Электронные устройства на операционных усилителях

Размещено на http://www.allbest.ru

Лабораторная работа №5

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

1. Цель работы

Изучение принципа работы операционных усилителях и исследование характеристик устройств на их основе: инвертирующего усилителя, интегратора, дифференциатора и избирательного усилителя.

2. Приборы и принадлежности

операционный усилитель интегратор дифференциатор

1). ПК с установленным ПО National Instruments.

2). NI ELVIS II.

3. Теоретические сведения

1. НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ ОУ.

Операционный усилитель (ОУ) - это малогабаритный (в интегральном исполнении отечественных серий К140, К544, К553, КР1040УД, КР1435 и др. и импортных серий AD8041, OP275, LM339 и др.) многокаскадный усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами и большим коэффициентом усиления.

Операционные усилители предназначены как для усиления электрических сигналов, так и для осуществления различных операций над сигналами: сложение, вычитание, интегрирование, логарифмирование и др. Кроме этого, операционные усилители часто используют при конструировании компараторов, генераторов гармонических колебаний и сигналов различной формы, избирательных усилителей и других устройств. Такие усилители имеют симметричный дифференциальный высокоомный вход, высокий коэффициент усиления, низкоомный (сравнительно мощный) выход и сконструированы таким образом, что к ним могут быть подключены различные корректирующие цепи и цепи обратной связи.

Размещено на http://www.allbest.ru

Функциональная схема типового ОУ представлена на рис. 5.1, а, а его условное обозначение - на рис 5.1, б. Входной дифференциальный каскад ОУ, обычно реализуемый на полевых транзисторах, обеспечивает высокое входное сопротивление. Выходным каскадом является двухтактный усилитель мощности с низким выходным сопротивлением (эмиттерный повторитель). В настоящее время ОУ проектируют по двухкаскадной схеме.

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий (И) и неинвертирующий (Н). Их название связано с тем, что в первом случае выходное напряжение находится в противофазе с входным, а во втором случае - в фазе с входным напряжением. Для питания ОУ обычно используют два разнополярных источника питания +U_n и U_n или один биполярный источник, а его среднюю точку соединяют с общей шиной (заземляют), относительно которой измеряются напряжения +U_n и U_n, равные . Для получения нужных свойств к дополнительным выводам ОУ подключают звенья обратной связи.

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ОУ.

Без обратных связей ОУ не применяется из-за его большого коэффициента усиления (для идеального ОУ K_u = ; R_вх = ; R_вых = 0 и бесконечная полоса частот усиливаемого сигнала), вследствие чего даже незначительная асимметрия плеч входного дифференциального усилителя или весьма малое входное напряжение могут привести к насыщению ОУ (формированию на выходе ОУ напряжения, близкого по уровню к напряжению питания) и его неспособности обрабатывать входные сигналы.

Размещено на http://www.allbest.ru

Подключив звено отрицательной обратной связи (ООС), состоящее из двух резисторов (делителя), например, R_oc 200 кОм и R₁ 5 кОм между выходом и инвертирующим входом и соединив вход Н с общей точкой, получим инвертирующий усилитель (рис. 5.2, а) с фиксированным коэффициентом усиления, амплитудная характеристика которого изображена на рис. 5.2, б, на которой напряжение смещения U_см = U_вых.0/K_u.oc (при u_вых = 0) есть приведенный к входу ОУ дрейф нуля U_вых.0 при U_вх = 0 от всех дестабилизирующих факторов.

Схема неинвертирующего усилителя и его амплитудная характеристика представлены на рис. 5.2, в, г.

Основными параметрами ОУ с ООС являются:

коэффициент усиления напряжения K_u.ос = u_вых/u_вх, где u_вх - разность потенциалов между входными выводами, и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ (K_u = 10⁵…10⁶). Для инвертирующего ОУ c ООС K_u.ос приближенно определяется отношением сопротивлений резисторов R_oc и R₁ звена ООС по напряжению, т. е. K_u.ос R_oc/R₁.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя (см. рис. 5.2, в)

.

Максимальное значение напряжения, при котором нелинейные искажения пренебрежительно малы, т. е. меньше напряжения питания U_n на 0,5 …3 В в зависимости от уровня U_п;

входное сопротивление для разностного сигнала между входами ОУ на низкой частоте R_вх 10³ …10⁷ Ом;

выходное сопротивление R_вых < 100 Ом;

входное напряжение смещения нуля U_см (единицы милливольт) дифференциальное напряжение, которое нужно приложить между входами ОУ, чтобы его выходное напряжение в отсутствие входных сигналов стало равно нулю;

частота среза f_в, соответствующая спаду АЧХ ОУ на 3 дБ;

частота единичного усиления f₁ (достигает сотен мегагерц), т. е. частота, при которой K_u = 1;

скорость нарастания выходного напряжения (v 1…100 В/мкс) при подаче ступенчатого напряжения на вход и коротком замыкании выхода на инвертирующий вход;

время установления выходного напряжения (t_уст = 0,05…2 мкс) от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения.

Одним из важных достоинств ОУ является подавление (ослабление) синфазного сигнала u_вх._сф = (u_вх1 + u_вх2)/2, соответствующего равным по значению и одинаковым по знаку напряжениям, приложенным к обоим входам. Коэффициентом ослабления синфазного сигнала

К_ос.сф = 20lg(К_u.oc/K_сф) = 60…120 дБ,

где К_u.oc коэффициент усиления напряжения u_вх._сф, приложенного между входными выводами ОУ, т. е. разностного напряжения u = u_вх1 u_вх2; K_сф = u_вых._сф/u_вх._сф коэффициент усиления напряжения u_вх._сф, приложенного между общей шиной и каждым входом ОУ. Чем больше К_ос.сф, тем меньшую разность входных сигналов сможет различить ОУ на фоне большого синфазного напряжения.

Формирование напряжения на выходе ОУ в отсутствие входных сигналов (дрейф нуля) обусловлено неполной идентичностью напряжений эмиттерных переходов транзисторов входного дифференциального усилителя, изменением температуры окружающей среды, параметров источников питания, старением активных элементов схемы и т. п. Введением внешних цепей коррекции (балансировки), подключаемых к специально предусмотренным для этой цели выводам ОУ, можно компенсировать погрешности, обусловленные действием всех перечисленных выше дестабилизирующих факторов, приводящих к дрейфу нуля.

3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ НА ОСНОВЕ ОУ

На основе ОУ строят функциональные узлы для выполнения различных математических операций (рис. 5.4): повторитель (а), выходной сигнал которого практически равен входному, интегратор (б), выходной сигнал которого пропорционален интегралу по времени от его входного сигнала, дифференциатор (в), выходной сигнал которого пропорционален производной от его входного сигнала, избирательный усилитель (г), усиливающий входной сигнал в узкой полосе частот, сумматор (д), выходное напряжение которого равно инвертированной сумме входных напряжений, и др.

Параметры компонентов схемы определяют из условия получения приемлемой точности выполнения операций. Например, для уменьшения ошибки интегрирования и влияния входного тока и напряжения смещения параллельно конденсатору С интегратора (см. рис. 5.4, б) подключают резистор, сопротивление которого значительно больше сопротивления R1.

Размещено на http://www.allbest.ru

С той же целью в дифференциаторе последовательно с конденсатором С (см. рис. 5.4, в) включают резистор. Кроме того, при моделировании процессов интегрирования и дифференцирования входных сигналов (импульсов), исходя из свойств ОУ и скорости изменения входных импульсов, определяют допустимую максимальную длительность входного сигнала для интегратора и минимальную для дифференциатора.

Диапазон интегрирования реального интегратора ограничен снизу частотой сигнала сн = 1/RC(Кu + 1), а сверху частотой св = (Кu + 1)/oу, где oу - постоянная времени ОУ, а допустимое максимальное время интегрирования tи.max << = RC. При этом в интеграторе должны быть введены внешние цепи принудительного его обнуления, так как выходное напряжение интегратора равно

uвых = ,

где Uвх.0 - значение напряжения на зажимах конденсатора в момент начала новой волны интегрирования периодического сигнала.

На практике при интегрировании выбирают постоянную времени звена обратной связи = RC, по крайней мере, в 10…100 раз больше длительности входного сигнала, а при дифференцировании её выбирают в 10…100 раз меньше длительности нарастания фронта входного сигнала и, тем более, существенно меньше его длительности.

3. ПАРАМЕТРЫ ОУ ТИПА АD846.

В библиотеке MS10 имеются линейные и нелинейные модели операционных усилителей с тремя, пятью и более выводами для подключения источников напряжения, входных и выходного сигналов, цепей обратной связи и корректирующих цепей. Для проведения исследований выбираем модель широкополосного операционного усилителя AD846 фирмы-изготовителя Analog Devices и модель LM741 фирмы National Semiconductor Products.

Для питания указанного типа ОУ требуется небольшой ток, при этом обеспечивается высокое значение произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания K_uf и высокая скорость нарастания выходного напряжения. Поэтому их можно рекомендовать к использованию в качестве быстродействующих интеграторов, цифро-аналоговых преобразователей, в схемах других устройств, требующих небольшого напряжения смещения и небольшого дрейфа этого напряжения, большого входного сопротивления, высокой скорости нарастания и широкой полосы пропускания сигнала.

4. Экспериментальная часть

Задание 1

Инвертирующий усилитель. Запустить лабораторный комплекс Labworks и среду МS10 (щёлкнув мышью на команде Эксперимент меню комплекса Labworks). Собрать на рабочем поле среды MS10 схему для испытания инвертирующего усилителя на ОУ (рис. 5.5), ознакомиться с методикой расчёта параметров элементов схемы и установить их в диалоговых окнах компонентов. Скопировать схему (рис. 5.5) на страницу отчёта.

Рис. 5.5

1.1. Инвертирующий усилитель (рис. 5.5) собран на ОУ типа AD846, параметры которого приведены на рис. 5.3. Входное напряжение от источников постоянного напряжения Е1, прямоугольных импульсов Е2, синусоидального напряжения Е3 посредством выключателей (ключей) А, В и С подаётся на инвертирующий вход ОУ через резистор R1, сопротивление R₁ = 10 кОм которого, в основном, определяет значение входного сопротивления усилителя, т. е. R_вх R₁ = 10 кОм. С помощью потенциометра Roc с сопротивлением R_ос = 500 кОм обеспечивается отрицательная параллельная обратная связь по напряжению.

При R_ос= 500 кОм коэффициент усиления по напряжению

Для устранения различия сопротивлений на входах ОУ и ослабления синфазного сигнала в цепь неинвертирующего входа включен резистор R2 с сопротивлением

При большом коэффициенте ОУ К_u = 500000 выходное сопротивление смоделированной схемы близко к нулю, т. е.

Поскольку сопротивление нагрузки для ОУ, как правило, должно быть не менее 2 кОм, выбираем резистор R3 с сопротивлением R₃ = 2 кОм.

1.2. Снять и построить амплитудную характеристику ОУ u_вых = f(u_вх), определить по ней коэффициент усиления K_u.ос = u_вых/u_вх, сравнить их с расчётными значениями. С этой целью замкнуть ключ С и, ступенчато (с интервалом в 50 мВ) изменяя ЭДС Е₂ = U_вх источника постоянного напряжения E3 в границах 300 мВ … 0 … 300 мВ, заносить показания прибора V1 в составленную таблицу.

Задание 2

Неинвертирующий усилитель. Запустить лабораторный комплекс Labworks и среду МS10 (щёлкнув мышью на команде Эксперимент меню комплекса Labworks). Собрать на рабочем поле среды MS10 схему для испытания неинвертирующего усилителя на ОУ (рис. 5.6), ознакомиться с методикой расчёта параметров элементов схемы и установить их в диалоговых окнах компонентов. Скопировать схему (рис. 5.6) на страницу отчёта.

Рис. 5.6.

1.2. Снять и построить амплитудную характеристику ОУ u_вых = f(u_вх), определить по ней коэффициент усиления K_u.ос = u_вых/u_вх, сравнить их с расчётными значениями. С этой целью замкнуть ключ С и, ступенчато (с интервалом в 50 мВ) изменяя ЭДС Е₂ = U_вх источника постоянного напряжения E3 в границах 300 мВ … 0 … 300 мВ, заносить показания прибора V1 в составленную таблицу.

Размещено на http://www.allbest.ru

Задание 3

Собрать на рабочем поле среды MS10 схему (рис. 5.8) для испытания интегратора (код 110 состояния ключей А, В и С: цифра 1 - ключ замкнут, цифра 0 - ключ разомкнут), дифференциатора (код ключей 001) и избирательного усилителя (код ключей 011) на ОУ типа LM741 (K_u = 210⁵) и задать в диалоговых окнах параметры элементов схемы.

Скопировать схему (рис. 5.8) на страницу отчёта.

2.1. На вход интегратора (см. рис. 5.8, код 110) подать периодический сигнал u_вх прямоугольной формы c амплитудой U = 20 мВ и длительностью импульса t_и = 0,01Т = 0,1 мс, где период Т = 1/f = 1/100 = 0,01 с, который формируется функциональным генератором XFG1 после установки в его диалоговом окне (см. рис. 5.9, справа) амплитуды (Amplitude) U_вх = = 10 мВ, частоты (Frequency) f = 1200 Гц, длительности (Duty Cycle) положительной полуволны меандра в пределах периода Т, равной 1 %, и смещения (Offset) 10 мВ сигнала по вертикали от нулевого уровня.

Выбрать режим работы (коэффициенты усиления входного и выходного каналов и необходимую длительность развертки во времени) в диалоговом окне осциллографа XSC1 и измерить при t = t_и уровень практически линейно нарастающего сигнала u_вых на выходе интегратора (см. рис. 25.9).

Сравнить полученное значение напряжения U_вых со значением U_вых для идеального интегратора, равного

U_вых = U_вхt_и/(R₁C_oc) = 1010^-310^-4/(10⁴10^-9) = 0,2 В.

Скопировать (зарисовать) осциллограммы входного и выходного сигналов (см. рис. 25.9) на страницу отчёта.

Размещено на http://www.allbest.ru

Примечание. Для наглядности на рис. 5.9 фаза выходного сигнала u_вых с помощью кнопки осциллографа, расположенной в нижней строчке установки режимов его работы, изменена на 180.

2.2. Установить параметры функционального генератора XFG1 (см. рис. 5.10, справа), сопротивления резисторов: R₁ = 5 кОм, R_ос = 100 кОм, ёмкость конденсатора С₁ = 2 нФ и подать на вход дифференциатора (см. рис. 5.8, код 001) сформированный генератором симметричный треугольный сигнал с амплитудой U = 0,5 В и периодом Т = 5 мс. Измерить с помощью осциллографа амплитуду выходного сигнала u_вых практически прямоугольной формы (рис. 5.10) и сравнить её значение с расчётным значением для идеального дифференциатора по времени

U_вых = R_ocC₁U_вх/t_и = 10⁵210^-91/2510^-4 = 80 мВ.

Скопировать (зарисовать) осциллограммы входного и выходного сигналов (см. рис. 5.10) на страницу отчёта.

2.3. Установить в диалоговом окне функционального генератора XFG1 (см. рис. 5.10, справа) амплитуду напряжения 10 мВ и режим работы "синусоидальное напряжение"; сопротивления резисторов R₁ = 10 кОм и R_ос = 500 кОм, ёмкость конденсаторов С₁ = С_ос = 1 нФ и подать на вход избирательного RC-усилителя с интегродифференцирующей обратной связью (см. рис. 5.8, код 001) сформированный генератором синусоидальный сигнал. В диалоговом окне плоттера XBP1 (рис. 25,11, справа) задать границы верхней и нижней частот моделирования АЧХ усилителя: f_в = 20 кГц, f_н = 200 Гц, границы уровней коэффициента усиления (30 и 0), логарифмическую шкалу для частот и линейную для АЧХ.

Размещено на http://www.allbest.ru

Измерить с помощью визирной линии в окне плоттера максимальный коэффициент усиления на квазирезонансной частоте

.

Расчётное значение

Размещено на http://www.allbest.ru

Определить полосу пропускания избирательного усилителя на уровне 0,707К_u.max.

Скопировать график АЧХ избирательного усилителя (см. рис. 5.11) на страницу отчёта.

Размещено на Allbest.ru