TEHNIKA KOLA ZA ELEKTRONIKU ZAGREB, Getaldieva 4

Laboratorijske vjebe

ELEKTRONIKA IIIVjeba II-b: Neinvertirajui pojaava sa A 741

Profesori: Jasmina Omerdi

Uenik: Mirza MasliSejfudin Agi

Tuzla, novembar/studeni 2010.

Prezime i ime uenika:Masli Mirza

Vjeba II:Neinvertirajui pojaava sa A 741

Datum i ocjena:15.10.2010.godine

TEORIJSKA PRIPREMAOperacioni pojaava ima pet izvoda, kao to je prikazano na slici 1.

Dva su ulaza koji djeluju kao kod diferencijalnog pojaala. Ulaz oznaen sa "-" naziva se invertirajui (inverting input). Ulaz oznaen sa "+" naziva se neinvertirajui (noninverting input).

Na izlazu (output) dobije se pojaani signal sa ulaza.

Preostala dva izvoda su prikljuci za napon napajanja (power supplay).

Slika 1. Simbol operacionog pojaavaa

Elektronska ema jednog operacionog pojaavaa izgleda kao na slici 2.

Slika 2. Elektronska ema operacionog pojaavaa A709

Oigledno da se ovako sloen sklop ne realizira u diskretnoj ve se moe realizirati koritenjem tehnologija integrisane mikroelektronike.

Napajanje operacionog pojaavaa

Za napajanje operacionog pojaavaa nejee se upotrebljavaju dva izvora, kao na slici 4, a rjee se upotrebljava jedan izvor, kao na slici 5.

Slika 4. Napajanje sa dva izvora (Uul=100mV, f=1kHz, U+=U-=15V) Slika 5. Napajanje sa jednim izvorom (Uul=100mV, f=1kHz, U+=15V)

Budui da je pojaanje operacionog pojaavaa vrlo veliko, signal na izlazu pojaavaa u oba je sluaja izoblien. Amplituda izlaznog napona ograniena je iznosom napona napajanja i iznosi oko 90% od napona napajanja (slika 4. 28,2V a slika 5. 13,3V).Signal doveden na invertirajui ulaz pojavljuje se na izlazu pojaan i u protufazi s ulaznim. Ako se signal dovede na neinvertirajui ulaz, na izlazu se dobije signal pojaan i u fazi s ulaznim. To e biti prikazano i potvreno tokom vjebe.

Osnovne osobine Operacionog pojaala A 741

Proizvoai elektronskih komponenata proizvode vrlo veliki broj razliitih izvedbi operacionih pojaavaa. Ovdje emo prikazati osnovne osobine onog koji nosi oznaku A 741.

Elektronska ema na slici 9 pokazuje da se pojaava A 741 sastoji od:

22 tranzistora, 11 otpornika, jednog kondenzatora i jedne diode.

Slika 6. Simbol i JG kuite (pogled odozgo) A 741

Slika 7. Fizike dimenzije A 741 (JG ceramic dual-in-line), dimenzije su u inima (milimetrima)

Slika 8. U, J i FK kuita A 741

Slika 9. Elektrina ema A 741

Tabela 1. Elektrine karakteristike A 741 (UCC=15V, T=25C)

Invertirajui i neinvertirajui pojaava sa A 741Odnos amplitude izlaznog i ulaznog napona invertirajueg pojaavaa jednak je odnosu otpora R1 i R2.

Pojaanje ovog pojaavaa iznosi: , tj. naponsko pojaanje zavisi iskljuivo od odnosa vrijednosti vanjski dodanih otpornika.Izlazni napon je u protufazi s ulaznim naponom (predznak minus). Tako je ovaj pojaava i dobio ima invertirajui pojaava (inverting amplifier).

Slika 10. Invertirajui pojaava sa A 741 (R1=10k, R2=100k)

Odnos izmeu izlaznog i ulaznog napona na slici 11 pokazuje da je on za jedan vei u odnosu na odnos otpornika R2/R1, a izlazni napon je u fazi sa ulaznim naponom. Zato se ovaj pojaava naziva neinvertirajui pojaava (noninverting amplifier).

Njegovo pojaanje se moe izraunati prema izrazu: .

Slika 11. Neinvertirajui pojaava sa A 741 (R1=10k, R2=20k)

Operacioni pojaavaOperacioni pojaavaje u diferencijalnielektronskipojaavakoji ima za cilj da pojaa razliku izmeu dva ulazna signala. Jedan ulaz ima pozitivan efekat dok drugi ima negativan efekat na izlazni signal, te je u skladu sa tim jedan neinvertujui (+) a drugi invertujui (-). Operacioni pojaava pored dva ulazna i jednog izlaznog prikljuka posjeduje i dva terminala za napajanje od kojih je jedan pozitivan (+Vcc) a drugi negativan (-Vcc). Radi jednostavnosti obino se operacioni pojaava na emama prikazuje bez ova dva terminala.

Operacioni pojaavaKonstrukcijaOperacioni pojaavai se najee izrauju u integrisanoj tehnici, obino u 8-pinskom ili 14-pinskom kuitu. Sastoje se iz tri osnovna dijela:

ulaznog stepena

naponskog pojaavaa

izlaznog stepena

ulazni stepen pojaava razliku napona na ulaznim prikljucima

naponski pojaava uvodi dodatno pojaanje signala

izlazni stepen obezbjeuje dovoljnu veliku snagu na izlazu odnosno dovoljno veliko strujno pojaanje

U skladu sa tim, ulazni stepen se izvodi kaodiferencijalni pojaavasa dva simetrina ulaza. Izlazni stepen, koji omoguava velika strujna pojaanja, realizuje se sa obino komplementarnim parom tranzistora. Iako dizajn varira izmeu proizvoaa, svi operacioni pojaavai imaju istu osnovnu unatranju strukturu. Na slici je prikazana konstrukcija operacionog pojaavaa 741 kao i raspored noica na njegovom kuitu:

Karakteristike idealnog operacionog pojaavaa

Teoretski za bilo koju vrijednost ulaznog napona idealni operacioni pojaava karakterie:

beskonanaulazna otpornost(rezultuje nultim ulazim strujama)

nultaizlazna otpornost(rezultuje time da se izlaz ponaa kao idealni naponski izvor)

beskonanopojaanje u otvorenoj petlji(engl. open loop gain)

beskonanairina propusnog opsega(engl. bandwidth)

beskonanabrzina odziva(engl. slew rate)

beskonaanfaktor potiskivanja srednje vrijednosti signala(CMRR)

nulta naponska istrujna razdeenost(engl. voltage and current offset)

nultiumOgranienje realnog operacionog pojaavaa

U praksi, karakteristike idealnog operacionog pojaavaa nije mogue ostvariti, meutim mogu se postii dovoljno dobre osobine da nesavrenosti ne ometaju funkcionalnost. Nesavrenosti operacionih pojaavaa naroito su bitne te se zbog toga prati njihov red veliine i mogunosti njihovog dovoenja na najmanji mogui nivo. Operacioni pojaavai konstrusani na bazi FET-ova odnosno MOSFET-ova znatno su blii idealnim karakteristikama u poreenju sa onim koji su izraeni na bazi bipolarnih tranzistora. Ipak pojava nesavrenosti je neminovna i ogleda se u sledeim karakteristikama:

postojanje ulazne struje polarizacije- struje kroz ulazne prikljuke operacionog pojaavaa; vrijednosti za operacione pojaavae koji su realizovani sa bipolarnim tranzistorima su od 10 do 100nA dok su struje kod realizacije sa FET-ovima reda pA

postojanje strujne razdeenosti na ulazu- strujna razdeenost predstavlja razliku izmeu ulaznih struja polarizacije; nastaje zbog nemogunosti izrade dva tranzistora sa istim karakterstikama; tipina vrijednost strujne razdeenosti je 20nA

postojanje naponske razdeenosti na ulazu- naponska razdeenost se definie kao napon koji treba dovesti izmeu ulaznih prikljuaka tako da pri jednakim ulaznim naponima, napon na izlazu bude nula; nastaje zbog istog razloga kao i strujni; tipina vrijednost naponske razdeenosti je 2-10mV

temperaturna zavisnost strujne i naponske razdeenosti- nastaje zbog neuparenosti komponenata na razliitim temperaturama

faktor potiskivanja srednje vrijednosti signala (CMRR)- definie se kao odnos diferencijalnog pojaanja i pojaanja srednje vrijednosti ulaznog signala; kvantitativno oznaava koliko pojaava pojaa razliku ulaznih napona nezavisno od njihove srednje vrijednosti; izrazava se u decibelima dB

konana ulazna otpornost- vrijednost ulazne otpornosti je od 100k do 10M oma, a definie se kao otpornost sa strane ulaznih prikljuaka

postojanje izlazne otpornosti- vrijednost izlazne otpornosti je mala ali ona ipak postoji i kree se od 50 do 500 oma

konano naponsko pojaanje- naponsko pojaanje definie se kao odnos izlaznog i ulaznog napona; kod realnih operacionih pojaavaa naponsko pojaanje je funkcija uestanosti tako da pojaanje na razliitim uestanostima ima razliitu vrijednost

konana brzina promjenje (engl. slew rate)- brzina promjenje definie se kao maksimalna mogua brzina promjene izlaznog napona operacionog pojaavaa u vremenu

Fabrike karakteristike operacionog pojaavaa

Proizvoai navode mnoge karakteristike operacionih pojaavaa kroz kataloge. Neke od tih karakteritika su: napon napajanja, snaga disipacije, dozvoljeni napon na ulazu, dozvoljena razlika izmeu (+) i (-) ulaza, ulazna struja, ulazna otpornost, izlazna otpornost, faktor potiskivanja srednje vrijednosti signala (CMRR), pojaanje bez povratne sprege, propusni opseg pri jedininom pojaanju, propusni opseg pri punom izlaznom naponu, brzina porasta napona...

Primjena operacionih pojaavaa

Operacioni pojaava predstavlja najee korieni sklop u savremenoj analognoj elektronici. Zbog veoma dobrih karakteristika i male cijene, esto se koristi u analognim kolima za izvoenje operacija sabiranja, oduzimanja, mnoenja, djeljenja, diferenciranja i integraljenja. Takoe koristi se za izvoenje:

jedininih pojaavaa

invertujuih pojaavaa

neinvertujuih pojaavaa

naponskih komparatora

logaritamskih pojaavaa

filtera

A/D konvertora (pretvaraa)

D/A konvertora (pretvaraa)

U/I konvertora (pretvaraa)

Popularnost operacionalnih pojaavaa je porasla sa proizvodnjom pojaivaa LM101 1967,ali i jo vie sa proizvodnjom A 741 pojaavaa 1968.Pojaava A 741 je slian pojaavau LM101 samo to je u njega ugraen 30pF kondenzator za kompenzaciju, umjesto vanjskog uraaja za kompenzaciju.Ova jednsotavna razlika je uinila A 741 pojaava najprodavanijim. A 741 se jo proizvodi.

Naponski komparator

Jedna od najeih primjena operacionog pojaavaa je kao naponski komparator. Njegova uloga je da poredi dva ulazna signala.

Ukoliko je napon na ulazu V1 vei od napona V2 tada e napon na izlazu operacionog pojaavaa biti +Vcc (pozitivan napon napajanja)

Ukoliko je napon na ulazu V2 vei od napona V1 tada e napon na izlazu operacionog pojaavaa biti -Vcc (negativan napon napajanja)

Zakljuujemo da se na izlazu idealnog operacionog pojaavaa mogu pojaviti samo vrijednosti napona napajanja operacionog pojaavaa ili manje.

Neinvertirajui pojaava

Kod ovog pojaavaa ulazni signal se dovodi na neinvertujui ulaz (+). Negativnom povratnom spregom dobijeno je konano pojaanje koje zavisi iskljuivo od odabira vrijednosti za R1 i R2. Pojaanje kod neinverujueg pojaavaa je uvijek vee od 1 i na izlazu se dobija signal koji je u fazi sa ulaznim signalom.

LABORATORIJSKA VJEBA

Zadatak:Za neinvertirajui pojaava realiziran sa A 741 sa simetrinim napajanjem od 15V te ulaznih veliina Uul=10mV, f=1kHz izraunati:

a) Pojaanje u dB ako je R1=10k, R2=100k. Izvriti simulaciju Multisimom koristei na ulazu Agilent Function Generator (XFG1) i na izlazu Agilent Oscilloscope (XSC1) za prikazivanje rezultata? Uporediti izraunatu i izmjerenu vrijednost pojaanja. Komentar?

ema neinvertirajueg pojaivaa

Na funkcijskom generatoru potrebno je postaviti frekvenciju 1KHz i max amplitudu 10mV. Agilent osciloskop i funkcijski generator su ve spojeni na uzemljenje pa ih nije potrebno dodatno spajati. Sa osciloskopa moemo oitati vrijednost napona pomou podioka. Za ulazni napon imamo podeen opseg 0mV-50mV sa 4 podioka a oitali smo da ulazni napon ima vrijednost 1 podioka tj. ulazni napon ima vrijednost 12,5mV. Za izlazni napon imamo podeen opseg 0mV-200mV sa 4 podioka a oitali smo da izlazni napon ima vrijednost 2,75 podioka tj. izlazni napon ima vrijednost 137,5mV

Pojaanje idealnog operacionog pojaavaa u [db]:

Pojaanje A 741 pojaavaa u [db]:

Ako koristimo agilent funkcijski generator i agilent osciloskop, na frekvenciji od 1KHz, dobit emo isto pojaanje kao i u teoriji, meutim, mogue da je pojaanje razliito ako smo moda pogreno oitali broj podioka.

b) Pojaanje u dB ako je R1=10k, R2=1M. Izvriti simulaciju Multisimom koristei na ulazu Agilent Function Generator (XFG1) i na izlazu Agilent Oscilloscope (XSC1) za prikazivanje rezultata? Uporediti izraunatu i izmjerenu vrijednost pojaanja. Komentar?

ema neinvertirajueg pojaavaa

Na funkcijskom generatoru potrebno je postaviti frekvenciju 1KHz i max amplitudu 10mV. Agilent osciloskop i funkcijski generator su ve spojeni na uzemljenje pa ih nije potrebno dodatno spajati. Sa osciloskopa moemo oitati vrijednost napona pomou podioka. Za ulazni napon imamo podeen opseg 0mV-50mV sa 4 podioka a oitali smo da ulazni napon ima vrijednost 1 podioka tj. ulazni napon ima vrijednost 12,5mV. Za izlazni napon imamo podeen opseg 0mV-2V sa 4 podioka a oitali smo da izlazni napon ima vrijednost oko 2,6 podioka tj. izlazni napon ima vrijednost 1,3V

Pojaanje idealnog operacionog pojaavaa:

Pojaanje u dB:

Komentar: U ovom primjeru smo poveali vrijednost otpornika R2 sa 100k na 1 M. Promjenom jaine otpornika dolazimo do zakljuka da jaina otpornika ovisi o pojaanju. Poveanjem jaine otpornika dobili smo pojaanje vee za 20 dB. Ovdje smo dobili da se pojaanje u teoriji i dobiveno pojaanje razlikuju. Mogue je da je pojaanje isto kao i u teoriji ali smo zbog pogreno oitane vrijednosti izlaznog napona dobili drugaije pojaanjeto je otpornik R2 jai pojaanje je vee.

c) Za pojaava sa R1=10k, R2=100k izraunati pojaanje u dB na slijedeim frekvencijama:

f (kHz)14810204080100200

A (dB)22,1222,1822,1722,121,8320,9619,118,1815,18

f=1KHz; Uul=9,995mV;

f=4KHz; Uul=9,996mV;Uiz=127,608mV; A=22,12dB

Uiz=128,529mV; A=22,18dB

f=8KHz; Uul=9,996mV;

f=10KHz; Uul=9,996mV;

Uiz=128,325mV; A=22,17dB

Uiz=127,201mV; A=22,1dB

f=20KHz; Uul=9,996mV;

f=40KHz; Uul=9,996mV;Uiz=123,387mV; A=21,83dB

Uiz=111,588mV; A=20,96dB

f=80KHz; Uul=9,996mV;

f=100KHz; Uul=9,996mV;Uiz=90,174 mV; A=19,1dB

Uiz=81,071 mV; A=18,18dB

f=100KHz; Uul=9,996mV;

Uiz=57,375 mV; A=15,18dBd) Na osnovu izmjerenih vrijednosti, koristei Microsoft Excel, nacrtati tzv. frekventnu karakteristiku pojaavaa (x-osa frekvencija (kHz), y-osa pojaanje A (dB)). Voditi rauna da je x-osa u logaritamskoj razmjeri.

e) Odrediti gornju graninu frekvenciju pojaavaa (mjesto na frekventnoj karakteristici gdje pojaanje poinje padati za vie od 6 dB u odnosu na pojaanje na srednjim frekvencijama). Odrediti grafiki na karakteristici pod d) gornju graninu frekvenciju i napisati njenu vrijednosti.

Gornja granicna frekfencija je 170 kHz. Pojaanje na toj frekvenciji iznosi 15,96dB tj kada pojaanje padne za 6dB u odnosu na pojaanje na srednjim frekvecijama.

Muhameda Hevaija Uskufija 2, 75000 Tuzla

Tel/Fax : +387 35 281-167; 280-012, 282-009ets.tz@bih.net.ba, www.etstuzla.edu.ba

_1320771482.unknown

_1351520120.unknown

_1351520479.unknown

_1351520426.unknown

_1351505030.unknown

_1320772387.unknown

_1320768067.unknown