Mûveleti erõsítõk I.

0. Bevezetés - a mûveleti erõsítõk mûködése

A következõ mérésben az univerzális analóg erõsítõelem, az un. "mûveleti erõsítõ" mûködésének alapvetõ ismereteit sajátíthatjuk el. A nyílthurkú erõsítõvel (komparátor), a pozitív és negatív visszacsatolások hatásával, (a Schmitt triggerrel és az invertáló ill. nem invertáló erõsítõkapcsolásokkal, összeadó áramkörrel) ismerkedünk meg. Az elméleti alapokat az Elektronika c. egyetemi jegyzet 37-47. oldalain találtakból frissíthetjük fel, illetve innen (itl7-es link)

A mûveleti erõsítõ egy nagy erõsítésû differenciál-erõsítõ: ennek megfelelõen két bemenete és egy kimenete van. A kimenet feszültsége ideális esetben csak a bemenetekre jutó feszültségek különbségétõl függ, ez utóbbi különbséget egy nagyon nagy faktorral (10^6 nagyságrendben) erõsíti, a bemenetek egyûttes, azonos értékkel való változásakor a kimenet nem változik.

A mûveleti erõsítõ nagyon nagy erõsítése miatt könnyen begerjedhet: a kimenet az alkatrészek hozzávezetéseinek szórt kapacitásai miatt mint egy “rádióantenna” visszacsatolhatja a jelet a bemenetre, ami nem kívánt oszcillációt okozhat. Ennek elkerülésére a differenciális erõsítést nagy frekvencián egy belsõ áramköri elemmel lerontják. A levágás módja és értéke típusfüggõ, a 741-es integrált változatnál egyetlen kondenzátorral oldják ezt meg, ami miatt a kisfrekvencián ... értéket elérõ erõsítés ... frekvencia környékén egységnyire csökken.

A mûveleti erõsítõt a fentiek alapján a következõ paraméterekkel jellemezzûk:

-- a differenciális erõsítés értékét nyílthurkú erõsítésnek nevezzük. Az elnevezés oka, hogy általában mûveleti erõsítõt valamilyen visszacsatolással használunk, a visszacsatolás nélküli – nyílthurkú – erõsítés a gyakorlatban csak speciális esetekben jelenik meg.

-- a valóságos differenciálerõsítõ bemeneti ellenállása véges, nagy érték, ellentétben az ideális végtelen nagy bemenõ ellenállással. Hasonlóan a kimenõ ellenállas is véges, kis érték az ideális zérus helyett.

A mûveleti erõsítõkkel felépített kapcsolások megértésében segíthet néhány “ökörszabály”, ami következik az imént megismert tulajdonságokból:

-- ha a nem-invertáló bemenet (rajzjelen + jellel jelölve) kicsit is pozitívabb az invertáló bemenetnél (rajzjelen - jellel jelölve), a kimenet a pozitív tápfeszültség értékét veszi fel. Fordított esetben, ha a nem-invertáló bemenet negatívabb az invertáló bemenetnél, a kimenet a negatív tápfeszültség értékéig billen. Ennek oka, hogy a nyílt hurkú erõsítés értéke olyan nagy, hogy technikailag nem fordul elõ a kimenetet véges értéken tartó, eléggé kicsi (néhány mikrovolt) feszültségkülönbség a bemenetek között.

-- negatív visszacsatolásnál a kimenetet úgy ''igyekszik'' vezérelni az áramkör, hogy a bemeneteket egyforma feszültségûre hozza. Például ha az egyik bemenetet földpotenciálra kötjük, a másik bemenet is földpotenciálon lesz normál müködés esetén (azaz mikor a kimenet nem éri el a tápfeszültségek egyikének értékét, lásd elõzõ pont).

-- pozitív visszacsatolás esetén a kimenet pozitív érték felé mozdulása növeli a bemenetek különbségét, ami tovább hajtja a kimenetet a pozitív irányba - ennek eredménye hogy a kimenet valamelyik tápfeszültség értékéig billen, és az áramkör (esetleg idõlegesen) ennél az értéknél stabilizálódik.

-- a bemeneti ellenállás nagyon nagy, azaz a bemenetek felé nem folyik áram. Ez leegyszerûsíti bizonyos áramköri kapcsolások számolását.

1. Nyílthurkú erõsítõ - komparátor mérése:

A visszacsatolás nélküli mûveleti erõsítõt – igen nagy feszültségerõsítése miatt - két feszültség összehasonlítására használhatjuk. Ha a nem invertáló bemenetet Uo potenciálra kötjük, és az invertáló bemenetre feszültséget adunk, az erõsítõ kimenetén +UT ill. -UT közeli feszültséget kapunk, attól függõen, hogy a bemenõfeszültség kisebb, vagy nagyobb-e Uo-nál.

1.1. Kösse az erõsítõ invertáló bemenetét a tápfeszültség 0 potenciálú kimenetére! Ezt nevezzük földnek. A nem invertáló bemenetre kösse egy potenciométer középsõ kivezetését, míg a potenciométer két végét egy-egy ellenálláson keresztül a +12 V és a -12 V-os tápfeszültségre. Így a potenciométerrel egy +/- néhány voltos feszültségtartományban szabályozhatja a nem invertáló bemenet feszültségét. Mérje az erõsítõ be és kimenõfeszültségét digitális voltmérõvel. Különbözõ bemenõfeszültségekhez mekkora kimenõfeszültség tartozik? Milyen bemenõfeszültségnél "komparál" a mûveleti erõsítõ?

1.2. Ismételje meg a mérést úgy, hogy az invertáló bemenetet a föld helyett egy másik potenciométerre köti, amelynek segítségével állítson be U₀ = 2V-ot az invertáló bemeneten, és újra végezze el a mérést az elõbbi módon! Hol komparál most az erõsítõ?

2. Pozitív visszacsatolás vizsgálata:

A Schmitt trigger olyan összetett árramköri elem, ami analóg bemenettel és digitális (csak két megadott szintû) kimenettel rendelkezik. A kimenet billenése akkor következik be, ha a bemenet elér egy bizonyos értéket. A komparátortól eltérõen a növekvõ bemenõjelhez tartozó billenési szint magasabb, mint a csökkenõ bemenõjelhez tartozó. A jelenséget hiszterézisnek nevezzük.

2.1. Készítsen Schmitt triggert a gyakorlatvezetõ által megadott ellenállásokkal! (pl.1,2k - 5,6k ; 2,2k - 10k ; 3,3k - 10k ; 1,5k - 10k ) A jegyzet bevezetõjében említett ökörszabályok segítségével könnyen megérthetõ az áramkör mûködése: a pozitív visszacsatolás miatt a kimenet körülbelül csak a maximális, +U_T vagy –U_T (tápfeszültség) értéket veszi fel. Ennek, a feszültségosztási szabály miatt, a R₁(R₂+R₁) része jut a nem-invertáló bemenetre. Amíg az invertáló bemenet ezt el nem éri, addig a kimenet ezen a maximális értéken is marad - így alakul ki tehát a billenési szint.

Vegye fel a bemenõfeszültség - kimenõfeszültség függvényt növekvõ és csökkenõ bemenõfeszültség esetén! Határozza meg a hiszterézis értékét!

2.2. Adjon a Schmitt trigger bemenetére függvénygenerátorról néhány száz Hz-es háromszögjelet, és növelje az amplitúdót, míg az erõsítõ kimenetén meg nem jelenik a négyszög alakú kimenõjel! Hasonlítsa össze a be és a kimenõjelet kétsugaras oszcilloszkóp segítségével! Rajzolja le a jeleket! Hol billen át a Schmitt trigger? Vesse össze az elõzõ egyenfeszültségû karakterisztika billenési szintjeivel!

3. Nem invertáló erõsítõkapcsolások:

Itt az a jellemzõ, hogy a nem invertáló bemenetre adunk jelet, így azzal azonos fázisú lesz a kimenõjel. Minden áramkör mûködése a fenti ökörszabályok alapján megérthetõ: a múveleti erõsítõ úgy ''igyekszik'' vezérelni a kimenetet, hogy a bemenetek egyforma feszültségûek legyenek.

3.1. Vezesse vissza a teljes kimenõjelet ellenkezõ fázisban a bemenetre (azaz az invertáló bemenetre)! Tehát kösse össze az erõsítõ kimenetét az invertáló bemenettel és adjon a nem invertáló bemenetre függvénygenerátorról néhány voltos 1kHz-es szinuszos feszültséget! Oszcilloszkóppal mérje a be és kimenõfeszültséget! Határozza meg a feszültségerõsítés értékét!

3.2. Készítsen a gyakorlatvezetõ által megadott erõsítésû áramkört, (pl. 8-szorost) és mérje meg az elõzõekhez hasonló módon az erõsítést!

Az áramkör erõsítését ismét a feszültségosztás szabálya szerint határozhatjuk meg, hiszen a kimenõfeszültség (U₂) az R₁ és R₂ ellenállásokon keresztül jut az invertáló bemenetre.

A bemenõfeszültséget úgy válassza meg, hogy az erõsítõ ne vezérlõdjön túl! (Ez onnan látszik, hogy a kimenet ugyanúgy szinuszos, mint a bemenõjel, azaz nem látszik a szinuszjel csúcsának levágása)

4. Invertáló erõsítõk vizsgálata:

Ha az erõsítõ nem invertáló bemenetét földpotenciálra kötjük, és az R₁ ellenálláson keresztül adjuk a jelet az invertáló bemenetre, a kimenõjel ellenkezõ fázisban lesz a bemenettel. Ennek oka, hogy (ld. ökörszabály) úgy igyekszik az eszköz vezérelni a kimenetet, hogy az invertáló bemenet 0 potenciálon maradjon, azaz, hogy az R₁ és R₂ ellenállásokon megjelenõ feszültségek aránya R₁/R₂ legyen.

Az invertáló erõsítõ bemenetére ismét adjon 1 kHz-es szinuszos váltófeszültséget függvénygenerátorról!

4.1. Készítsen a gyakorlatvezetõ által megadott erõsítésû (pl. nyolcszoros, háromszoros, stb.) invertáló erõsítõt a mûveleti erõsítõ visszacsatolásával! Mérje meg az erõsítést a 3.2. pontban leírtakhoz hasonlóan! Hasonlítsa össze a be- és kimenõjelek fázisait!

4.2. Mérje meg oszcilloszkóppal az invertáló bemeneten lévõ jel nagyságát különbözõ nagyságú (túlvezérlést nem okozó) bemenõjel esetén! (Ennek, az ökörszabályok alapján, 0-nak kellene lennie ideális esetben). Mennyire “ideális” tehát a mûveleti erõsítõ, mennyire tér el az invertáló bemenet feszültsége a 0-tól?

5. Összeadó áramkör vizsgálata:

Kösse 0-ra a nem invertáló bemenetet! Ekkor a közel 0 potenciálú invertáló bemeneten visszahatásmentesen összegzõdhetnek a bemenõáramok több bemenet esetén, és a kimeneten a bemenõfeszültségek súlyozott összegét kapjuk.

5.1. Készítsen azonos súlyozású összeadó áramkört, a visszacsatoló ellenállást is válassza R értékûre! A komparátornál használt potenciométeres feszültségosztóval adjon a két bemenetre különbözõ értékû (pozitív és negatív elõjelû) legfeljebb néhány voltos feszültséget (kézimûszerrel mérje) és mérje meg a kimenõfeszültség értékét!

Keresse meg, hogy a két bemenõfeszültségnek milyen függvénye adja a kimenet értékét! Összead-e az áramkör?