Měření dynamických parametrů operačních zesilovačů

Úkolem cvičení je změřit dynamické parametry reálného operačního zesilovače. Měřit se budou parametry SR, f_p a f_T. Měření by se mělo provádět na operačním zesilovači MA748 nebo jeho ekvivalentu. Rozmístění vývodů v pouzdrech je následující:

Měření SR, f_p a f_T:

Trocha teorie:

Z důvodu stability se u operačních zesilovačů provádí kmitočtová korekce. Kmitočtová charakteristika je korekcí upravena tak, aby bylo splněno Bodeho kritérium stability. To říká, že systém s minimální fází je stabilní, pokud jeho amplitudová logaritmická frekvenční charakteristika (ALFCH) protíná osu 0 dB se sklonem -20 dB/dek. Korekce se provádí pomocí kompenzačního kondenzátoru, který je buď umístěn přímo na čipu OZ nebo jej lze připojit externě na k tomu určené vývody. ALFCH korigovaného OZ pak vypadá následovně:

Parametr GBP (Gain Bandwidth Product) je součin šířky pásma a k ní příslušejícího zesílení.

Rychlost přeběhu SR (Slew Rate) operačního zesilovače udává, s jakou maximální rychlostí se dokáže měnit výstupní napětí OZ, pokud na jeho vstup přivedeme napěťový skok. Udává se ve voltech za µs.

Mezní výkonový kmitočet f_p je maximální kmitočet, na kterém dokáže OZ přenést na výstup nezkreslený sinusový signál s amplitudou U_o. Pokud kmitočet překročí f_p, začne docházet k deformování sinusového signálu do tvaru trojúhelníku, jak je znázorněno na následujícím obrázku:

Jak je patrno, dochází k deformaci té části sinusovky, ve které je největší derivace, tj. ve které je překročena rychlost přeběhu SR. Lze tedy odvodit vztah mezi SR a f_p:

Tranzitní kmitočet f_T je kmitočet, na kterém klesne zesílení OZ na 0 dB, tj. na kterém přestává OZ zesilovat. Někdy se místo f_T udává parametr UGB (Unity Gain Bandwidth - šířka pásma při jednotkovém zesílení), který má shodný význam. (Z výše uvedené ALFCH kmitočtově korigovaného OZ je zřejmé, že též platí GBP = UGB)

Schéma:

Postup měření:

Měření SR:

1. Obvod zapojte na pracovní destičce podle schématu. OZ MA748 je typ s vnějším kompenzačním kondenzátorem (Ck). Měřit se bude postupně při třech různých hodnotách Ck. Nejprve tedy zapojte jeden z dodaných kondenzátorů.
2. Na vstup připojte generátor obdélníkového signálu o kmitočtu cca 10 kHz a amplitudě 10V.
3. Jedním kanálem osciloskopu měřte vstupní napětí u_g, druhým kanálem výstupní napětí u_o. Náběžná a sestupná hrana výstupního napětí budou skoseny vlivem omezené rychlosti přeběhu. Průběhy napětí budou vypadat přibližně následovně:
   
4. Na osciloskopu odečtěte hodnoty Δu (ve voltech) a Δt (v µs) a následně z nich vypočítejte rychlost přeběhu dle vzorce:
   

Měření f_p:

5. Výstup generátoru přepněte na sinusový průběh, amplitudu ponechte 10V.
6. Na osciloskopu sledujte průběh napětí u_o. Kmitočet napětí z generátoru nastavte na takovou maximální hodnotu, při které ještě nebude sinusový průběh na výstupu OZ trojúhelníkovitě zkreslený (viz. teoretický úvod). Tento maximální kmitočet je mezním výkonovým kmitočtem f_p. Ze změřené hodnoty f_p vypočítejte dle vztahu
   
   rychlost přeběhu SR a porovnejte ji s hodnotou změřenou v bodě 4.

Měření f_T:

7. Osciloskop si přepojte tak, abyste jedním kanálem měřili diferenční napětí u_dif a druhým kanálem výstupní napětí u_o.
8. Kmitočet napětí z generátoru postupně zvyšujte a sledujte poměr u_dif a u_o a tvar napětí u_o. Pokud začne docházet ke zkreslení u_o, snižte amplitudu napětí z generátoru. Kmitočet, na kterém dosáhnete stavu, kdy se bude u_dif rovnat u_o, je tranzitním kmitočtem f_T měřeného OZ.
9. Body 2 až 8 zopakujte pro 3 různé hodnoty Ck.