act_05/ZM_05.tex

\documentclass[]{scrartcl}
\usepackage{geometry}
 \geometry{
 a4paper,
 top=18mm,
 bottom=19mm,
 }
\usepackage[utf8]{inputenc}
\usepackage[T1]{fontenc}
\usepackage[fleqn]{amsmath}
\usepackage{amssymb}
\usepackage{amsfonts}
\usepackage{mathpazo}
\usepackage{booktabs}
\usepackage[pdftex,pdfa,hidelinks,breaklinks]{hyperref}
\usepackage{url}
\usepackage[affil-it]{authblk}
\usepackage{pgfplots}
\pgfplotsset{width=.7\textwidth}

\renewcommand{\figurename}{Obrázek}
\renewcommand{\tablename}{Tabulka}

\date{\today}

\title{Protokol 5 - Operační zesilovače I.}
\author{M et Z}

\begin{document}
\affil{FAI UTB ve Zlíně, Softwarové inženýrství (SWI)}

\maketitle
\renewcommand{\contentsname}{Obsah}
\tableofcontents

\newpage

\section*{Zadání}
\addcontentsline{toc}{section}{Zadání}

\begin{enumerate}
  \item Změřte napěťové zesílení operačního zesilovače v neinvertujícím zapojení
  \item Změřte napěťové zesílení operačního zesilovače v invertujícím zapojení
  \item Ověřte vlastnosti invertujícího součtového zesilovače
  \item Ověřte vlastnosti rozdílového zesilovače
\end{enumerate}

\newpage

\section{Meření napěťového zesílení operačního zesilovače v neinvertujícím zapojení}

\subsection{Konstantní hodnoty}
\subsubsection{Operační zesilovač 1}
\begin{flalign*}
A=3, R_1=1k\Omega, R_2=2k\Omega
\end{flalign*}
\subsubsection{Operační zesilovač 2}
\begin{flalign*}
A=6, R_1=1k\Omega, R_2=5k\Omega
\end{flalign*}

\subsection{Tabulky napěťového zesílení}
\begin{table}[!htb]
  \begin{minipage}[t]{.5\textwidth}
    \centering
    \begin{tabular}[t]{ccc}
      \toprule
      $U_1$ [V] & $U_2$ [V] \\ \cmidrule[\lightrulewidth](lr){1-2}
      -3 & -9 \\
      -2.5 & -7.5 \\
      -2 & -6 \\
      -1.5 & -4.5 \\
      -1 & -3 \\
      -0.5 & -1.5 \\
      0 & 0 \\
      0.5 & 1.5 \\
      1 & 3 \\
      1.5 & 4.5 \\
      2 & 6 \\
      2.5 & 7.5 \\
      3 & 9 \\
    \bottomrule
    \end{tabular}
    \caption{\label{table:ninvertampl1}Zesílení OZ 1}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[t]{0.5\textwidth}
    \centering
    \begin{tabular}[t]{ccc}
      \toprule
      $U_1$ [V] & $U_2$ [V] \\ \cmidrule[\lightrulewidth](lr){1-2}
      -3 & -15 \\
      -2.5 & -15 \\
      -2.4 & -14.4 \\
      -2 & -12 \\
      -1.5 & -9 \\
      -1 & -6 \\
      -0.5 & -3 \\
      0 & 0 \\
      0.5 & 3 \\
      1 & 6 \\
      1.5 & 9 \\
      2 & 12 \\
      2.4 & 14.4 \\
      2.5 & 15 \\
      3 & 15 \\
    \bottomrule
    \end{tabular}
    \caption{\label{table:ninvertampl2}Zesílení OZ 2}
  \end{minipage}
\end{table}

\newpage
\subsection{Graf napěťových charakteristik}
\begin{figure}[!hbt]
\centering
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
    xlabel={$U_1$ [V]},
    ylabel={$U_2$ [V]},
    xmin=-4, xmax=4,
    ymin=-20, ymax=20,
    xtick={-3,-2,-1,-0,1,2,3},
    ytick={-15,-13,-10,-5,0,5,10,13,15},
    legend pos=north west,
    ymajorgrids=true,
    grid style=dashed,
    line width=0.7pt,
    mark size=1.5pt,
]

    \addplot[
    color=black,
    dash pattern=on 1pt off 3pt on 3pt off 3pt,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
      (-3,-9)(-2.5,-7.5)(-2,-6)(-1.5,-4.5)(-1,-3)(-0.5,-1.5)(0,0)(0.5,1.5)(1,3)(1.5,4.5)(2,6)(2.5,7.5)(3,9)
    };
    \addlegendentry{OZ 1}
    \addplot[
    color=violet,
    dash pattern=on 1pt off 3pt on 3pt off 3pt,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
      (-3,-15)(-2.5,-15)(-2.4,-14.4)(-2,-12)(-1.5,-9)(-1,-6)(-0.5,-3)(0,0)(0.5,3)(1,6)(1.5,9)(2,12)(2.4,14.4)(2.5,15)(3,15)
    };
    \addlegendentry{OZ 2}

\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{Napěťové charakteristiky neinvertujícího zesilovače}
\end{figure}

\newpage
\section{Meření napěťového zesílení operačního zesilovače v invertujícím zapojení}
\subsection{Konstantní hodnoty}
\subsubsection{Invertující operační zesilovač 1}
\begin{flalign*}
A=-2, R_1=1k\Omega, R_2=1k\Omega
\end{flalign*}
\subsubsection{Invertující operační zesilovač 2}
\begin{flalign*}
A=-5, R_1=1k\Omega, R_2=4k\Omega
\end{flalign*}

\subsection{Tabulky napěťového zesílení}
\begin{table}[!htb]
  \begin{minipage}[t]{.45\textwidth}
    \centering
    \begin{tabular}[t]{ccc}
      \toprule
      $U_1$ [V] & $U_2$ [V] \\ \cmidrule[\lightrulewidth](lr){1-2}
      -4.5 & 4.5 \\
      -4 & 4 \\
      -3.5 & 3.5 \\
      -3 & 3 \\
      -2.5 & 2.5 \\
      -2 & 2 \\
      -1.5 & 1.5 \\
      -1 & 1 \\
      -0.5 & 0.5 \\
      0 & 0 \\
      0.5 & -0.5 \\
      1 & -1 \\
      1.5 & -1.5 \\
      2 & -2 \\
      2.5 &-2.5 \\
      3 & -3 \\
      3.5 & -3.5 \\
      4 & -4 \\
      4.5 & -4.5 \\
    \bottomrule
    \end{tabular}
    \caption{\label{table:invertampl1}Zesílení invertujícího zesilovače 1}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[t]{0.55\textwidth}
    \centering
    \begin{tabular}[t]{ccc}
      \toprule
      $U_1$ [V] & $U_2$ [V] \\ \cmidrule[\lightrulewidth](lr){1-2}
      -4.5 & 15 \\
      -4 & 15 \\
      -3.5 & 15 \\
      -3.4 & 13.6 \\
      -3 & 11.9 \\
      -2.5 & 10 \\
      -2 & 8 \\
      -1.5 & 6 \\
      -1 & 4 \\
      -0.5 & 2 \\
      0 & 0 \\
      0.5 & -2 \\
      1 & -4 \\
      1.5 & -6 \\
      2 & -8 \\
      2.5 & -10 \\
      3 & -11.9 \\
      3.4 & 13.6 \\
      3.5 & -15 \\
      4 & -15 \\
      4.5 & -15 \\
    \bottomrule
    \end{tabular}
    \caption{\label{table:invertampl2}Zesílení invertujícího zesilovače 2}
  \end{minipage}
\end{table}

\newpage
\subsection{Graf napěťových charakteristik}
\begin{figure}[!hbt]
\centering
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
    xlabel={$U_1$ [V]},
    ylabel={$U_2$ [V]},
    xmin=-5, xmax=5,
    ymin=-17, ymax=17,
    xtick={-4.5,-3,-2,-1,-0,1,2,3,4.5},
    ytick={-15,-12,-9,-6,-3,0,3,6,9,12,15},
    legend pos=north east,
    ymajorgrids=true,
    grid style=dashed,
    line width=0.7pt,
    mark size=1.5pt,
]

    \addplot[
    color=black,
    dash pattern=on 1pt off 3pt on 3pt off 3pt,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
      (-4.5,4.5)(-4,4)(-3.5,3.5)(-3,3)(-2.5,2.5)(-2,2)(-1.5,1.5)(-1,1)(-0.5,0.5)(0,0)(0.5,-0.5)(1,-1)(1.5,-1.5)(2,-2)(2.5,-2.5)(3,-3)(3.5,-3.5)(4,-4)(4.5,-4.5)
    };
    \addlegendentry{Invertující zesilovač 1}
    \addplot[
    color=violet,
    dash pattern=on 1pt off 3pt on 3pt off 3pt,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
      (-4.5,15)(-4,15)(-3.5,15)(-3.4,13.6)(-3,11.9)(-2.5,10)(-2,8)(-1.5,6)(-1,4)(-0.5,2)(0,0)(0.5,-2)(1,-4)(1.5,-6)(2,-8)(2.5,-10)(3,-11.9)(3.4,-13.6)(3.5,-15)(4,-15)(4.5,-15)
    };
    \addlegendentry{Invertující zesilovač 2}

\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{Napěťové charakteristiky invertujícího zesilovače}
\end{figure}

\newpage
\section{Oveření vlastností invertujícího součtového zesilovače}
\subsection{Konstantní hodnoty}
\subsubsection{Invertující součtový zesilovač}
\begin{flalign*}
R_1=1k\Omega, R_2=1k\Omega, R_{zp}=1k\Omega
\end{flalign*}

\subsection{Tabulka napěťového zesílení}
\begin{table}[!htb]
    \centering
  \begin{minipage}[t]{.7\textwidth}
    \centering
    \begin{tabular}[t]{ccc}
      \toprule
      $U_1$ [V] & $U_2$ [V] & $U_v$ [V] \\ \cmidrule[\lightrulewidth](lr){1-3}
      0 & 5 & -5 \\
      0.5 & 5 & -5.5 \\
      1 & 5 & -6 \\
      1.5 & 5 & -6.5 \\
      2 & 5 & -7 \\
      2.5 & 5 & -7.5 \\
    \bottomrule
    \end{tabular}
    \caption{\label{table:invertsumampl}Zesílení invertujícího součtového zesilovače}
  \end{minipage}
\end{table}

\newpage
\subsection{Graf napěťových charakteristik}
\begin{figure}[!hbt]
\centering
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
    xlabel={Počet měření},
    ylabel={$U_1$, $U_2$, $U_v$},
    xmin=0, xmax=7,
    ymin=-8, ymax=6,
    xtick={1,2,3,4,5,6},
    ytick={-7.5,-6.5,-5.5,-4.5,0,1,2,3,4,5},
    legend pos=north east,
    legend style={at={(0.95,0.50)},anchor=north east},
    ymajorgrids=true,
    grid style=dashed,
    line width=0.7pt,
    mark size=1.5pt,
]

    \addplot[
    color=black,
    dash pattern=on 1pt off 3pt on 3pt off 3pt,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
      (1,0)(2,0.5)(3,1)(4,1.5)(5,2)(6,2.5)
    };
    \addlegendentry{$U_1$}
    \addplot[
    color=violet,
    dash pattern=on 1pt off 3pt on 3pt off 3pt,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
      (1,5)(2,5)(3,5)(4,5)(5,5)(6,5)
    };
    \addlegendentry{$U_2$}
    \addplot[
    color=teal,
    dash pattern=on 1pt off 3pt on 3pt off 3pt,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
      (1,-5)(2,-5.5)(3,-6)(4,-6.5)(5,-7)(6,-7.5)
    };
    \addlegendentry{$U_v$}

\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{Napěťová charakteristika součtového zesilovače}
\end{figure}

\newpage
\section{Ověření vlastností rozdílového zesilovače}
\subsection{Konstantní hodnoty}
\subsubsection{Rozdílový zesilovač}
\begin{flalign*}
R_1=1k\Omega, R_2=1k\Omega, R_3=1k\Omega
\end{flalign*}

\subsection{Tabulka napěťového zesílení}
\begin{table}[!htb]
    \centering
  \begin{minipage}[t]{.5\textwidth}
    \centering
    \begin{tabular}[t]{ccc}
      \toprule
      $U_1$ [V] & $U_2$ [V] & $U_v$ [V] \\ \cmidrule[\lightrulewidth](lr){1-3}
      0.5 & 5 & 4.5 \\
      1 & 5 & 4 \\
      1.5 & 5 & 3.5 \\
      2 & 5 & 3 \\
      2.5 & 5 & 2.5 \\
      3 & 5 & 2 \\
      3.5 & 5 & 1.5 \\
      4 & 5 & 1 \\
      4.5 & 5 & 0.5 \\
      5 & 5 & 0 \\
      5.5 & 5 & -0.5 \\
      6 & 5 & -1 \\
      6.5 & 5 & -1.5 \\
      7 & 5 & -2 \\
      7.5 & 5 & -2.5 \\
      8 & 5 & -3 \\
    \bottomrule
    \end{tabular}
    \caption{\label{table:diffampl}Zesílení rozdílového zesilovače}
  \end{minipage}
\end{table}

\newpage
\subsection{Graf napěťových charakteristik}
\begin{figure}[!hbt]
\centering
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
    xlabel={Počet měření},
    ylabel={$U_1$, $U_2$, $U_v$},
    xmin=0, xmax=17,
    ymin=-4, ymax=9,
    xtick={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16},
    ytick={-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8},
    legend pos=north east,
    legend style={at={(0.95,0.50)},anchor=north east},
    ymajorgrids=true,
    grid style=dashed,
    line width=0.7pt,
    mark size=1.5pt,
]

    \addplot[
    color=black,
    dash pattern=on 1pt off 3pt on 3pt off 3pt,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
      (1,0.5)(2,1)(3,1.5)(4,2)(5,2.5)(6,3)(7,3.5)(8,4)(9,4.5)(10,5)(11,5.5)(12,6)(13,6.5)(14,7)(15,7.5)(16,8)
    };
    \addlegendentry{$U_1$}
    \addplot[
    color=violet,
    dash pattern=on 1pt off 3pt on 3pt off 3pt,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
      (1,5)(2,5)(3,5)(4,5)(5,5)(6,5)(7,5)(8,5)(9,5)(10,5)(11,5)(12,5)(13,5)(14,5)(15,5)(16,5)
    };
    \addlegendentry{$U_2$}
    \addplot[
    color=teal,
    dash pattern=on 1pt off 3pt on 3pt off 3pt,
    mark=*,
    mark options={solid},
    smooth
    ]
    coordinates {
(1,4.5)(2,4)(3,3.5)(4,3)(5,2.5)(6,2)(7,1.5)(8,1)(9,0.5)(10,0)(11,-0.5)(12,-1)(13,-1.5)(14,-2)(15,-2.5)(16,-3)
    };
    \addlegendentry{$U_v$}

\end{axis}
\end{tikzpicture}
\caption{Napěťová charakteristika rozdílového zesilovače}
\end{figure}

\newpage
\section{Závěr}
Ve čtyřech různých zapojeních můžeme porovnat vlastnosti jednotlivých zesilovačů
a závislosti výstupního napětí $U_2$ při změně $U_1$.\\
\newline
Můžeme pozorovat jednotlivé náběhy napětí, dané úseky až do krajních mezí k~bodům
nasycení. Taktéž můžeme pozorovat závislosti při změnách odporů.\\
Výsledné zesílení můžeme jednoduše spočítat nebo změřit.\\
\newline
Můžeme pozorovat, že narozdíl od neinvertujícího zesilovače, invertující má
větší rozsah vstupního napětí $U_1$ než se dostane do stavu nasycení a to přibližně o 2V.

\end{document}