Měření statických parametrů operačních zesilovačů

Úkolem cvičení je změřit statické parametry reálného operačního zesilovače. Měřit se budou parametry A_OL, Z_OUT, CMR a U_IO. Rozmístění vývodů v pouzdrech operačních zesilovačů, se kterými se při měření pravděpodobně setkáte, je následující:

Měření A_OL a Z_OUT:

Trocha teorie:

Zesílení v otevřené smyčce A_OL operačního zesilovače (OZ) je dáno poměrem výstupního napětí u_o ku diferenčnímu napětí u_dif mezi vstupy OZ.

Vzhledem k tomu, že operační zesilovače mají z důvodu stability zavedenu kmitočtovou korekci, je nutno měřit A_OL na kmitočtu, na kterém se ještě kmitočtová korekce neuplatňuje, tj. na velmi nízkém kmitočtu (max. 5 Hz).

Výstup operačního zesilovače se chová jako ideální zdroj napětí v sérii s výstupní impedancí Z_OUT. Jelikož se OZ jako zesilovač provozuje vždy se zápornou zpětnou vazbou (ZZV), nelze Z_OUT změřit z poklesu výstupního napětí po připojení zátěže, protože OZ tento pokles vlivem ZZV vyrovná. Mechanismus vyrovnání poklesu výstupního napětí po připojení zátěže ale způsobí, že dojde k nárůstu diferenčního napětí mezi vstupy OZ a právě z tohoto nárůstu lze Z_OUT určit.

Schéma:

Postup měření:

Měření A_OL:

1. Obvod zapojte na pracovní destičce podle schématu, zátěž R_Z zatím nepřipojujte. Nezapomeňte na napájení OZ.
2. Na vstup připojte generátor sinusového signálu o kmitočtu max. 5 Hz.
3. Jedním kanálem osciloskopu měřte u_x, druhým kanálem u_o.
4. Amplitudu sinusového signálu z generátoru nastavte na 10V, výstupní napětí u_o musí být nezkreslené sinusové.
5. Na osciloskopu odečtěte amplitudu napětí u_x a u_o. Napětí u_x je rovno stonásobku diferenčního napětí u_dif, napětí u_o je odpovídající výstupní napětí. Zesílení A_OL lze tedy vypočítat z výše zmíněného vztahu:
   
   přičemž
   
   a tedy
   

Měření Z_OUT:

6. K obvodu nastavenému podle bodu 4 připojte zátěž R_Z.
7. Na osciloskopu odečtěte amplitudu napětí u_x a u_o. Pokud se amplituda napětí u_o znatelně změnila (poklesla) oproti stavu bez zátěže, došlo patrně k přetížení výstupu OZ a je nutno zvolit menší zátěž (tj. větší R_Z). Napětí u_x by se mělo oproti bodu 5 zvětšit, označíme tuto hodnotu u_xz.
8. Výstupní impedance Z_OUT je dána nárůstem u_x po připojení zátěže a velikostí zátěže. Vztah pro její výpočet je následující:
   

Měření CMR:

Trocha teorie:

Reálný OZ kromě vstupního diferenčního napětí zesiluje též vstupní souhlasné napětí, což je nežádoucí vlastnost. Pokud na vstupu OZ dojde ke změně souhlasného napětí o ΔU_s, projeví se to na výstupu OZ změnou o ΔU_o. Činitel potlačení souhlasného signálu CMR je definován jako poměr těchto změn:

Schéma:

Postup měření:

1. Obvod zapojte na pracovní destičce podle schématu.
2. Na vstupu OZ je potřeba vytvořit změnu souhlasného napětí o 2/3 napájecího napětí OZ a změřit odpovídající změnu výstupního napětí. Nejprve tedy na vstup operační sítě přiveďte ze ss zdroje +10V a změřte výstupní napětí (označte U_o1), poté přiveďte na vstup sítě napětí -10V a opět změřte výstupní napětí (označte U_o2).
3. CMR se ze změřených hodnot vypočte podle vztahu:
   
   Hodnota ΔU_i je změna napětí na vstupu operační sítě (+/-10V, tj. 20V), hodnota ΔU_o je odpovídající změna napětí na výstupu OZ (tj. U_o1 - U_o2). Pro uvedené hodnoty součástek a napětí je tedy:
   

Měření U_IO:

Trocha teorie:

Další nežádoucí vlastností reálného OZ je vstupní napěťová nesymetrie (offset) U_IO. Je definována jako stejnosměrné napětí, které je potřeba přivést mezi diferenční vstupy OZ, aby bylo výstupní napětí nulové. Z praktických důvodů se měří obráceně, na vstup OZ v invertujícím zapojení přivedeme nulové napětí a měříme výstupní napětí. To je rovno vstupní napěťové nesymetrii zesílené nastaveným zesílením.

Schéma:

Postup měření:

1. Obvod zapojte na pracovní destičce podle schématu. Rezistor R3 slouží ke kompenzaci vstupních klidových proudů, jeho hodnota by správně měla být rovna paralelní kombinaci R1 a R2, vzhledem k poměru R1 a R2 volíme R3 = R1.
2. Vstup zesilovače je uzeměn, výstupní napětí U_o je tedy dáno vstupní napěťovou nesymetrií a zesílením zesilovače. Hodnotu U_o změřte (ss milivoltmetrem). Hodnotu U_IO vypočítáme ze vztahu:
   
   Pro uvedené hodnoty součástek je tedy: