1

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ.

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ (ОУ). ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ. НЕ ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ. СУММАТОР НА ОУ

Цель работы

Исследовать свойства операционного усилителя (ОУ). Изучить работу усилителей построенных на основе ОУ.

Краткие сведения из теории

Одним из основных признаков, по которому классифицируют сколько-нибудь сложные системы, является конфигурация цепей воздействий. По этому признаку различают системы с разомкнутыми и замкнутыми цепями воздействий. В незамкнутых системах между входом и выходом существует только прямая связь, а их работа определяется лишь параметрами входящих в такие системы элементов. Принципиальным отличием замкнутых систем является наличие в них не только прямой, но и обратной связи (ОС) между входом и выходом. Обратная связь, с помощью которой создается замкнутая цепь воздействий элементов друг на друга, служит для сравнения выходного сигнала системы с заданным значением и выполнения соответствующей коррекции ее работы, она делает систему более совершенной, так как в замкнутых системах появляется самоконтроль, приводящий, прежде всего к повышению точности работы.

Если попадание сигнала ОС уменьшает результирующий сигнал, то такая обратная связь называется отрицательной обратной связью (ООС).

Обратная связь при которой попадание сигнала ОС вызывает увеличение результирующего сигнала называется положительной обратной связью (ПОС).

Следует отметить, что различают внешнюю и паразитную обратные связи. Под внешней обратной связью понимают такую связь, при которой сигнал передается с выхода устройства на его вход через специальные введенные цепи ОС. Паразитными ОС называют самопроизвольные обратные связи.

Рисунок 1. УГО и ЦБО операционного усилителя

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование, преобразование их формы и др. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей обратной связи, в состав которых могут входить различные электронные элементы. УГО и ЦБО операционного усилителя представлены на рисунке 1.

Входные сигналы можно подавать на любой из двух входов, один из которых изменяет полярность выходного напряжения и поэтому называется инвертирующим (-), а другой не изменяет полярности выходного напряжения и называется - неинвертирующим (+). Инвертирующий вход обозначается кружком (в Electronics Workbench знаком “минус”). Два вывода ОУ используются для подачи на него напряжения питания U1 и U2.

Разность напряжений на входах ОУ называют дифференциальным (разностным) входным сигналом ОУ, а полусумму этих напряжений - синфазным входным сигналом. В общем случае ОУ содержит следующие узлы: входной дифференциальный усилитель, усилитель напряжения, узел сдвига постоянного уровня и усилитель мощности (рисунок 2).

Рисунок 2. Функциональная схема ОУ

Входной дифференциальный усилитель (ДУ) используется в ОУ для усиления сигнала, пропорционально разности двух входных сигналов; усилитель напряжения служит для развязки входа-выхода усилителя и усиления сигнала дифференциального усилителя; узел сдвига согласовывает уровень выходного напряжения усилителя напряжения с входными параметрами усилителя мощности; усилитель мощности служит для согласования выходного сопротивления усилительных каскадов ОУ с низкоомной нагрузкой.

Реальный ОУ должен как можно больше соответствовать идеальному источнику напряжения управляемому напряжением с бесконечно большим коэффициентом усиления. Входное дифференциальное сопротивление должно быть равно бесконечности. Выходное сопротивление должно быть равно нулю, а следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высокой частоты (десятки МГц).

Рассмотрим подробнее некоторые параметры ОУ.

Средний входной ток Iвх. В отсутствии сигнала на входах ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызывать появление напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе ОУ, которые могут вызывать появление напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Компенсация этого падения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10…20 %.

Входные токи ОУ можно оценить по среднему входному току, вычисляемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов:

где I1 и I2 соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов.

Средний входной ток ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах лежит в диапазоне 0.01 - 1 мкА, при использовании полевых транзисторов во входных каскадах усилителя Iвх составляет менее 1нА.

Разность входных токов ДIвх определяется выражением:

В справочниках указываю модуль этой величины.

Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе Ку - показатель ОУ, определяющий насколько хорошо выполняет ОУ свою основную функцию - усиление входных сигналов. В реальных ОУ не более 1•106.

Напряжение смещения Uсм - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на выходе было равно нулю.

Напряжение смещения Uсм можно вычислить, зная выходное напряжение при отсутствии напряжения на входе и коэффициент усиления:

Максимальное по модулю значение Uсм для усилителей, входные каскады которых выполнены на биполярных транзисторах, чаще всего составляет 3 - 10 мВ. У тех ОУ, у которых входной каскад строится на полевых транзисторах, напряжение смещения обычно на порядок больше, 30 - 100 мВ.

Входное сопротивление Rвх. Различаю две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращение входного синфазного напряжения к вызванному приращению среднего входного тока :

.

Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между входами ОУ и может быть определенно по формуле:

,

где - изменение напряжения между входами ОУ, - изменение входного тока.

Входное дифференциальное сопротивление для ОУ находится в пределах 10 кОм…10МОм. Величина входного сопротивления по синфазному сигналу обычно на 1-2 порядка и более превышает дифференциальное входное сопротивление.

Выходное сопротивление Rвых в ОУ составляет от долей Ома до нескольких десятков Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки.

Скорость нарастания выходного напряжения VUвых равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течении которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений.

.

Инвертирующий усилитель. Усилитель (рисунок 9.3, а) называется инвертирующим по той причине, что его выходной сигнал находиться в противофазе с входным. Рассмотрим его работу. К инверсному входу ОУ через резистор R1 приложено положительное напряжение Е1. Отрицательная обратная связь осуществляется резистором обратной связи R2. Напряжение между входами (+) и (-) практически равно 0. Поэтому инверсный вход ОУ также находится под нулевым потенциалом, т. е. потенциалом земли. Поэтому говорят, что вход (-) потенциально заземлен.

Так как на одном из выводов резистора R1 имеется потенциал Е1, а на другом - 0В, то падение напряжения на R1 равно Е1. Ток I через резистор R1 находят по закону Ома: I=E1/R1.

Весь входной ток I протекает по R2, поскольку вход (-) ОУ потребляет ток пренебрежимо малой величины. Заметим, что ток в R2 определяется R1 и Е1, а не значениями R2, Uвых или параметрами операционного усилителя.

Падение напряжения на R2 равно IR2 или.

Но из рисунка 9.4 видно, что один вывод R2 соединен с нагрузкой R3. Напряжение относительно земли в точке этого соединения равно Uвых. Вторые выводы R2 и R3 находятся под потенциалом земли. Следовательно, Uвых равно Uо.с. (напряжению на R2). Для определения полярности Uвых заметим, что левый по схеме вывод R2 имеет потенциал земли. Направление тока задаваемое Е1, таково, что правый вывод R2 находится под отрицательным потенциалом. Отсюда следует, что при положительном напряжении Е1 напряжение Uвых отрицательное. Теперь, приравняв Uвых к Uо.с. и добавив знак минус, отражающий тот факт, что Uвых имеет полярность, противоположную полярности Е1, имеем

.

Коэффициент усиления с обратной связью можно получить из (*) в следующем виде:

.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя по постоянному току (рисунок 3, б) равен

.

У неивертирующего усилителя выходное напряжение имеет ту же полярность, что и входное напряжение.

Рисунок 3 Инвертирующий (а), неинвертирующий (б) усилители и повторитель напряжения на ОУ (в)

Рисунок 4 Инвертирующий усилитель

Частным случаем неинвертирующего усилителя является повторитель напряжения (рисунок 3, в) с единичным коэффициентом передачи; он обладает весьма высоким входным сопротивлением и используется для согласования высокоомных измерительных преобразователей (ИП) с последующими вторичными ИП с низкоомным входом.

Дифференциальные усилители находят применение в качестве масштабирующих преобразователей для датчиков с малым входным сигналом в условии сильных промышленных помех, например, термопар, емкостных датчиков, датчиков биотоков и т.п.

Простейшая схема дифференциального усилителя изображена на рисунке 5, а. Делитель напряжения на входе используется для выравнивания коэффициентов усиления сигналов U1 и U2, при этом выходное напряжение определяется выражением:

На рисунке 9.5, б представлена схема дифференциального усилителя подключенного к мостовой схеме, преобразует приращение сопротивления в напряжение. Такие усилители применяются при использовании датчиков, включаемых по мостовой схеме и способны реагировать на очень малые изменения сопротивления. На рисунке 9.5, б представлен датчик температуры, при незначительном изменении температуры терморезистор Rt изменяет свое сопротивление, в результате чего между входами ОУ возникает разность потенциалов, и усиленный сигнал поступает на выход.

При пуске схемы необходимо сбалансировать мост, т.е. установить номинальную температуру, и подобрать сопротивления в мостовом усилителе, так чтобы на выходе ОУ отсутствовал сигнал, только в этом случае можно будет измерить отклонение температуры, от ее номинального значения. напряжение ток мощность усилитель

Рисунок 5 Дифференциальные усилители (а, б)

Рисунок 6 Схема со сбалансированным мостом Уитстона

Рисунок 7 Ошибочный выбор резисторов в мосте Уитстона

На рисунках 7, 8 показаны неверные конструкции схемы. При правильном включении датчика, на выходе датчика напряжение равно нулю (при номинальном значении температуры), что видно из рисунка 6. Малые сопротивления R1 и R2 влияют на сигнал с терморезистора, на выходе возникает нелинейность (рисунке 7). Отсутствие делителя напряжения на неинвертирующем входе приводит, к нарушению симметрии в схеме (рисунок 8).

Рисунок 8 Асимметричная схема

Сумматор. Схема двухвходового сумматора представлена на рисунке 9.9. Каждый вход сумматора соединяется с инвертирующим входом ОУ через взвешивающий резистор (R1, R2…Rn). Инвертирующий вход называется суммирующим узлом, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи. В сумматоре, пренебрегая входными токами и напряжением смещения, выполняются следующие соотношения:

,

.

Из полученных соотношений можно получить следующее выражение для выходного выражения:

Последнее выражение справедливо при .

Рисунок 9 Двухвходовый сумматор напряжений

Содержание лабораторной работы

1. Составить и рассчитать схемы усилителей с коэффициентом усиления: K=-(N*3-N) - для инвертирующего усилителя, K=N*3 - для неинвертирующего усилителя, K=(N*3+N) - для дифференциального усилителя, где N - номер варианта.

2. Собрать схемы сумматоров, у которых: а) выходное напряжение было бы равно нулю, б) напряжение большее в 4 раза больше входного.

Контрольные вопросы