Praca Dyplomowa

Model do badania parametrów wzmacniaczy operacyjnych
z cyfrowym panelem sterowania

Technikum Elektroniczne, Sosnowiec 1994

     1.  Cel pracy
     2.  Wprowadzenie teoretyczne
             2.1  Parametry wzmacniaczy operacyjnych
             2.2  Struktura wewnętrzna wzmacniacza ULY 7741N
             2.3  Układy pracy wzmacniaczy

     3.  Dokumentacja techniczna modelu
             3.1  Zasada działania układu zasilania
             3.2  Zasada działania układu sterowania
             3.3  Opis złącza płyty głównej
             3.4  Spis elementów

     4.  Pomiary parametrów wzmacniacza
             4.1  Układ 1. Wzmocnienie, Rezystancja we różnicowa, wyjściowa, Szerokość pasma częstotl.
             4.2  Układ 2. Rezystancja wejściowa sumacyjna
             4.3  Układ 3. Współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego
             4.4  Układ 4. Wejściowy prąd polaryzujący
             4.5  Układ 5. Zestaw do samodzielnego montażu układów pracy wzmacniacza

     5.  Wnioski
     6.  Bibliografia
     7.  Prezentacja - film wideo







1. Cel pracy


Wykonany model służący do badania wzmacniacza operacyjnego przeznaczony jest do wykorzystania na ćwiczeniach w Pracowni Elektroniki. Wykonany został w celu poznania przez ucznia najprostszych układów służących do pomiaru podstawowych parametrów wzmacniacza operacyjnego oraz nabycia praktycznej umiejętności tworzenia podstawowych układów pracy wzmacniacza operacyjnego.





2. Wprowadzenie teoretyczne


Pierwsze wzmacniacze operacyjne opracowane w latach 40-tych i 50-tych służyły wówczas tylko do wykonywania podstawowych operacji matematycznych (np. dodawanie, odejmowanie, całkowanie, różniczkowanie sygnałów), stąd też pochodzi ich nazwa. W miarę udoskanalania własności wzmacniaczy rozszerzał się zakres ich zastosowań. Gwałtowny wzrost zainteresowania wzmacniaczami operacyjnymi nastąpił w związku z masowym ich wytwarzaniem w postaci monolitycznych układów scalonych o bardzo dobrych własnościach i niewysokiej cenie. Wzmacniacz operacyjny dzięki swemu uniwersalnemu zastosowaniu jest obecnie podstawowym, najbardziej rozpowszechnionym analogowym układem scalonym.
Pojęcie wzmacniacz operacyjny oznacza wzmacniacz o sprzężeniach bezpośrednich, charakteryzujący się bardzo dużym wzmocnieniem i przeznaczony z reguły do pracy z zewnętrznym obwodem ujemnego sprzężenia zwrotnego, przy czym własności tego obwodu decydują w głównej mierze o własnościach całego układu. Większość wzmacniaczy operacyjnych ma symetryczne (różnicowe) wejścia i niesymetryczne wyjścia (rys.1).


Rys.1 Wzmacniacz operacyjny
A. Symbol ogólny,   B. Najprostszy schemat zastępczy


Sygnał wejściowy doprowadzony między wejścia wzmacniacza jest nazywany sygnałem różnicowym Uwer. Napięcie wyjściowe Uo jest proporcjonalne do wartości sygnału różnicowego.

Uo = Kur(U1 - U2) = Kur * Uwer

przy czym:
U1, U2 - napięcia wejściowe
Uo - napięcie wyjściowe
Kur - wzmocnienie napięciowe wzmacniacza z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego
Uwer - różnicowe napięcie wejściowe
I1, I2 - prądy wejściowe


Idealny Rzeczywisty
Wzmocnienie różnicowe Ku nieskończ. 104 - 106
Wzmocnienie sumacyjne Kw 0 różne od 0
Współczynnik tłumienia sygnału wspólnego CMRR nieskończ. 104 - 108
40 - 80 [dB]
Wejściowe napiępcie niezrównoważenia 0 2 - 5 [mV]
Zakres zmian napięcia wyjściowego -15 do +15 [V] -13 do +14 [V]
Czas propagacji tn 0 0.3 [µs]
Rezystancja wejściowa różnicowa Rwer nieskończ. >1M [Om]
Rezystancja wejściowa sumacyjna Rwes nieskończ. >1M [Om]
Rezystancja wyjściowa Rwy 0 10 - 100 [Om]
Szerokość pasma przenoszonych częstotliwości nieskończ. korygowana przez obwód RC

Tabela.1. Parametry idealnego i rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego






2.1 Parametry wzmacniaczy operacyjnych


a) Wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą (Kur)


Rys.2   Charakterystyka przejściowa wzmacniacza operacyjnego

Wzmocnienie napięciowe z otwartą pętlą Kur jest to stosunek zmiany napięcia wyjściowego Uo do wywołującej ją zmiany napięcia wejściowego (U1-U2), czyli
Kur = dUo/d(U1-U2) [V/V], lub Kur = 20log(dUo/d(U1-U2)) [dB].


b) Wejściowe napięcie niezrównoważenia (Uwen)

Rys.3   Ilustracja wejściowego napięcia niezrównoważenia

Jest to wartość napięcia stałego, którą należy doprowadzić do wejścia różnicowego, aby napięcie stałe na wyjściu było równe zeru.


c) Wyjściowe napięcie niezrównoważenia (Uwyn)

Rys.4   Ilustracja wyjściowego napięcia niezrównoważenia

Jest to napięcie stałe między wyjściem a masą, przy zaciskach wejściowych zwartych z masą.


d) Współczynnik cieplny wejściowego napięcia niezrównoważenia
Jest to stosunek zmiany wejściowego napięcia niezrównoważenia do powodującej ją zmiany temperatury, wyrażony w µV/oC


e) Wejściowy prąd polaryzujący (Iwe)
Jest to wartość średnia arytmetyczna prądów wpływających do wejścia odwracającego i nieodwracającego wzmacniacza zrównoważonego, Iwe = (I1 + I2)/2.


f) Wejściowy prąd niezrównoważenia (Iwen)

Rys.5   Ilustracja wejściowego prądu niezrównoważenia

Stanowi różnicę wartości prądów stałych wpływających do wejść, gdy napięcie wyjściowe jest równe zeru, tzn.
Iwen = I1 - I2, przy Uo = 0.


g) Współczynnik wzmocnienia napięciowego sygnału współbieżnego (Kus)

Rys.6   Ilustracja współczynnika wzmocnienia
napięciowego sygnału współbieżnego

Jest równy stosunkowi zmiany napięcia wyjściowego (dUo) do wywołującej ją zmiany napięcia sygnału współbieżnego (dUs), czyli Kus = dUo/dUs.


h) Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego CMRR
Idealny wzmacniacz operacyjny powinien wzmacniać sygnał różnicowy, a całkowicie tłumić sygnał współbieżny. Współczynnik CMRR określa w jakim stopniu wzmacniacz rzeczywisty różni się pod tym względem od idealnego. Definiuje się go jako stosunek wzmocnienia sygnału różnicowego Kur do wzmocnienia sygnału współbieżnego, czyli CMRR = Kur/Kus [dB].


i) Rezystancja wejściowa różnicowa (Rwer)
Jest to reyzstancja pomiędzy wejściem odwracającym i nieodwracającym, Rwer = |(U1 - U2)/(I1 - I2)|.


j) Rezystancja wejściowa sumacyjna (Rwes)
Jest to rezystancja pomiędzy zwartymi wejściami wzmacniacza a masą, Rwes = (U1 + U2)/(I1 + I2).


k) Rezystancja wyjściowa (Rwy)
Jest to stosunek napięcia wyjściowego (Uo) do prądu wyjściowego (Io), przy U1 = U2 = 0.


l) Szerokość pasma przenoszonych częstotliwości (B)
Jest to szerokość pasma mierzona od prądu stałego (f=0) do częstotliwości fg, przy której wartość wzmocnienia Kur maleje o 3dB w stosunku do wartości Kur dla prądu stałego.


Z punktu widzenia zastosowań korzystne jest aby Kur, CMRR, Rwe i B były jak największe, a pozostałe parametry wzmacniacza jak najmniejsze.





2.2 Struktura wewnętrzna wzmacniacza ULY 7741N


Wzmacniacz operacyjny ULY 7741N jest polskim odpowiednikiem wzmacniacza µA 741 opracowanego przez firmę Fairchaid Semiconductor. Układ µA 741 należy do drugiej generacji wzmacniaczy i jest do chwili obecnej najpowszechniej stosowanym wzmacniaczem operacyjnym.
Tranzystory T1 - T7 tworzą stopień wejściowy wzmacniacza. Wzmocnienia prądowe tranzystorów T1 i T2 wynoszą ok. 200. Bazy tranzystorów T3 i T4, a także kolektory T1 i T2 (za pośrednictwem tranzystorów T8 i T9) są zasilane ze źródła prądowego T10 i T11. Taki system zasilania uniezależnia prąd zasilający stopień wejściowy od wzmocnienia prądowego tranzystorów bocznych T3 i T4.
Drugim stopniem wzmacniającym jest układ Darlingtona (T16 i T17). Tranzystor T17 jest obciążony źródłem prądowym T12 i T13, co zapewnia duże wzmocnienie napięciowe tego stopnia. Między wyjściem i wejściem drugiego stopnia znajduje się kompensujący kondensator scalony C1 typu MOS. Dzięki dużej rezystancji wejściowej drugiego stopnia wzmacniającego (ok. 1M[Om]), niewielka pojemność (ok. 30pF) wystarcza do uzyskania odpowiedniego nachylenia charakterystyki wzmocnienia w funkcji częstotliwości.


Rys.7   Schemat ideowy wzmacniacza ULY 7741N

Na wyjściu wzmacniacza znajduje się konwencjonalny układ komplementarny T14 i T20, pracujący w klasie AB dzięki spolaryzowaniu go prądem ok. 60µA. Układ jest zabezpieczony przed przekroczeniem prądu wyjściowego w obu kierunkach. Dodatni prąd wyjściowy jest ograniczony do wartości 25mA. Przy przekroczeniu tej wartości następuje odblokowanie tranzystora T15 w rezultacie wzrostu spadku napięcia na rezystancji R9. Przy zbyt dużym prądzie ujemnym spadek napięcia na rezystorze R11 powoduje przewodzenie tranzystora T22.
We wzmacniaczu ULY 7741N istnieje możliwość kompensacji wejściowego napięcia niezrównoważenia przez włączenie potencjometru pomiędzy emitery tranzystorów T5 i T6, których końcówki są wyprowadzone na zewnątrz. Regulacja potencjometrem (10k) powoduje rozsymetryzowanie prądów emiterów T5 i T6.





2.3 Układy pracy wzmacniacza




Rys.8  Układ wzmacniacza odwracającego fazę

W układzie (rys.8) zastosowano ujemne równoległe napięciowe sprzężenie zwrotne (rezystor R2).
Zakładamy, że wzmocnienie napięciowe wzmacniacza z otwartą pętlą Kur zmierza do niekończoności, stąd wejściowe napięcie różnicowe Ur=Uo/Kur zmierza do zera. Ze względu na dużą rezystancę wejściową wzmacniacza prąd wejściowy I3 jest znikomo mały (bliski zeru).
Potencjał w punkcie Z jest zatem w przybliżeniu równy potencjałowi na wejściu nieodwracającym, a więc jest bliski potencjałowi masy, gdyż przez rezystor R3 nie płynie żaden prąd. Z tego powodu punkt Z jest zwany punktem masy pozornej. Ponieważ prąd wejściowy jest bliski zeru, więc przyjmujemy że prądy wejściowe są równe i przy uwzględnieniu, że potencjał w punkcie Z jest równy zeru, otrzymuje się z prawa Kirchhoffa, iż U1/R1 = -Uo/R2. Wynika stąd wzór na wzmocnienie napięciowe wzmacniacza odwracającego
Kuf = Uo/U1 = -I2R2/I1R1, stąd Kuf = -R2/R1.
Rezystancja wejściowa wzmacniacza odwracającego jest równa R1 (Rwe=R1), gdyż rezystancja widziana między punktem masy pozornej Z a masą jest pomijalnie mała. Wartość R3 dobiera się równą rezystancji połączenia równoległego R1 i R2, co daje najlepszą kompensację błędu spowodowanego napięciem niezrównoważenia.



Rys.9   Układ wzmacniacza nieodwracającego fazy

W układzie tym (rys.9) sygnał wejściowy jest doprowadzany do wejścia nieodwracającego, zaś część sygnału wyjściowego przez dzielnik rezystorowy do wejścia odwracającego. Zastosowano więc tutaj ujemne szeregowe napięciowe sprzężenie zwrotne.
Podobnie jak w poprzednim układzie przyjmuje się, że Kur zmierza do nieskończoności więc Ur jest bliskie zeru. Z założenia, że wejściowe prądy polaryzujące są równe zeru, wynika równość prądów I1 i I2 (I1=I2). Zatem U2=I1R1, Uo=I1(R1+R2), stąd wzmocienie wzmacniacza nieodwracającego wynosi
Kuf = Uo/U2 = I1(R1+R2)/I1R1,   Kuf = 1 + R2/R1.
Rezystor R3 stosuje się dla zmniejszenia wpływu prądów polaryzujących. Rezystancja wejściowa układu jest bardzo duża.



Rys.10  Układ wtórnika napięciowego

Wtórnik napięciowy (rys.10) jest wzmacniaczem o wzmocnieniu równym jedności. Otrzymujemy go ze wzmacniacza nieodwracającego przez odłączenie rezystora R1, a więc zastosowanie pełnego ujemnego sprzężenia zwrotnego. Układ charakteryzuje się bardzo dużą rezystancją wejściową i małą wyjściową. Wartość rezystancji R2 należy dobierać równą rezystancji wewnętrznej źródła sygnału wejściowego.



Rys.11   Układ wzmacniacza różnicowego

Wzmacniacz różnicowy otrzymujemy przez połączenie układów wzmacniacza odwracającego i nieodwracającego. Przyjmując idealne własności wzmacniacza operacyjnego i oznaczając przez U1' i U2' napięcia na wejściu odwracającym i nieodwracającym w stosunku do masy, można zapisać równanie bilansu prądów (U2-U2')/R3 = U2'/R4   oraz    (U1-U1')/R1 = (U1'-Uo)/R2.
Przy Kur zmierzającym do nieskończoności napięcie U1'=U2', wówczas napięcie wyjściowe równe jest
Uo = (R1+R2)/(R3+R4)(R4/R1)U2 - (R2/R1)U1.
Dobierając rezystory tak, że R2/R1 = R4/R3 uzyskuje się napięcie wyjściowe proporcjonalne do różnicy napięć wejściowych Uo = R2/R1(U2-U1). Rezystancje wejściowe obu wejść nie są jednakowe. Rezystancja wejścia pierwszego wynosi R1, a drugiego R3+R4.



Rys.12   Układ wzmacniacza sumującego

Podobnie jak we wzmacniaczu odwracającym, punkt Z jest masą pozorną stąd wartości prądów wejściowych wynoszą I1 = U1/R1, I2 = U2/R2, ... In = Un/Rn. Prąd I płynący przez rezystor R5 sprzężenia zwrotnego wynosi I = I1 + I2 +...+ In. Napięcie wyjściowe Uo = -RsI, stąd Uo = -Rs(U1/R1 + U2/R2 +...+ Un/Rn). Przy doborze jednakowych wartości rezystorów R1 = R2 =...= Rn = R, otrzymujemy Uo = -Rs/R(U1 + U2 +...+ Un), a więc uzyskuje się algebraiczne sumowanie napięć. Rezystancje wejściowe układu widziane z każdego z wejść wynoszą odpowiednio R1, R2,..., Rn.





3. Dokumentacja techniczna modelu


Wykonane urządzenie zostało maksymalnie zminimalizowane, o czym świadczą jego niewielkie wymiary. Obudowa wykonana została w formie pulpitu z wyodrębnieniem płyty głównej oraz panelu sterowania. Na płycie głównej zostały umieszczone schematy poszczególnych układów pomiarowych, gniazda radiowe spełniające funkcję punktów pomiarowych oraz gniazdo wejściowe generatora typu BNC. Niespotykanym dotąd rozwiązaniem jest sposób wykonania płyty głównej tzn. zastosowano biały kolor do przedstawiania schematów na czarnej płytce, co sprawia że jest ona bardziej czytelna i tworzy z obudową wykonaną właśnie w czarnym kolorze jednolitą całość. Panel sterowania umieszczony został pod kątem prostym w stosunku do płyty głównej, przez co praca z urządzeniem staje się łatwa i przyjemna. Na panelu tym znajduje się zespół przycisków oraz cztery regulowane potencjometry obrotowe spełniające funkcje podane na schematach na płycie głównej oraz opisane w dalszej części dokumentacji technicznej. Nowatorskim rozwiązaniem zastosowanym w urządzeniu jest blok sterowania wykonany za pomocą techniki cyfrowej. Funkcję tradycyjnych przełączników (np. typu isostat) spełniają niewielkie, estetycznie wyglądające, niestabilne przyciski, które ze względu na realizowane funkcje podzielić można na trzy grupy.
Pierwsza to przycisk STAND BY/ON, którego każdorazowe naciśnięcie powoduje załączenie urządzenia lub przejście w stan czuwania (funkcja ta zostanie omówiona w dalszej części). Do drugiej grupy należą przciski oznaczone cyframi 1 - 4 realizujące funkcję przełączania sygnału z generatora do poszczególnych układów pomiarowych. Trzecią grupę stanowią przyciski oznaczone literami A - D realizujące funkcję wyłączników zwierających obwody w poszczególnych układach pomiarowych.
Stan pracy poszczególnych elementów układu sterowania sygnalizowany jest świeceniem diod elektroluminescencyjnych o barwach odpowiadających barwom przycisków.


Rys.14   Widok płyty głównej i panelu sterowania

Wspomniana funkcja czuwania działa w ten sposób, że po każdorazowym włożeniu wtyczki zasilającej do gniazdka sieciowego urządzenie przechodzi w stan czuwania. Jest to stan, w którym napięcie z sieci pobierane jest wyłącznie do sygnalizacji tego stanu poprzez świecenie diody D11 w kolorze czerwonym, która znajduje się nad przyciskiem STAND BY/ON. Przyciśnięcie tego przycisku powoduje przejście urządzenia w stan załączenia tzn. włączenie napięć zasilających wszystkie układy zarówno wzmacniaczy operacyjnych jak i całego bloku sterowania. Kolejne przyciśnięcie przycisku powoduje ponowne przejście urządzenia w stan czuwania.
Główną zaletą omówionej funkcji jest brak konieczności stosowania wyłączników sieciowych o znacznych gabarytach jak też wymagających użycia znacznej siły potrzebnej do jego załączenia, w porównaniu do przycisku niestablinego. Funkcję takiego wyłącznika sieciowego spełnia w tym przypadku przekaźnik sterowany układem cyfrowym oraz wspomnianym przyciskiem.
Innym ciekawym rozwiązaniem jest wyposażenie płyty głównej w złącze krawędziowe umieszczone wewnątrz urządzenia. W razie wystąpienia konieczności dostępu do elementów elektronicznych wewnątrz modelu, podczas demontażu płyty głównej wtyk zostaje odłączony i płyta główna stanowi odrębną część, co pozwala na swobodny dostęp do wszystkich płytek drukowanych znajdujących się wewnątrz urządzenia.
W tylnej części urządzenia znajduje się gniazdo zasilające, którego zastosowanie powoduje, iż podłączenie urządzenia do sieci następuje za pomocą oddzielnego standardowego kabla zasilającego.
Ochronę przeciwporażeniową zapewnia bezpiecznik (topikowy), umieszczony w tylnej części urządzenia oraz materiał z którego wykonana została obudowa. Jest to tekstolit charakteryzujący się bardzo dobrymi właściwościami dielektrycznymi.





3.1 Zasada działania układu zasilania



Rys.15   Schemat blokowy układu zasilania

Zasadę działania rozpatrzyć najlepiej na następującym przykładzie (schemat ideowy układu zasilania przedstawiony na rys.16):
Wkładamy wtyczkę zasilającą do gniazda sieciowego. Napięcie zmienne z sieci poprzez bezpiecznik podane jest bezpośrednio na stronę pierwotną transformatora TR1. Napięcie zmienne po stronie wtórnej zostaje wyprostowane przez mostek Graetz'a i podane na wejście scalonego stabilizatora ULY 7805 (US6), które na wyjściu utrzymuje stałą wartość napięcia równą +5V.


Rys.16   Schemat ideowy układu zasilania

Na wejściu i wyjściu stabilizatora znajdują się kondensatory C12 i C13. Kondensator C12 pracuje jako filtr wygładzający napięcie tętniące, pochodzące z mostka Graetz'a. Kondensator C13 kompensuje nagłe spadki napięcia na wyjściu stabilizatora spowodowane szybkimi zmianami prądu obciążenia. Następnie napięcie zasilające +5V podane zostaje na układy US9 i US10 oraz na układ całkujący znajdujący się na wejściu B przerzutnika monostabilnego UCY 74121 (US9). Stała czasowa układu całkującego R33,C3 opóźnia podanie zbocza narastającego na wejście B w stosunku do podania napięcia zasilającego do układów US9 i US10, w celu poprawnego działania całego układu. Następnie układ przerzutnika monostabilnego US9 generuje na wyjściu nie-Q krótki impuls (poziom niski L) o czasie trwania równym stałej czasowej obwodu R34,C4. Impuls ten podany zostaje na wejście kasujące nie-R układu przerzutnika D (US10), który na wyjściu Q ustala poziom L. Wtedy sygnał na poziomie wysokim H na wyjściu nie-Q przerzutnika D polaryzuje jedną z dwóch anod diody D11 odpowiadającą za świecenie w kolorze czerwonym.
W tym momencie układ znajduje się w pozycji czuwania, oczekiwania na naciśnięcie przycisku STAND BY/ON. Naciśnięcie tego przycisku powoduje pojawienie się zbocza narastającego na wejściu C przerzutnika D. Przerzutnik D pracujący w konfiguracji przerzutnika T zmienia stan na wyjściu Q na przeciwny (w tym momencie poziom H), który wysterowuje tranzystor T1, a ten powoduje przepływ prądu przez cewkę przekaźnika głównego Pg i zwarcie jego styków wykonawczych. Stan ten jest sygnalizowany świeceniem diody D11 w kolorze zielonym. Rezystor R35 zapewnia przejście poziomu napięcia na wejściu C przerzutnika D z 0 na 1 (z poziomu L na H) przy każdorazowym naciśnięciu przycisku STAND BY/ON. Kondensator C5 tłumi zakłócenia powstałe podczas przełączania styków przycisku. Zwarty zestyk SPg1 przekaźnika głównego powoduje podanie napięcia zasilającego do układu przerzutnika monostabilnego (US11) oraz do wszystkich układów pracujących w bloku sterowania. Na wejściu przerzutnika monostabilnego US11 (podobnie jak dla układu US9) znajduje się układ całkujący (R38,C6), który opóźnia podanie zbocza narastającego na wejście B przerzutnika, w stosunku do momentu podania napięcia zasilającego przerzutnik US11. Przerzutnik monostabilny generuje na wyjściu Q i nie-Q krótki impuls o czasie trwania określonym przez stałą czasową obwodu R39,C7. Impuls ten wykorzystany jest w bloku sterowania do zerowania przerzutników, tzn. ustalenia na ich wyjściu poziomu L. W tym celu zostało wykorzystane zarówno wyjście Q i nie-Q przerzutnika.
Drugi zestyk przekaźnika głównego SPg2 powoduje podanie napięcia zmiennego z sieci 220V na stronę pierwotną trasformatora TR2. Po stronie wtórnej znajdują się dwa uzwojenia, których wspólny odczep połączony został z masą, a dwa pozostałe odczepy doprowadzone są do stabilizatora napięcia zrealizowanego również na scalonych układach ULY 7815 i ULY 7915 (US7, US8) o napięciach wyjściowych +15V, -15V. Napięcia te zostają wykorzystane do zasilania wzmacniaczy operacyjnych.





3.2 Zasada działania bloku sterowania


Do bloku sterowania należy osiem przerzutników D, z których cztery (US14, US15) pracują w konfiguracji zależnej i realizują przełączanie sygnału z wejścia generatora oraz pozostałe cztery realizujące funkcję zworek (US12, US13). Wejścia D przerzutników połączone zostały z wyjściami nie-Q, tzn. że przerzutniki D pracują w konfiguracji przerzutników T, charakteryzujących się tym, że każdy impuls podany na wejście zegara C powoduje zmianę stanu na wyjściu Q na przeciwny.
Rezystory R8 - R15 połączone z masą zapewniają stan niski na wejściu C przy rozwartych stykach przycisków. Naciśnięcie przycisku powoduje zmianę stanu na wejściu C na wysoki i zadziałanie przerzutnika D - pojawienie się stanu wysokiego na wyjściu Q. Stan ten wysterowuje tranzystor i powoduje przepływ prądu przez cewkę przekaźnika, a tym samym zwarcie jego styków czynnych. Każdy stan wysoki na wyjściu Q sygnalizowany jest świeceniem diod LED (D12 - D19). Rezystory R16 - R23 ograniczają prąd diod LED.
Na wejścia RESET (nie-R) przerzutników D podany jest sygnał z generatora monostabilnego US11. Układ ten w chwili załączenia krótkim impulsem kasuje wszystkie przerzutniki D, tzn. ustala na ich wyjściach Q poziom L. W układzie przełącznika sygnału generatora (US14, US15) występuje układ kombinacyjny, realizujący funkcję zależnego przełącznika styków wykonawczych przekaźników P1 - P4.


Rys.17   Schemat ideowy bloku sterowania

Układ ten działa tak, że naciśnięcie np. przycisku 3 powoduje skasowanie przerzutników 1,2 i 4. Wtedy sygnał z generatora pojawia się tylko na wyjściu G3 (rys.17). Następne naciśnięcie np. przycisku 1 powoduje skasowanie przerzutników 2,3 i 4 oraz przełączenie sygnału z generatora tylko na wyjście G1. Ponowne naciśnięcie tego samego rozłącza styk SP1, a tym samym sygnał z wejścia generatora nie jest podany do żadnego z wyjść G1 + G4. Funkcja realizująca powyższy algorytm przedstawiona została w sposób logiczny na poniższym rysunku.


Rys.18   Tabela Karnafa dla wejścia kasującego nie-R1,
oraz funkcje logiczne każdego z wejść kasujących

Brak możliwości otrzymania na rynku układów scalonych, zawierających czterowejściowe bramki AND lub czterowejściowe bramki NOR, spowodowało konieczność użycia większej liczby bramek, co widać na trzech równoważnych logicznie poniższych schematach.



Rys.19   Funkcja realizująca kasowanie wejść,
A. Bramki AND i NOT, B. Bramka NOR, C. Bramki NAND i NOT.

Ostatecznie wykorzystano czterowejściowe bramki NAND (US16, US17) oraz inwertery (US18,US19).






3.3 Opis złącza płyty głównej



Rys.20   Opis końcówek złącza krawędziowego
płyty głównej





3.4 Spis elementów


Element Wartość
Układy scalone
US1 - US5 UCY 7741
US6 ULY 7805
US7 ULY 7915
US8 ULY 7815
US9, US11 UCY 74121
US10, US12 - US15 UCY 7474
US16, US17 UCY 7420
US18, US19 UCY 7404
Tranzystory
T1 BC 237
T2 - T10 BC 413, BC 414
Kondensatory
C1 470pF
C2 2µF
C3 47µF
C4 220µF
C5 10nF
C6 47µF
C7 100µF
C8, C9 220µF/25V
C10, C11 1µF/25V
C12 1000µF/16V
C13 10µF/16V
C14 - C32 47µF (tantalowe)
Transformatory
TR1 TS 6/28
TR2 TS 6/42
Diody
D1 - D8 1N4002
D11 LED dwukolorowa
D12 - D15 LED czerwona
D16 - D19 LED żółta
Rezystory
R1, R2 20k
R3 100k
R4, R24 - R32, R36 1k
R5, R6 100
R7 10k
R8 - R15 470
R16 - R23, R37 270
R33, R38 1,5k
R34, R39 15k
R35 820
Potencjometry
P1 1M (podwójny)
P2 4,7M
P3 100
P4 10k
Przekaźniki
Pg 5V, przełączający napięcia do 220V
P1 - P4 5V, kontaktronowe, bistabilne SIEMENS
Pa - Pd 5V, kontaktronowe, bistabilne SIEMENS
Złącze krawędziowe
Z1 35pin

Tabela.2. Spis elementów elektronicznych





4. Pomiary parametrów wzmacniacza


Zasadniczą częścią urządzenia jest blok wykonawczy do którego należą wszystkie układy pomiarowe 1-5. Poniżej przedstawione zostały schematy ideowe tych układów oraz metody pomiaru poszczególnych parametrów.




4.1. Układ 1 - Pomiar Kur, Rwer, Rwy, B

Za pomocą układu pierwszego można przeprowadzić pomiar takich parametrów jak: wzmocnienie napięciowe, rezystancję wejściową różnicową, rezystancję wyjściową szerokość pasma przenoszonych częstotliwości.


Rys.21   Schemat ideowy układu 1


a) Pomiar wzmocnienia napięciowego (Kur)
Wartości elementów rezystancyjnych dobrano w taki sposób, aby ułatwić przeprowadzenie pomiaru i zwiększyć jego dokładność. Wiąże się to z właściwościami wzmacniaczy operacyjnych pracujących bez pętli sprzężenia zwrotnego - szybkie nasycenie przy bardzo niskim poziomie napięcia różnicowego. Stąd potrzeba wyznaczenia wzmocnienia przy zamkniętej pętli.
Poza tym pomiar napięcia Uwe o niewielkiej wartości nastręcza sporych kłopotów. Dlatego mierzy się napięcie U1 o znacznie większej wartości w punkcie V2. Umożliwia to dzielnik napięcia R3, R4 o tak dobranych wartościach rezystancji, aby U1 >> Uwe. Pojemność C1 redukuje szumy w zakresie wielkich częstotliwości.
Pomiar przeprowadza się następująco: naciskamy przycisk A zwierając potencjometr P1, który nie jest wykorzystany do pomiaru wzmocnienia napięciowego. Zworka B pozostaje rozwarta. Następnie naciskamy przycisk 1 przełącznika generatora w celu dostarczenia do układu 1 sygnału z generatora o zadanej częstotliwości np. 100Hz i odpowiedniej amplitudzie. Po zmierzeniu napięć w punktach V2 i V3 wzmocnienie napięciowe wzmacniacza z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego wylicza się ze wzoru Kur = 101 U2/U1, gdyż U1 = (R3 + R4)/R4 Uwe = 101Uwe.

Lp. U1 [mV] U2 [V] (R3+R4)/R4 [-] Ku [V/V]
1.        
2.        
3.        
4.        
5.        

Tabela.3   Tabela pomiarowa Kur.


b) Pomiar szerokości pasma przenoszonych częstotliwości (B)
Pomiar szerokości pasma przenoszonych częstotliwości przeprowadza się w podobnych warunkach jak przy pomiarze wzmocnienia napięciowego, tzn. zwarta zworka A i rozwarta zworka B. Pamiętając o utrzymywaniu na wejściu stałej wartości amplitudy sygnału z generatora zmieniamy jego częstotliwość od zera do kilkuset kHz. Mierzymy wartość napięcia U1 w punkcie V2 oraz U2 w punkcie V3. Obliczamy wzmocnienie napięciowe (ze wzoru jak w podpunkcie a) obserwując jego spadek dla wysokich częstotliwości. Staramy się uchwycić częstotliwość, dla której wzmocnienie Ku = 0.7 Kumax (3dB spadek wzmocnienia). Jest to częstotliwość, która określa szerokość pasma przenoszonych częstotliwości przez wzmacniacz operacyjny.

Lp. f [Hz] U1 [mV] U2 [V] Ku [V/V]
1.        
2.        
3.        
4.        
5.        
6.        
7.        
8.        
9.        
10        
11.        
12.        
13.        
14.        
15.        

Tabela.4   Tabela pomiarowa B


c) Pomiar rezystancji wejściowej różnicowej (Rwer)
Pomiar ten można wytłumaczyć na poniższym schemacie zastępczego układu pomiarowego.


Rys.22   Schemat ideowy
zastępczego układu pomiarowego

Ua/ Ub = (R+Rwe)/ Rwe
Na podstawie znajomości stosunku Ua/Ub i rezystancji nastawnej R można wyznaczyć Rwe.
Jeżeli np. Ua/Ub = 2 to Rwe = R. Wystarczy zmierzyć wartość napięcia wyjściowego Uawy przy zwartym za pomocą zworki A rezystorze R (potencjometr P1) i następnie odczytać wartość napięcia Ubwy przy odpowiednim nastawieniu potencjometru P1. Jeżeli napięcie Ubwy równe jest połowie napięcia Uawy, wtedy rezystancja potencjometru P1 pomnożona przez 2 (potencjometr podwójny - 2 wejścia wzmacniacza) daje rezystancję wejściową różnicową wzmacniacza operacyjnego.


Rwer ....




d) Pomiar rezystancji wyjściowej (Rwy)
Pomiar tej rezystancji wykonujemy podobnie jak w podpunkcie c. Podczas całego pomiaru zwarta jest zworka A, natomiast pomiar sprowadza się do tego, aby odczytać napięcia wyjściowe przy zwartym potencjometrze P2 (zworka B) oraz przy jego nastawie na rezystancję odpowiedającą dwukrotnie mniejszej wartości napięcia wyjściowego. Wówczas Rwy = Ro.

Rwy ....





4.2. Układ 2 - Pomiar rezystancji wejściowej sumacyjnej (
Rwes)
Układ drugi to wtórnik emiterowy, za pomocą którego dokonuje się pomiaru rezystancji wejściowej sumacyjnej wzmacniacza operacyjnego.


Rys.23   Schemat ideowy układu pomiarowego
(wtórnik emiterowy)

Pomiar ten wykonuje się podobnie jak pomiar rezystancji wejściowej różnicowej oraz rezystancji wyjściowej - pkt.4.1 c) i d).

Rwes ....





4.3. Układ 3 - Pomiar współczynnika tłumienia sygnału sumacyjnego (CMRR)



Rys.24   Schemat ideowy układu pomiarowego

Współczynnik ten można wyznaczyć na podstawie pomiarów wzmocnienia różnicowego Kur i wzmocnienia sumacyjnego Kus z zależności CMRR = Uwes/Uwer. Częściej jednak współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego wyznacza się z pomiarów bezpośrednich. Sygnał wyjściowy z generatora należy tak wyregulować, aby przy częstotliwości kilku Hz otrzymać ze wzmacniacza napięcie wyjściowe rzędu kilku woltów.
Na podstawie pomiaru napięć w punktach V1 i V5 wyznacza się współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego ze wzoru CMRR = (R6 + R7)/R6 Uwe/Uwy, czyli CMRR = 101 Uwe/Uwy

Uwe ....
Uwy ....
CMRR ....





4.4. Układ 4 - Pomiar wejściowego prądu polaryzującego (
IB+)
Wejściowy prąd polaryzacji można w zasadzie zmierzyć bezpośrednio amperomierzem. Jednak w przypadku wzmacniaczy z tranzystorami polowymi należałoby użyć specjalnego przyrządu o bardzo dużej czułości, a oprócz tego cały układ pomiarowy musiałby być ekranowany przed wpływem zewnętrzych pól zakłócających. Kłopotów tych można uniknąć jeśli badany wzmacniacz połączymy w układzie wtórnika, jak to pokazano na schemacie poniżej.


Rys.25   Schemat ideowy układu pomiarowego

Z chwilą rozpoczęcia pomiaru naciskamy przycisk D przez co zworka D zostaje rozwarta, co jest sygnalizowane świeceniem diody LED (UWAGA! odwrotnie niż we wszystkich pozostałych przyciskach). Wejściowy prąd polaryzacji ładuje kondensator C2 (2µF), a napięcie na wyjściu rośnie liniowo zgodnie z zależnością  dUwy / dt = - IB+ / C2.
To zmieniające się w czasie napięcie można zmierzyć na wyjściu wzmacniacza posiadającego małą rezystancję wewnętrzną. Kondensator C2 uśrednia wprowadzane zakłócenia. Jego pojemność została dobrana tak, aby w wygodnym do zmierzenia odstępie czasu uzyskać zmianę napięcia rzędu kilkuset miliwoltów. Dla zminimalizowania błędu pomiaru spowodowanego prądami upływu, nie można dopuścić do zbyt dużego wzrostu napięcia na kondensatorze.

U1 ...... [mV]
U2 ...... [mV]
t ........ [s]
IB+ ...... [nA]





4.5. Układ 5 - Zestaw do montażu dowolnych konfiguracji pracy wzmacniacza


Układ piąty to zestaw do samodzielnego montażu układów pracy wzmacniacza operacyjnego w dowolnych konfiguracjach. Aby otrzymać sygnał z generatora w punkcie G4 należy wcisnąć przycisk 4. Pomiar sygnału z generatora dokonuje się w punkcie V1.






5. Wnioski


Wykonany model urządzenia do badania wzmacniacza operacyjnego działa prawidłowo i spełnia stawiane wcześniej wymagania.
W urządzeniu wykorzystano technikę cyfrową do zaprojektowania bloku sterowania. Jest to rozwiązanie niespotykane dotychczas w podobnych urządzeniach na pracowni elektroniki. Bloki sterowania i zasilania zostały w całości zaprojektowane przez nas. Wspomniane bloki czynią obsługę łatwiejszą i przyjemniejszą dla ucznia.
Uważamy, że model ten zostanie w pełni wykorzystany na zajęciach w Pracowni Elektroniki.

Wykonawcy modelu.





6. Bibliografia


A.Chwaleba, B.Moeschke   Pracownia elektroniczna cz.2
E.Nowaczyk, J.Nowaczyk   Podstawy elektroniki
D.Nührman   Elektronika łatwiejsza niż przypuszczasz - Technika cyfrowa
V.Tietze, Ch.Schenk   Układy półprzewodnikowe





7. Prezentacja - film wideo


Film ten przedstawia prezentację pracy dyplomowej, na dwa dni przed obroną jej w Technikum Elektronicznym w Sosnowcu wiosną 1994 roku.