Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok
4. Mûveleti erõsítõk váltakozó-áramú alkalmazásai 4.1 Elmélet Az integrált mûveleti erõsítõk váltakozó áramú viselkedését a 2.3 fejezetben (jegyzet és prezentáció) valamint a 2.5 fejezetben (prezentáció) tárgyaltuk. Számítási feladatokkal a táblagyakorlatokon találkoztak a hallgatók
4.2 Leírás Ezen a gyakorlaton olyan alkalmazásokat vizsgálunk, amelyekben kifejezésre jut a mûveleti erõsítõk sebességkorlátozása (felsõ határfrekvencia és slew rate). Itt vizsgáljuk az aktív szûrõket és az oszcillátorokat is, amelyeknél a mûveleti erõsítõ ideálisnak tekinthetõ, de a visszacsatoló áramkör frekvenciafüggõ. A vizsgálódást idõtartományban és frekvenciatartományban végezzük.
4.3 Szimuláció A mérések elõtt számítógépes szimulációval vizsgáljuk meg az áramkörök viselkedését. 4.3.1 Invertáló erõsítõ frekvenciamenete Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört! A mûveleti erõsítõre alkalmazza az UniversalOpamp2 modellt! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a kimenõ jel amplitúdó- és fázisdiagramját a frekvencia függvényében! Tapasztalható-e jelentõsebb eltérés alacsony frekvencián az ideális erõsítõre számított erõsítés (amplitúdó és fázis) értékétõl? Olvassa le az amplitúdó diagramról a felsõ határfrekvencia értékét!
4.3.2 Nem-invertáló erõsítõ frekvenciamenete Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört! A mûveleti erõsítõre alkalmazza az UniversalOpamp2 modellt! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a kimenõ jel amplitúdó- és fázisdiagramját a frekvencia függvényében! Tapasztalható-e jelentõsebb eltérés alacsony frekvencián az ideális erõsítõre számított erõsítés (amplitúdó és fázis) értékétõl? Olvassa le az amplitúdó diagramról a felsõ határfrekvencia értékét!
4.3.3 Slew rate vizsgálata szinuszos gerjesztésnél Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört! A mûveleti erõsítõre alkalmazza az UniversalOpamp2 modellt! Vezessen a bemenetre 0,1V amplitúdójú, 300kHz frekvenciájú szinusz-feszültséget! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a kimenõ jel idõdiagramját! Tapasztalható-e jelentõsebb eltérés a kimenõ jel alakjában és amplitúdójában ahhoz képest, ami ideális mûveleti erõsítõnél, ill. alacsony frekvencián várható?
Növelje meg a bemenõ jel amplitúdóját 0,1V-ról 1V-ra és rajzoltassa ki a kimenõ jelet újra! Miben nyilvánul meg a slew rate jelenség?
4.3.4 Slew rate vizsgálata impulzus jellegû gerjesztésnél Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört! A mûveleti erõsítõre alkalmazza az UniversalOpamp2 modellt! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a bemenõ és a kimenõ jel idõdiagramját! Tapasztalható-e jelentõsebb eltérés a kimenõ jel alakjában és amplitúdójában ahhoz képest, ami ideális mûveleti erõsítõnél, ill. alacsony frekvencián várható?
Növelje meg a bemenõ jel amplitúdóját 0,1V-ról 1V-ra és rajzoltassa ki a bemenõ és a kimenõ jelet újra! Miben nyilvánul meg a slew rate jelenség?
4.3.5 Aktív szûrõk Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört (másodfokú aluláteresztõ aktív szûrõ)! A mûveleti erõsítõre alkalmazza az UniversalOpamp2 modellt! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a kimenõ jel amplitúdó- és fázisdiagramját a frekvencia függvényében! Milyen jellegû az átviteli karakterisztika?
Az amplitúdó diagramról olvassa le a felsõ határfrekvencia értékét! Határozza meg az amplitúdó diagram meredekségét (dB/dec) a záró tartományban! Vizsgálja meg, mi történik, ha csökkentjük a C2 kondenzátor kapacitását! Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört (másodfokú felüláteresztõ szûrõ)! A mûveleti erõsítõre alkalmazza az UniversalOpamp2 modellt! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a kimenõ jel amplitúdó- és fázisdiagramját a frekvencia függvényében! Milyen jellegû az átviteli karakterisztika?
Az amplitúdó diagramról olvassa le a határfrekvencia értékét! Határozza meg az amplitúdó diagram meredekségét (dB/dec) a záró tartományban! Vizsgálja meg, mi történik, ha növeljük az R2 ellenállás ellenállásértékét! Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört (másodfokú sávszûrõ)! A mûveleti erõsítõre alkalmazza az UniversalOpamp2 modellt! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a kimenõ jel amplitúdó- és fázisdiagramját a frekvencia függvényében! Milyen jellegû az átviteli karakterisztika?
Az amplitúdó diagramról olvassa le sávközépi frekvenciát valamint az alsó és a felsõ határfrekvencia értékét! Számítsa ki az áteresztõ tartomány szélességét és a szûrõ jósági tényezõjét! Határozza meg az amplitúdó diagram meredekségét (dB/dec) a záró tartományban! 4.3.6 Oszcillátorok Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört (Wien-hidas oszcillátor)! A mûveleti erõsítõre alkalmazza az UniversalOpamp2 modellt! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a kimenõ jelet az idõtartományban! Határozza meg a generált jel frekvenciáját! Milyen módosítással tudja a kimenõ jel frekvenciáját csökkenteni / növelni?
Állítsa össze az LTspice szoftverben az alábbi szimulációs áramkört (fázistolós oszcillátor)! A mûveleti erõsítõre alkalmazza az UniversalOpamp2 modellt! Végezze el a szimulációt, rajzoltassa ki a kimenõ jelet! Határozza meg a jel frekvenciáját! Milyen módosítással tudja a kimenõ jel frekvenciáját csökkenteni / növelni?
4.4 Felszerelés a mérésekhez 1. Próbapanel 2. Kétcsatornás digitális oszcilloszkóp 3. Tápegység 4. Jelgenerátor 5. Különbözõ mûveleti erõsítõk és RC alkatrészek
4.5 Mérések Ebben a lépésben a hallgatók mérésekkel ellenõrzik az elméleti órákon hallottakat és a szimulációval kapott eredményeket. 4.5.1 Invertáló erõsítõ frekvenciamenete Állítsa össze próbapanelen az alábbi áramkört! Írja fel a VO=f(VI) képletet ideális mûveleti erõsítõ esetére! A jelgenerátort állítsa 0,1V amplitúdójú szinusz jelre! Vegyen fel tíz pontot (a határokkal együtt tizenegy pont) a 10Hz - 1MHz tartományban mértani sorozat szerint, írja be ezeket az értékeket a táblázatba! Kétcsatornás oszcilloszkóp segítségével figyelje meg a kimenõ jel amplitúdóját és fázisát a bemenõ jelhez képest az egyes frekvenciákon! Írja be ezeket az értékeket is a táblázatba! A táblázat alapján rajzolja meg az erõsítés amplitúdó- és fázisdiagramját! A diagramról olvassa le a határfrekvenciát! Ellenõrizze a kapott értéket, a jelgenerátort erre a frekvenciára állítva!
8
+12V 3 Vi
R1
2
4
10k R2 M10
C1 u10 1 U1A LM358 C2
fi[o] -180
10
-225
Vo
f[Hz] 10
100
1k
10k
100k
1M -270
-10
-315
-20
-360
u10
-12V
f [Hz]
A[dB] 20
100
10
1k
10k
100k
1M
Vom [V] A [dB] fi [o]
4.5.2 Nem-invertáló erõsítõ frekvenciamenete Állítsa össze próbapanelen az alábbi áramkört! Írja fel a VO=f(VI) képletet ideális mûveleti erõsítõ esetére! A jelgenerátort állítsa 0,1V amplitúdójú szinusz jelre! Vegyen fel tíz pontot (a határokkal együtt tizenegy pont) a 10Hz - 1MHz tartományban mértani sorozat szerint, írja be ezeket az értékeket a táblázatba! Kétcsatornás oszcilloszkóp segítségével figyelje meg a kimenõ jel amplitúdóját és fázisát a bemenõ jelhez képest! Írja be ezeket az értékeket is a táblázatba! A táblázat alapján rajzolja meg az erõsítés amplitúdó- és fázisdiagramját! A diagramról olvassa le a határfrekvenciát! Ellenõrizze a kapott értéket, a jelgenerátort erre a frekvenciára állítva! A[dB] 20
8
+12V C1 Vi R1
3 2
4
10k R2 M10
-12V
f [Hz] Vom [V] A [dB] fi [o]
fi[o] 0
10
u10 1 U1A LM358 C2
-45
Vo
f[Hz] 10
100
1k
10k
100k
1M -90
-10
-135
-20
-180
u10
10
100
1k
10k
100k
1M
4.5.3 Slew rate vizsgálata szinuszos gerjesztésnél Állítsa össze próbapanelen az alábbi áramkört! Írja fel a VO=f(VI) képletet ideális mûveleti erõsítõ esetére! A jelgenerátoron állítson be 0,1V amplitúdójú és 100kHz frekvenciájú szinusz jelet! Kétcsatornás oszcilloszkóp segítségével figyelje meg a bemenõ és a kimenõ jelet! Rajzolja át a kimenõ jelet a felsõ diagramra! Növelje meg a bemenõ jel amplitúdóját 1V-ra! Rajzolja át a kimenõ jelet az alsó diagramra! Olvassa le a slew rate értékét a diagramról! Vi, Vo[V] 1,0 0,5
8
+12V C1 3 Vi
R1
2
4
10k R2 M10
u10 1 U1A LM358 C2
t[us] 0 Vo
5
10
15
20
25
-0,5 -1,0 Vi, Vo[V]
-12V
u10
10 5 t[us] 0
5
10
15
20
25
-5 -10
4.5.4 Slew rate vizsgálata impulzus jellegû gerjesztésnél Állítsa össze próbapanelen az alábbi áramkört! A jelgenerátoron állítson be 1V amplitúdójú és 100 kHz frekvenciájú váltakozó négyszög jelet! Kétcsatornás oszcilloszkóp segítségével figyelje meg a bemenõ és a kimenõ jelet! Rajzolja át a kimenõ jelet a mellékelt diagramra! Olvassa le a slew rate értékét a diagramról! Vi, Vo[V] 10
8
+12V C1 3 2
10k
4
Vi
R1
R2 M10 -12V
5 u10 1 U1A LM358 C2 u10
t[us]
Vo
0 -5 -10
5
10
15
20
4.5.5 Aktív szûrõk Állítsa össze próbapanelen az alábbi áramkört (másodfokú aluláteresztõ aktív szûrõ)! A jelgenerátort állítsa 0,1V amplitúdójú szinusz jelre! Vegyen fel tizenkét pontot a frekvencia tengelyen (a határokkal együtt tizenhárom pont) a 10Hz - 10kHz tartományban mértani sorozat szerint, írja be ezeket az értékeket a táblázatba! Kösse a jelgenerátort a bemenetre és kétcsatornás oszcilloszkóp segítségével figyelje meg a kimenõ jel amplitúdóját és fázisát a bemenõ jelhez képest a táblázatban szereplõ minden frekvencián! Írja be a kapott amplitúdó-, erõsítés és fázis értékeket a táblázatba! Írja be a kapott amplitúdó-, fázis- és erõsítés értékeket a táblázatba! A táblázat alapján rajzolja meg a szûrõ amplitúdó- és fázisdiagramját! A diagramról olvassa le az alsó határfrekvenciát! Ellenõrizze a kapott értéket, a jelgenerátort erre a frekvenciára igazítva! A[dB] 0
R2
10k
10k
47n 3
8
R1
2
4
Vi
10
+12V C1
C1
C1
u10 1 U1A LM358 C2
fi[o] f[Hz]
Vo
100
1k
10k
-10
-45
-20
-90
-30
-135
-40
-180
u10 -12V
f [Hz]
u10
10
100
1k
10k
Vom[V] A [dB] fi [o]
Állítsa össze próbapanelen az alábbi áramkört (másodfokú felüláteresztõ szûrõ)! A jelgenerátort állítsa 0,1 V amplitúdójú szinusz jelre! Vegyen fel tizenkét pontot a frekvencia tengelyen (a határokkal együtt tizenhárom pont) a 10Hz - 10kHz tartományban mértani sorozat szerint, írja be ezeket az értékeket a táblázatba! Kösse a jelgenerátort a bemenetre és kétcsatornás oszcilloszkóp segítségével figyelje meg a kimenõ jel amplitúdóját és fázisát a bemenõ jelhez képest a táblázatban szereplõ minden frekvencián! Írja be a kapott amplitúdó-, fázis és erõsítés értékeket a táblázatba! Írja be a kapott amplitúdó-, fázis- és erõsítés értékeket a táblázatba! A táblázat alapján rajzolja meg a szûrõ amplitúdó- és fázisdiagramját! A diagramról olvassa le az alsó határfrekvenciát! Ellenõrizze a kapott értéket a jelgenerátort erre a frekvenciára igazítva! A[dB] 0
C1
8
C1 Vi
3 47n
2
4
47n
R1 10k
-12V
f [Hz] Vom[V] A [dB] fi [o]
10
+12V C1
R2 22k
10
u10 1 U1A LM358 C2 u10
fi[o] f[Hz]
Vo
100
1k
10k
-10
-45
-20
-90
-30
-135
-40
-180
100
1k
10k
Állítsa össze próbapanelen az alábbi áramkört (másodfokú sávszûrõ)! A jelgenerátort állítsa 0,1V amplitúdójú szinusz jelre! Vegyen fel tizenkét pontot a frekvencia tengelyen (a határokkal együtt tizenhárom pont) a 10Hz - 10kHz tartományban mértani sorozat szerint, írja be ezeket az értékeket a táblázatba! Kösse a jelgenerátort a bemenetre és kétcsatornás oszcilloszkóp segítségével figyelje meg a kimenõ jel amplitúdóját és fázisát a bemenõ jelhez képest a táblázatban szereplõ minden frekvencián! Írja be a kapott amplitúdó-, fázis- és erõsítés értékeket a táblázatba! A táblázat alapján rajzolja meg a szûrõ amplitúdó- és fázisdiagramját! A diagramról olvassa le az alsó és a felsõ határfrekvenciát és a sávközépi frekvenciát! Ellenõrizze, illetve pontosítsa a kapott értékeket, a jelgenerátort ezekre a frekvenciákra igazítva! A[dB]
8
+12V C1 u10 1 U1A LM358 C2
3 R1 10k
22n
2
C1 22n
4
Vi
C1
R2 1M0 -12V
fi[o]
40
90
30
45
20
0
10
-45
Vo
u10
-90
0 10 f [Hz]
10
100
100
1k
f[Hz]
10k
1k
10k
Vom[V] A [dB] fi [o]
4.5.6 Oszcillátorok Állítsa össze próbapanelen az alábbi áramkört (fázistolós oszcillátor)! Kapcsolja rá a tápegységet és az oszcilloszkóp egy csatornáját! Figyelje meg a kimenõ jelet és rajzolja át a megadott koordináta rendszerbe! A másik csatornát kapcsolja egymás után az egyes kondenzátorokra, ezeket a jeleket is figyelje meg és hasonlítsa össze a kimenõ jellel! Megfigyelhetõ-e a valóságban a szimulációnál tapasztalt beoszcillálási folyamat? Vo[V]
8
+12V C4 3 C2 u10 R3
C3 u10 R4
1k0 R1 1k0
1k0
1k0
2
4
C1 u10 R2
R5 M33
u10 1 U1A LM358 C5
10 Vo
5 t[us] 0 -5
-12V
u10
-10
125
250
375
500
625
Állítsa össze próbapanelen az alábbi áramkört (Wien-hidas oszcillátor)! Kapcsolja rá a tápegységet a megfelelõ pontokra és az oszcilloszkóp egy csatornáját a kimenetre! Figyelje meg a kimenõ jelet és rajzolja át az ábrára! A másik csatornával figyelje meg a mûveleti erõsítõ két bemenetén a feszültséget, hasonlítsa össze ezeket a jeleket a kimenõ jellel! Megfigyelhetõ-e a valóságban a szimulációnál tapasztalt beoszcillálási folyamat? C2
R2
10n R1
10n
10k +12V C4
10k
3
8
C1
2
3 C3 u10 R5
1
R3
2
BF245 Q1
1M0
4
4k7 R4 10k D1
-12V
Vo[V] 10 5
u10 1 U1A LM358 C5 u10
t[us]
Vo
0
250
500
750
1000
1250
-5 -10
1N4148
Hallgató(k): Név:
Index szám:
Aláírás:
------------------------------------------------
----------------------------
-----------------------------------------
------------------------------------------------
----------------------------
-----------------------------------------
