Kurs: FY-IN 204 Gruppe: Gruppe-dag: Oppgave: LABORATORIEØVELSE NR 6 Revidert utgave 2000-03-17 Omhandler: «OPERASJONSFORSTERKERE» FORSTERKER MED TILBAKEKOBLING SPENNINGSFØLGER STRØM-TIL-SPENNING OMFORMER AVVIKSPENNING OG HVILESTRØM INTEGRATOR Utført dato: Utført av: Navn: Navn: Godkjent:dato: Godkjent av: Kommentar fra veileder:
6 Operasjonsforsterker Litteratur: Millman: Kap. 10-21, 10-22 og 14 Oppgave: A. FORSTERKER MED TILBAKEKOBLING: Måle forsterkning som funksjon av frekvensen for tre forsterkerkoblinger. B. SPENNINGSFØLGER: Måle forsterkningen i en spenningsfølger. C. STRØM-TIL-SPENNING OMFORMER: Måle forsterkningen i en strøm-til-spenningskobling. Bruke koblingen til å måle reversstrømmen i en signaldiode. D. AVVIKSPENNING OG HVILESTRØM: Måle avvikspenningen i to operasjonsforsterkere. Måle hvilestrømmen i de samme forsterkere. E. INTEGRATOR: Utbalansere avvikspenningen i en integratorkoblet operasjonsforsterker. Integrere en likespenning og noen vekselstrømsignaler Formålet med denne oppgaven er å bli kjent med to typer operasjonsforsterkere som finnes i form av integrerte kretser noen av deres anvendelsesmuligheter og begrensninger i forhold til den ideelle operasjonsforsterker. OPERASJONSFORSTERKERNE. Den integrerte kretsen LM 358 inneholder to ordinære, lavpris operasjonsforsterkere på samme brikke. Den kan brukes med ensidig spenningstilførsel. Pinne 4 til jord og pinne 8 til en spenning mellom 3 og 30 V. Vi vil bruke den med symmetrisk spenningstilførsel som vist i fig. 1. Figur 1: Skjema og pinnetilkobling for LM358. Til noen av forsøkene vil vi bruke en forsterker av bedre kvalitet, LF 356, med felteffekttransistor inngang. Den har stor inngangsimpedans. høy stabilitet, lav avvikspenning og hvilestrøm. Den kan arbeide med symmetrisk spenningsforsyning i området 5-20 volt. Vi vil Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 6 2
bruke + 12 volt. Den har dessuten særskilte tilkoblinger for nulljustering av avviksspenningen (INPUT OFFSET VOLTAGE). Tilkoblingene er vist i figur 2. Figur 2: Skjema og pinnetilkobling for LF356. A. FORSTERKERE MED TILBAKEKOBLING Les Millman: Kapittel 12. Forsterkningen kan bestemmes ved å måle amplituden av signalene inn og ut (V i og V ut ) med et oscilloskop,. I alle tilfelle er det nødvendig å se på utgangen med oscilloscop for å kontrollere at utgangsignalet er harmonisk, dvs. at forsterkeren ikke overstyrer. Å måle forsterkningen for hver frekvens på denne måte er tidkrevende, og det kan med fordel automatiseres. Fig. 3 viser oppkoblingen som skal benyttes her. Fig. 3 : Skjema for målingene Signal-generatoren som skal brukes heter PM 5135. Den har mulighet for automatisk frekvens-sweep, dvs. frekvensen kan varieres kontinuerlig fra en lav til en høyere frekvens, mens amplituden på utgangssignalet holdes konstant. Startfrekvensen bestemmes av innstilt frekvensområde og skala. Sluttfrekvensen bestemmes av kontrollen "Sweep Stop", men kan ikke være høyere enn maksimalfrekvensen til det valgte frekvensområdet. Sweep-hastighet bestemmes av kontrollen "Sweep Time". Et sweep startes med trykknappene "Sweep on "og "Trig". Man får da ett sweep, og frekvensen stopper ved den innstilte sluttverdien. I denne tilstanden kan frekvensen varieres manuelt med "Sweep Stop" kontrollen. På BNC kontakten "Sweep out", får man en spenning som er proporsjonal med logaritmen til forholdet mellom frekvensen i øyeblikket og den innstilte startfrekvensen. (Den maksimale spenningen ut er uavhengig av stopp-frekvensen). Denne spenningen brukes til å gi x- avbøyningen på skriveren. En frekvensteller kobles til "TTL OUT". For å kalibrere x-utslaget på skriveren brukes laveste sweep-hastighet. Når telleren viser en passende frekvens, senkes pennen et kort øyeblikk. Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 6 3
Voltmeteret som skal brukes, er B&O RF voltmeter RV9A med "Logarithmic Converter" Instrumentet måler rms- spenningen til signaler i frekvensområdet 10 Hz til 10 MHz. Den kan brukes med manuell eller automatisk områdevalg. Den ukjente spenningen kobles til voltmeteret. "Logarithmic Converter" kobles til RV9A med kontakten merket "DATA IN/OUT" på baksiden av RV9A. En spenning proporsjonal med logaritmen til signalet inn på RV9A tas ut på baksiden av "Logarithmic Converter", mellom bøssingene merket "Y Output(LOG)" og "Y^". Denne spenningen kobles til y-inngangen på x-y skriveren. Følsomheten er ca. 50 mv/db. "Logarithmic Converter" virker bare for følsomhetsområdene 10 V til 100 mv, dvs. den har et dynamisk område på 50 db. Den relative målefeilen blir stor når utslaget på RV9A faller til en tiendedel av fullt utslag eller lavere. Når RV9A står innstilt på automatisk områdevalg, skifter den område før utslaget blir så lite. Men ved hvert områdeskifte får man et utslag på kurven. hvilket kan være uheldig hvis signalstyrken varierer raskt. Bruk derfor lav sweephastighet. Den praktiske utførelse Forsterkerne kobles opp slik som vist i henholdsvis figur 4 og 5. Ta et signal fra utgangen på signalgeneratoren (1 khz med 40dB dempning og 0,1-0,2 V p-p). Kontroller kurveform og forventet forsterkning i kretsen med oscilloskopet. Forsterkning som funksjon av frekvensen, begge i logaritmisk skala, skal registreres på skriveren. Aksene må imidlertid kalibreres. Koble voltmeteret til forsterkerens inngang og reduser signalgeneratorens dempning i sprang på 10 db. For hver verdi avleses et merke/strek på papiret. Deretter settes dempningen tilbake til 40 db, og voltmeteret kobles til forsterkerens utgang. Signalgeneratoren brukes med frekvensen satt til 0,1 10kHz. Stopp-frekvensen settes tilstrekkelig høyt til å dekke hele det dynamiske område for den "Logarithmic Converter". Mål frekvensen med frekvenstelleren. Trykk inn "Single Sweep" og bruk "frekvens stopp"- kontrollen til å gi ut 1, 5, 10 khz osv., i det du lager tilsvarende merker på x-akse. Når du har kalibrert aksene,bør du ikke endre noen av innstillingene slik at du kan registrere alle 3 oppkoblingene på samme ark Figur 4 : Skjema for inverterende forsterker. I alle 3 forsterkerne brukes LM358 med + 12 V spenningsforsyning. A1. Inverterende forsterker. Bruk koblingen i figur 4, og følgende sett av motstander: A1.1. R 1 = 10 kω og R 2 = 1 MΩ A1.2. R 1 = 10 kω og R 2 = 100 kω Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 6 4
A2. Ikke-inverterende forsterker. Bruk komponentverdiene som vist i figur 5. Figur 5: Skjema for ikke-inverterende forsterker. Mål forsterkningen for harmoniske svingninger som funksjon av frekvensen for de tre forsterkerkoblingene. Tegn opp resultatene for alle 3 med spenningsforsterkning i db som funksjon av frekvensen (kalibrert, logaritmisk skala på begge akser). B. SPENNINGSFØLGER. Les Millman Kapittel 10-21. Figur 6: Skjema for spenningsfølger Bruk koblingen i figur 6, uten de stiplede motstander. Velg 5-6 verdier av V i mellom +10 V og -10 V og mål de tilsvarende verdier av V ut. Innstill V i på en verdi mellom 1 og 2 volt. Mål endringen i spenning når V i belastes med 10 kω. Mål den tilsvarende endring når V ut belastes på samme måte. Hva er fordelen med en spenningsfølger? Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 6 5
C. STRØM-TIL-SPENNING OMFORMER. Les Millman Kapittel 10-22. Kretsen vist i figur 7 gir forbindelsen V ut = I R f Figur 7: Skjema for strøm-til-spenning omformer. Figur 8: a. Enkel strømkilde. b. Kobling for reversstrøm i diode C1. Bruk en strømkilde som i figur 8a. Velg først R f = 10 kω og deretter R f = 100 kω. Velg V i f.eks. 6 volt, 2 volt og -2 volt. Bestem I ut fra spenningsfallet i 1 MΩ -motstanden. Beregn V ut fra den gitte formel og sammenlign med den målte. Sett opp resultatene i en oversiklig tabell. C-2. Reversstrøm i en signaldiode. Velg en stor verdi for R f, f.eks. 4,7 MΩ, og bruk koblingen i figur 8b som spenningskilde. Mål V i V ut og reversstrøm i en signaldiode for reversspenningene 1 V, 2 V og 5 V. Vær forsiktig med spenning i diodens forover-retning. D. AVVIKSSPENNING OG HVILESTRØM FOR OPERASJONSFORSTERKERE. Les Millman Kapittel 14-6. En virkelig operasjonsforsterker er ikke helt lik den ideelle operasjonsforsterker som vi regner med i den enkleste modell. Vi skal bestemme to parametere som er viktige ved nøyaktige målinger: Avviksspenning (på engelsk INPUT OFFSET VOLTAGE). hvilestrøm (på engelsk INPUT BIAS CURRENT). Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 6 6
D1. Avviksspenning V io. Koble operasjonsforsterkeren som spenningsfølger (Fig. 6), men med den ikke- inverterende inngangen til jord. Utgangsspenningen er da lik avviksspenningen. Mål denne for de to forsterkerne LM 358 og for LF 356 (uten å bruke tilkoblingen for nulljustering). D2. Hvilestrøm I B. Sett inn en stor motstand, (f.eks. 10 MΩ) mellom jord og den ikke inverterende inngangen. Spenningsfallet over denne er da R I B, og utgangsspenningen blir Vut = Vio + R IB Bestem I B for de samme to operasjonsforsterkerne. E. INTEGRATOR Les Millman Kapittel 10-22. Analog integratoren er en nyttig krets for mange anvendelser. I sin enkleste form ser den slik ut som på fig. 9. Figur 9: Enkel integratorkobling. Utgangssignalet blir: V ut = 1 C I dt = 1 R C Vi dt Fordi inngangssignalet integreres, vil selv små avvik fra den ideelle OP-AMP over tid føre til store feil i V ut. Til en god integrator er det derfor ønskelig med en vel avbalansert operasjonsforsterker med lav input bias og offset strøm. Vi skal bruke LF 356, som har felteffekttransistor på inngangen. Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 6 7
E1. Utbalansering av avviksspenningen. Koblingen er vist i figur 10. Ved eventuelt behov har forsterkeren to ekstra tilkoblinger (se figur 3), som gjør det mulig å justere offsetspenningen til null. Det kan enkelt gjøres ved å koble opp forsterkeren med en forsterkning på ca. 10, forbinde inngangen til jord og innstille justeringspotentiometeret inntil utgangen er så nær null som mulig (< 1mV). Velg f.eks. R f = 100 kω, R i = 10 kω. Sett også en avkobling på 110-200 nf (stiplet i figuren) på utgangen for å dempe eventuelle oscillasjoner. Figur 10 : Skjema for utbalansering av avvikspenning. E2. Integrasjon av likespenning. Figur 11 : Skjema for integrering av likespenning Som C f brukes en kondensator av god kvalitet ( <10% toleranse) med liten lekkasje. Velg C f = 1µF, Ri = 1 MΩ og V i = 0,1 V. Mål tiden det tar for V ut å stige til 1 V, 3 V, 5 V og 8 V. Før opp i tabell : V ut, målt tid, og beregnet tid. Simuler kretsen i PSpice. Sammenlikne resultatene med de målte resultatene og kommenter avvik og likheter. (Simuleringsfiler kan lastes ned fra nettet. Se vedlegg1). Kondensatoren C f utlades ved en kortvarig parallell-kobling med 100Ω motstanden. Tiden måles fra når parallell-koblingen fjernes. Tidsmålingen kan gjøres med en vanlig klokke. Start strømintegratoren på nytt. Når V ut 1 V, kobles V i fra. Hvis ikke V ut holder seg rimelig konstant bør balanseringen gjentas. Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 6 8
E4. Integrasjon av funksjoner (vekselstrømsignaler). Som inngangsspenning velges nå firkantpulser, trekantkurve og sinus fra en signalgenerator. Velg en frekvens i området 100 Hz til 500 Hz. Observer V i og V ut på dobbeltstråleoscilloskopet og tegn opp V i (t) og V ut (t) med samme tidsskala. Husk målsatte akser. Sammenlign målte kurver med tilsvarende analyttisk integrerte kurver. (Husk at en trekantkurve er en brutt funksjon) Simuler integratoren med de ulike kurveformene og sammenlikne resultatet. Kommenter kort likheter og forskjekler. Bruk gjerne de nedlastbare skjemaene Integ6E2.SCH, Integ6E3.SCH og Integ6E4.SCH (Se vedlegg.) For sinus- signal, mål og fremstill grafisk forsterkningen (i db) som funksjon av frekvensen (logaritmisk skala). Et målepunkt pr. dekade er nok. Hvis signalgeneratoren ikke er nøyaktig balansert, dvs. at middelverdien av dens utgangsspenning ikke er null, vil denne middelverdi integreres opp og integratorens utgangspenning vil gå i metning. Likespenningskomponenten av signalet kan fjernes ved å ta det inn over en kondensator med avkobling til jord. Den inverterende og ikke-inverterende inngang til forsterkeren bør se samme motstand til jord, se figur 12. Hvis utgangen likevel går i metning, kan en stor motstand (f.eks. 5-10 MΩ) kobles i parallell med integrasjonskapasitansen. Figur 12 : Skjema for integrasjon av vekselstrømsignaler. Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 6 9
Vedlegg1: Simulering av integrator i PSPICE Pspice skjemaene Integ6E1.SCH til Integ6E4 kan lastes ned fra kursets hjemmeside (Klikk på simuleringsfiler under oppgave 6). For de som måtte ha tid til overs vil vi anbefale å forsøke å endre på kurveformene i Integ6E3.SCH og se hvordan integratoren klarer å følge med. Forsøk f.eks. med ulike former for sagtann kurver og kombinasjoner med sagtann og firkanter. Filene Integ6E3.sch og Integ 6E4.sch tilsvarer Integ 6E2.sch, med unntak av generatoren som er satt opp til å gi trekant og firkant signal. Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 6 10