Kurs: FYS 1210 Gruppe: Gruppe-dag: Oppgave: LABORATORIEØVELSE NR 7 Revidert utgave 18. mars 2013 (Lindem) Omhandler: «OPERASJONSFORSTERKERE» FORSTERKER MED TILBAKEKOBLING AVVIKSPENNING OG HVILESTRØM STRØM-TIL-SPENNING OMFORMER INTEGRATOR Utført dato: Utført av: Navn: Navn: Godkjent:dato: Godkjent av: Kommentar fra veileder:
7 Operasjonsforsterker Oppgave: Les Paynter Kapittel 22 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 Figur 1: Skjema og pinnetilkobling for LM358. v Av v ut inn R R 2 1 A. FORSTERKERE MED TILBAKEKOBLING (FEEDBACK) Operasjonsforsterkere brukes alltid med negativ tilbakekopling. Tilbakekoplingen bestemmer spenningsforsterkningen A v. 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 (V PP). 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 R 1 = 10 k og R 2 = 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 R 1 = 10 k, R 2 = 1 M bytt så ut R 2 med R 2 = 100 k. Vi skal se på frekvensresponsen til forsterkeren først med A V = 100 - deretter med A V = 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 R 2. (i samme diagram) A2. Ikke-inverterende forsterker. ( Figur 3 ) Som under A1 - Bruk komponentverdiene som vist i figur 3. R 1 = 10k, R 2 = 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 V io. Koble operasjonsforsterkeren som en spenningsfølger - med den ikke- inverterende (+) inngangen til jord. Utgangsspenningen er da lik avviksspenningen. Mål avviksspenningen V io for LM 358 B2. Hvilestrøm I B. 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. V R = RI B. Utgangsspenningen må være summen av avviksspenningen og spenningen over motstanden: Vut = Vio + R I B Beregn hvilestrømmen I B 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 R f. Som en konsekvens av Ohms lov vil da spenningen ut være gitt ved : V ut = - 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 = V i / 1 M ) Hvis V i = 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 R f = 10 k og deretter R f = 100 k. Velg V i f.eks. 5 volt, 2 volt og -2 volt. Bestem I ut fra spenningsfallet over 1 M -motstanden. Beregn V ut og sammenlign med den målte. Sett opp resultatene, sammenhørende verdier for strømmen inn (I), beregnet V ut og målt V ut 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 (I S ) i signaldioden 1N4148 og kraftdioden 1N4002 Bruk ferdig koplet kretskort Velg en stor verdi for R f, = 4,7 M, og bruk koblingen i figur 6 b som spenningskilde. Mål V i og V ut. Beregn reversstrømmen ( I S ) 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: V ut 1 C 1 I dt Vi dt RC Da inngangssignalet integreres, vil selv små avvik fra den ideelle OP-AMP kunne føre til store feil i V ut. 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 Figur 8 : Skjema for integrasjon av vekselstrømsignaler. 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. 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 V i og V ut på oscilloskopet. ( bruk begge kanalene - slik at du samtidig observerer V i og V ut ) 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 V ut? Veiledning FYS1210 : Oppgave 7 8