лр 3 ОУ. Лабораторная работа 3 исследование электрических схем с операционным усилителем цель работы
 Скачать 4.34 Mb.
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ С ОПЕРАЦИОННЫМ УСИЛИТЕЛЕМ ЦЕЛЬ РАБОТЫ Ознакомление с функциональными схемами на операционном усилителе (ОУ). ЗАДАНИЕ 1 Ознакомление с микросхемой операционного усилителя – электрической схемой, основными параметрами схемы, маркировкой выводов. 2 Исследовать схему умножения на постоянный коэффициент, содержащую ОУ (решающий масштабный ОУ). 3 Исследовать сумматор на ОУ. Из опыта и расчета получить величину входного напряжения при заданных напряжениях на двух–трех входах. 4 Исследовать схему интегратора на ОУ. Опытным путем получить осциллограммы входного и выходного напряжений, подключая к входу генератор прямоугольных импульсов напряжения. 5 Исследовать дифференциатор, интегратор и активный полосовой фильтр на ОУ. Построить их амплитудно-частотные характеристики. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Операционный усилитель это усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления К=103–105 (60–100 дБ), высоким входным (десятки–сотни МОм) и малым выходным (единицы–десятки Ом) сопротивлением в широком диапазоне частот (0–100 МГц), который охвачен глубокой отрицательной обратной связью. Операционные усилители широко используются в устройствах автоматики, вычислительной, измерительной техники и др. На основе операционного усилителя путем подключения во внешние цепи усилителя дополнительных элементов – конденсаторов, резисторов, транзисторов, диодов, возможно получение различных решающих усилителей, импульсных генераторов, триггеров, стабилизаторов. В приближенных расчетах таких устройств операционный усилитель является идеальным: коэффициент усиления напряжения (без цепи обратной связи) бесконечно большой:  .Входное сопротивление усилителя бесконечно велико (iвх. ус 0): Rвх. ус . Выходное сопротивление усилителя мало: Rвых. ус 0. В данной работе рассматриваются вопросы, связанные с применением операционного усилителя в решающих устройствах, выполняющих различные математические операции: умножение, сложение, дифференцирование, интегрирование. 1 Микросхема операционного усилителя На рис. 56 показано условное обозначение операционного усилителя, выполненного в виде интегральной микросхемы.  Рис.56 В интегральном исполнении ОУ серии 140 изготавливаются в металлостеклянных и пластмассовых корпусах с гибкими выводами, обозначенными на схеме цифрами. Вывод 3 – инвертирующий вход. Входное напряжение, подключаемое к этому выводу, находится в противофазе по отношению к выходному напряжению. Вывод 4 – неинвертирующий вход. Вывод 7 – выход. К выводам 8 и 5 подключаются источники питания напряжением Е = 15 В относительно общей точки схемы – вывод 1. К выводам 2 и 6 подключают переменный резистор 10 КОм для установки нулевого напряжения на выходе при отсутствии входного сигнала. Принципиальная электрическая схема усилителя К140УД8 представлена на рис. 57.  Рис.57 Входной каскад собран на полевых транзисторах VT1, VT11. В цепи истока этих транзисторов включен стабилизатор тока на транзисторах VT4, VT5, а в стоках – два транзистора VT2, VT9, стабилизирующие режим работы дифференциальной пары. Второй каскад – несимметричный дифференциальный каскад на двух эмиттерных повторителях – выполнен на транзисторах VT7, VT12. Выход этого каскада соединен с входом усилителя напряжения, выполненного на составном транзисторе VT15, VT19, нагрузкой которого служит полевой транзистор VT17. С коллекторов транзисторов сигнал поступает на выходной каскад микросхемы – бестрансформаторный усилитель мощности на составных транзисторах VT20, VT22 и VT23, VT24. Сигнал положительной полярности усиливается составным транзистором VT20, VT22, а отрицательный – VT23, VT24. Транзисторы VT20, VT24 служат для защиты микросхемы от токов короткого замыкания. Также в микросхеме применена внутренняя коррекция. В таблице 15 приведены основные параметры микросхемы К140УД8 и ее эксплуатационные характеристики. Таблица 15
2 Масштабный операционный усилитель Масштабный усилитель (рис. 58) реализует функцию умножения на постоянный коэффициент.  Рис. 58 Чтобы убедиться в этом, составляют уравнение для токов i1 = i4 (1) и выражают токи через напряжения ветвей  , (2) . (3)Так как напряжение на входе усилителя мало  ,то формула (1) принимает вид:  . (4)Откуда получают, что  . (5)Из формулы (5) следует: а) напряжение на выходе схемы (рис. 58) пропорционально напряжению на входе и имеет противоположную фазу; коэффициент передачи напряжения:  ;б) при R4=R1 получают инвертирующее устройство: U вых = – U вх . (6) 3 Сумматор на операционном усилителе На рис. 59 представлена схема сумматора с тремя входами. Сумматор осуществляет операцию алгебраического суммирования входных напряжений. Из уравнения для токов i4 = i1+ i2 + i3. (7)  Рис. 59 При iвх. ус 0получают уравнение связи выходного напряжения с входными напряжениями:  ; (8) (Uвхус 0); (9) (10)Из полученного соотношения (10) следует, что: а) выходное напряжение равно сумме входных напряжений с различными коэффициентами передачи  ;б) для простого суммирования необходимо положить R4 = R1 = R2 = R3 . 4 Интегратор на операционном усилителе Для получения схемы интегратора в параллельную ветвь обратной связи усилителя включают емкость С (рис. 60).  Рис. 60 Из схемы (рис. 60) видно, что i1 = i, (iвх.ус 0). (11) При Uвх.ус 0 токи определяются так:  ; (12) . (13)При подстановке (12) и (13) в (11) получают:  ; (14) (15)Напряжение на выходе схемы (рис. 60) равно интегралу от напряжений на входе. При синусоидальном сигнале формулу (15) представляют в комплексной форме  , (16)откуда получают комплексный коэффициент усиления (коэффициент передачи)  : . (17)Модуль коэффициента усиления интегратора зависит от частоты (обратно пропорционально):  . (18)Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) К() , представляющая собой зависимость модуля коэффициента передачи от частоты, для схемы идеального интегратора показана на рис. 61. Прямая линия – линейная аппроксимация АЧХ.  Рис. 61 Коэффициент усиления интегратора, имеющего реальный операционный усилитель с конечным значением коэффициента усиления, определяется по формуле:  , (19)где с = RCКус Модуль коэффициента усиления:  . (20)На рис. 62 показана амплитудно-частотная характеристика реального интегратора и ее кусочно-линейные аппроксимации (кривые - - - и – – –). На низких частотах ( 0) коэффициент усиления схемы К Кус. На частоте  коэффициент усиления схемы уменьшается в  раз по сравнению с величиной Кус. Это соответствует уменьшению К на 3 децибела в логарифмических единицах измерения коэффициента усиления .При частоте  коэффициент усиления К равен единице (0 децибел).Если интегратор используется для интегрирования переменных напряжений, то для уменьшения его чувствительности к заряду конденсатора с током смещения параллельно емкости С включают резистор R2 (рис. 63).  Рис.62  Рис.63 Амплитудно-частотная характеристика К() интегрирующей цепи (рис. 63) и ее кусочно-линейная аппроксимация (кривая – – –) даны на рис. 64.  Рис. 64 Для получения хорошей точности интегрирования нижняя граничная частота интегратора, равная  , задается на уровне 1/10 части низшей частоты интегрируемого сигнала сиг.min: с 0,1 сиг.min . (21) При расчете параметров схемы интегратора (рис. 63), имеющего желательную характеристику  и используемого на частотах f сигоколо 1 кГц, выбирают разумное значение емкости С и вычисляют сопротивление R1.Пусть С= 0,1 мкФ, по формуле  находят R1: .Затем из соотношения (21) находят нижнюю граничную частоту fс: Fс = 0,1f сиг.min = 0,11000 = 100 Гц. Нижняя граничная частота интегратора fс зависит от параметров С и R2:  .Из этой формулы получают сопротивление резистора R2:  .5 Дифференциатор на операционном усилителе. Активный полосовой RC-фильтр RC На рис. 64 показана схема дифференциатора. Связь напряжений на входе и выходе идеального дифференциатора устанавливается соотношением  . (22) Рис. 64 Передаточная функция схемы:  . (23)Амплитудно-частотная характеристика К() = RC показана на рис. 65.  Рис. 65 Так как дифференциатор имеет емкостной вход, то во избежание перегрузки источника напряжения Uвх следует включить последовательно с емкостью С1 резистор R1 (рис. 66).  Рис. 66 Передаточная функция такого дифференциатора имеет вид  .Частотная характеристика К( ) этой схемы  показана на рис. 67 (кривая 1). Также дана ее кусочно-линейная аппроксимация (кривая 2).  Рис. 67 Для получения высокой точности дифференцирования (2 %) максимальная частота сигнала должна быть в 10 раз меньше верхней граничной частоты схемы  : сиг.min 0,1 с. Расчет параметров схемы дифференциатора (рис. 68), имеющего желательную характеристику  .на рабочих частотах около 1 кГц, производят так. Сначала выбирают значение емкости С1и вычисляют сопротивление резистора R2 . Пусть С1 = 0,1 мкФ. Тогда  Затем находят верхнюю граничную частоту схемы f с: fс = 10fсиг.max = 10103 = 10 кГц . По частоте  получают величину R1: .После этого рассчитывают отношение  , которое должно быть больше 1.Во избежание появления нежелательных высокочастотных шумов на выходе дифференциатора (рис.66) параллельно резистору R2 включают емкость С2 (рис.68).  Рис. 68 Передаточная функция такой схемы имеет вид  , (24)где К() =  ,  .На рис. 69 приведена аппроксимированная АЧХ схемы, построенная по данным таблицы 16. Таблица 16
 Рис. 69 Для получения высокой точности дифференцирования сигнала в схеме (рис.68) емкость С2 надо выбрать так, чтобы частота  приблизительно в 10 раз превышала наибольшую частоту сигнала.Схему дифференциатора (рис. 68) можно использовать как полосовой фильтр пропускания, если соотношение  выбрать равным коэффициенту передачи схемы К в полосе пропускания. Емкость С1 рассчитать по нижней частоте фильтра с1: .Емкость С2 – по верхней частоте фильтра с 2:  .Итак, из кривой (рис. 69) видно, что схема (рис. 68) на частотах: а) от = 0 до  – идеальный дифференциатор;б) от с1 до  – усилитель, полосовой фильтр;в) от с 2 и выше – интегратор. | ||||||||||||||||||||||||||||||
