oppgave 7
6
C-2. Mål reversstrøm (IS) i signaldioden 1N4148 og kraftdioden 1N4002
Bruk ferdig koplet kretskort
Velg en stor verdi for Rf, = 4,7 M, og bruk koblingen i figur 6 b som spenningskilde.
Mål Vi og Vut.
Beregn reversstrømmen ( IS ) i de 2 diodene for reversspenningene: 1 volt, 2 volt og 5 volt.
D.
INTEGRATOR
( Bruk ferdig koplet kretskort – se bilde på siste side )
Analog integratoren er en nyttig krets for mange anvendelser.
I sin enkleste form ser den slik ut som på fig. 7.
Figur 7: Enkel integratorkobling.
Utgangssignalet blir:
Vut  
1
1
  I  dt  
 Vi  dt
C
RC 
Da inngangssignalet integreres, vil selv små avvik fra den ideelle OP-AMP kunne føre til
store feil i Vut. En god, analog integrator krever derfor en godt avbalansert
operasjonsforsterker med lav avviksspenning og hvilestrøm.
På figur 8 ser du at en stor motstand (stiplet) koplet parallelt med kondensatoren på 1uF.
Denne motstanden vil hindre at små feil i avviksspenning og hvilestrøm i forsterkeren blir
integrert opp. Slike ”knep” gjør at vi kan bruke LM358 i integratorer.
Veiledning FYS1210 : Oppgave 7
7
D-1. Integrasjon av funksjoner ( firkant, trekant, sinus )
Som inngangsspenning velges nå firkantpulser, trekantkurve og sinus fra en signalgenerator.
Alle signalene må svinge symmetrisk rundt ”0”, dvs. et ”tog” av firkantpulser med toppverdi
+1volt må ha en ”bunnverdien” på – 1volt.
Velg en frekvens i område 100 Hz til 500 Hz – Husk - oscilloskopet skal være DC-koplet
Kommentarer til koplingen i figur 8.
Hvis signalgeneratoren ikke er nøyaktig balansert,
dvs. hvis middelverdien til spenningen ikke er null,
vil denne middelverdi integreres opp - og
integratorens utgangspenning vil etter kort tid gå i
metning ( + eller -).
En slik likespenning i signalet fjernes ved å sette
inn en kondensator på 100uF med 10k avkobling til
jord.
Figur 8 : Skjema for integrasjon av vekselstrømsignaler.
Den inverterende og ikke-inverterende inngang til forsterkeren bør se samme motstand til
jord, - derfor er det en motstand på 20k fra + inngangen til jord. se figur 8. Hvorfor ?
En stor motstand (1 M) er koplet i parallell med integrasjonskondensatoren på 1uF.
Denne motstanden vil hindre at små feil i avviksspenning og hvilestrøm i forsterkeren blir
integrert opp.
a) Observer Vi og Vut på oscilloskopet . ( bruk begge kanalene - slik at du samtidig
observerer Vi og Vut ) Ta utskrift for de tre signalene; – firkant – trekant – og sinus.
b) Kan du sette opp de matematiske funksjonene for disse inngangssignalene og integrer disse
analytisk ? Stemmer dette med de observerte signalene på Vut ?
Veiledning FYS1210 : Oppgave 7
8