OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

Transkriptio

1 Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö Elektroniikan laboratoriotyö OPERAATIOVAHVISTIN Työryhmä Selostuksen kirjoitti Kivelä Ari Tauriainen Tommi Tauriainen Tommi

2 1 TEHTÄVÄ Tutustuimme operaatiovahvistimen peruskytkentöihin. TAUSTAA Operaatiovahvistin on analogiaelektroniikan komponentti, jota voidaan käyttää esimerkiksi: Vahvistimena Suodattimena Vakiovirtageneraattorina Komparaattorina Summaamaan jännitteitä Integroimaan signaalia Derivoimaan signaalia Operaatiovahvistimella on kolme signaaliliitintä, joista kaksi on tuloa ja yksi on lähtö. Vahvistimelle tuodaan yleensä sekä positiivinen, että negatiivinen käyttöjännite, mutta myös yksipuolisen käyttöjännitteen käyttö on mahdollista. Operaatiovahvistimen avoimen silmukan vahvistus on ideaalisessa vahvistimessa ääretön, joten operaatiovahvistinkytkennöissä on yleensä takaisinkytkentä jompaankumpaan tuloliittimeen, jolloin vahvistus saadaan valittua vastuksien avulla halutun kokoiseksi. Sisäisesti nykyiset operaatiovahvistimet koostuvat tyypillisesti useista transistoreista, vastuksista ja kondensaattoreista. Useilla peräkkäisillä transistoreilla saadaan aikaan erittäin suuri kokonaisvahvistus. Ulkoisesti nykyiset operaatiovahvistimet ovat mikropiirejä.

3 3 3 KYTKENNÄN KOKOAMINEN Käytetyt välineet: Degem-mainframe EB-11 kortti Degem-johtopussi Kaksi yleismittaria Oskilloskooppi PC-yhteydellä Funktiogeneraattori HP 3310 Operaatiovahvistimien datalehdet

4 4 3.1 Invertoiva vahvistin Ensimmäiseksi teimme invertoivan operaatiovahvistimen kytkennän LM348 - piirin avulla. Tällä kytkennällä tulosignaalin yksityiskohdat näkyvät lähtösignaalin negatiivisella puolella. Invertoivan jännitevahvistimen vahvistus Au määräytyy vastuksien R1 ja R mukaan. Vahvistus voidaan laskea kaavas- R Uo ta Au, jolloin kytkennän vahvistukseksi saadaan k, R1 Ui Au. 10k Syötimme vahvistimen tuloon jännitteitä välillä 0-10V ja mittasimme lähtöjännitteen. Mittaustulokset ovat taulukossa 1. Uin[V] Uout[V] 0 -,3-4,36-6,51-8,65-9,97-9,97-9,96-9,96-9,95-9,95 Au 0 -,3 -,18 -,17 -,16-1,99-1,66-1,4-1,5-1,11-0,99 TAULUKKO 1

5 5 Mittaustuloksista näemme, että vahvistimen negatiivinen käyttöjännite (-1V) rajoittaa jännitevahvistusta. Vahvistin itsessään ottaa käyttöjännitteestä n.,04v, jolloin maksimi ulostulojännite on -9,97V, jota vahvistimen lähtö ei voi alittaa. Lisäsimme edellisen kytkennän tulosignaaliksi sinimuotoisen vaihtojännitteen. Signaalilähteen amplitudiksi valittiin 1Vp-p ja taajuutta muutettiin välillä 0,1Hz- 100kHz. Oskilloskoopilla jännitteeksi mitattiin,06vp-p, jota käytettiin laskuissa. Vahvistus laskettiin myös desibeleiksi kaavalla Mittaustulokset ovat taulukossa. Uout 0 log Uin F [Hz] k 10k 100k Uout [V] 4,438 4,438 4,438 4,438 4,438 4,438,15 A [db] 6,66 6,66 6,66 6,66 6,66 6,66 0,6 TAULUKKO

6 Volts Volts 6 Mittaustuloksista näemme, että vahvistus lähtee laskemaan korkeilla taajuuksilla, koska operaatiovahvistimella tulee ylärajataajuus vastaan. Oskilloskoopilla mitatessa huomasimme taajuuden riittävän noston aiheuttavan myös signaalin vääristymisen siniaallosta kolmioaalloksi. Ensimmäiset havainnot signaalin vääristymisestä tulivat noin 40kHz kohdalla. Signaalin vääristymisen näemme kuvista 1 ja, joissa taajuuksina on käytetty 100Hz ja 40kHz. Taajuus 100Hz 09:1, ,5 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5 - -,5-0,01 0 0,01 0,0 0,03 0,04 0,05 Seconds Uin Uout KUVA 1 Taajuus 40kHz 09:14, ,5 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5 - -,5-0, , ,0000 0, , ,00005 Seconds Uin Uout KUVA

7 7 Alarajataajuutta kytkennästä ei löytynyt. Määritimme -3dB rajajännitteeksi 3,317V kaavalla 1 1 U U max eli U 4,438V 3, 317V Etsimme oskilloskoopin avulla rajajännitteen, jolloin saimme ylärajataajuudeksi 68,1kHz. 3. Ei-invertoiva vahvistin Seuraavaksi toteutimme ei-invertoivan operaatiovahvistinkytkennän LM348 piirin avulla. Jos ei-invertoivan vahvistimen tulosignaalissa on jokin yksityiskohta, se näkyy lähtösignaalissa vahvistuneena positiivisella puolella. Kytkennän vah- R1 Uo vistukseksi määritimme Au 1, josta saadaan k Au 1, 0. Mit- R Ui tasimme Uin ja Uout jännitteet, kun Uin jännite oli välillä 0-10V. Mittaustulokset ovat taulukossa 3. Uin[V] Uout[V] 0,00 4,00 6,00 8,00 10,00 11,35 11,35 11,35 11,35 11,35 Au 0,00,00,00,00,00 1,89 1,6 1,4 1,6 1,14 TAULUKKO 3 k

8 8 Mittaustuloksista näemme, että vahvistimen positiivinen käyttöjännite (+1V) rajoittaa jännitevahvistusta. Vahvistin itsessään ottaa käyttöjännitteestä n. 0,65V, jolloin maksimi ulostulojännite on +11,35V, jota vahvistimen lähtö ei voi ylittää. 3.3 Instrumentointivahvistin Toteutimme kolmella LM348 operaatiolla instrumentointivahvistimen kuvan mukaisella kytkennällä. Yhdellä operaatiovahvistimella toteutetun differentiaalivahvistimen tuloimpedanssi on rajallinen, kun taas instrumentointivahvistimella se on rajaton ja tuloimpedanssit ovat molempien tulojännitteiden kannalta yhtä suuret. Tulojännitteet Uin- ja Uin+ muodostavat oman komponenttinsa lähtöjän-

9 9 nitteeseen. Mittasimme Uin-, Uin+ sekä Uout jännitteet, kun jännitteinä käytettiin -4V - +4V. Mittaustulokset ovat taulukossa 4. Uin-[V] Uin+[V ] Ero [V] Uout[V] 0,096 0,13 0,16-3,91 4,13-3,87 4,16-3,88 TAULUKKO 4 Mittaustuloksista näemme, että jos tulojen jännite-ero on nolla, niin myös lähtösignaalin taso on lähellä nollaa. Instrumentointivahvistin vahvistaa siis tulojännitteiden erotusta.

10 Invertoiva vahvistin yksipuolisella käyttöjännitteellä Toteutimme invertoivan operaatiovahvistinkytkennän kuvan mukaisella kytkennällä. Oheisella kytkennällä vahvistimelle riittää yksipuolinen käyttöjännite, koska signaalien DC-taso nostetaan 0:sta käyttöjännitteen ja maan puoleenväliin eli 6V:iin. Uin signaaliksi valittiin 1Vp-p ja taajuudeksi 1kHz siniaaltoa. Kytkennän DC-tasot mitattiin kohdista V1-V5 oskilloskoopilla. Kaikissa muissa paitsi V1 mittauksessa DC-tason todettiin olevan 6V, koska kondensaattori ei päästä tasajännitettä lävitse Uin tulonavalle. Mittasimme vahvistimen alarajataajuuden säätämällä generaattorin taajuutta alaspäin, kunnes se saavutti -3dB rajan, eli U 1 U max, tällöin taajuudeksi saimme 14Hz.

11 11 4 VASTAUKSET KYSYMYKSIIN 4.1 Yksipuolisen käyttöjännitteen kytkennän alarajataajuus voidaan määrittää teoreettisesti kaavalla F , Hz R C 10k 100nF Työohjeessa ilmoitettu ensimmäinen osoite ei toiminut, mutta kysytty Rail-to- Rail tarkoittaa, että operaatiovahvistimen lähtö voi nousta lähes käyttöjännitteen tasolle ja Beyond-the-Rails tarkoittaa, että yhteismuotoinen tulojännite voi ylittää operaatiovahvistimen käyttöjännitteen. OPA343 operaatiovahvistimen tulot saavat mennä maksimissaan -0,3V nollan alapuolelle. 4.3 Slew-rate tarkoittaa lähdön maksimia muutosnopeutta. Kun tulosignaalin taajuus nousee niin korkeaksi, että lähtö ei ehdi vaihtua sen mukana riittävän nopeasti, lähtösignaali vääristyy.

12 1 LÄHTEET Perälä Rae, 001. Elektroniikka - 1 Diodit ja transistorit. Tietokotka

13 13 LIITTEET 1 - MITTAUSPÖYTÄKIRJA