лабораторная 5 схемотехника. лаб_5_моисеев. Отчет по лабораторной работе 5 исследование схем на интегральном оу в частотной и временной областях
 Скачать 0.99 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕРЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ. ПРОФ. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА» (СПбГУТ) Отчет по лабораторной работе № 5 «ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НА ИНТЕГРАЛЬНОМ ОУ В ЧАСТОТНОЙ И ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТЯХ» Выполнили студенты 2 курса группы ИКТК-01 Моисеев Данила Принял: Павлов Владимир Васильевич Лабораторная работа 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НА ИНТЕГРАЛЬНОМ ОУ В ЧАСТОТНОЙ И ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТЯХ Цель работы: Изучить схемотехнические особенности построения интегральных ОУ, принцип построения макромодели в частотной области. Исследовать влияние внешних цепей ОС на характеристики устройств с ОУ. 3.1. Построение макромодели ОУ с частотной коррекцией Схема, однако, обладает свойствами скорректированного ОУ, в частности ее характеристики определяются двумя полюсами в функции передачи. В табл. 4 приведены типы микросхем операционного усилителя, исследуемых в этой лабораторной работе, и их параметры. В табл. 5 приведены номинальные значения элементов интегратора. В табл. 6 приведены номинальные значения элементов дифференциатора.   Рис. 5.4. Макромодель с параметрами элементов, задающих частотные свойства ОУ 3.2. Исследование свойств каскада на ОУ в частотной и временной областях 3.2.1. Схемы на ОУ с частотно-независимой ОС.    3.2.1.1. Характеристики в частотной области. В работе предусмотрены исследования устройств на ОУ в следующих режимах: режим без ОС; режим усиления с ОС при подаче сигнала на инверсный или на прямой вход ОУ. С этого момента в исследуемых схемах подсхема на будет заменять макромодель с рис. 5.4. Задание 1.      Рис. 5.4.2. Макромодель с параметрами элементов, задающих частотные свойства ОУ  Рис. 5.8. Частотные характеристики ОУ Задание 2. Построить АЧХ ОУ без ОС, определить коэффициент усиления μ на нижних частотах (20…80 Гц), частоты полюсов и частоту единичного усиления f1.  Рис. 5.9. коэффициент усиления μ на нижних частотах (20…80 Гц)   Рис. 5.10. частоты полюсов  Рис. 5.11. частоты полюсов  Рис. 5.11. частота единичного усиления f1 Задание 3. Построить АЧХ и ФЧХ инвертирующего усилителя при КF=100 и КF=10. Для сравнения построить АЧХ усилителя на одном рисунке с АЧХ без ОС, определить граничные частоты полосы пропускания.  Рис. 5.12. Инвертирующий усилитель R1=1кОм => При  , R2=10 кОм Рис. 5.13. АЧХ и ФЧХ инвертирующего усилителя при КF=10 При  , R2=100 кОм Рис. 5.14. АЧХ и ФЧХ инвертирующего усилителя при КF=100  Рис. 5.15. Сравнение АЧХ усилителя на одном рисунке с АЧХ без ОС
Задание 4. Определить входное сопротивление инвертирующего усилителя (рис. 5.9). Для этого в диалоговом окне написать mag(U(1)/I(R1)).    Рис. 5.16. входное сопротивление инвертирующего усилителя. Инвертирующийусилительсвысокимвходнымсопротивлением Для получения высокого входного сопротивления в инвертирующем усилителе используется Т-образная цепь ОС. Резисторы, подключаемые ко входу ОУ, выбираются высокоомными (например 1 МОм). Два других используются для управления коэффициентом усиления Коэффициент усиления такой схемы рассчитываются следующим образом:  Задание 5. Рассчитать элементы цепи ОС по заданному коэффициенту усиления КF=100 и КF=10. Построить АЧХ усилителя (рис. 5.10). Определить входное сопротивление усилителя и сравнить с входным сопротивлением усилителя.  Рис. 5.17. Инвертирующий ОУ с высоким входным сопротивлением Берем R3=R4=1 МОм KF=10 => R5=9 кОм R6=1 кОм  Рис. 5.18. АЧХ усилителя при KF=10. KF=100 => R5=99 кОм R6=1 кОм  Рис. 5.19. АЧХ усилителя при KF=100.   Рис. 5.20. входное сопротивление усилителя Входное сопротивление Инвертирующего ОУ с выс. R более устойчиво к изменению парамметров регулирующих резисторов, но значительно больше. Неинвертирующий усилитель Неинвертирующий усилитель на ОУ получается при подаче сигнала на его прямой вход. На практике вызывает интерес частный случай такого включения – операционный повторитель (ОП).  Рис. 5.21. операционный повторитель Задание 6. Получить АЧХ ОП. Сравнить с АЧХ ОУ без ОС. В версии Fastmean 6.0 кроме функции «параметр» для сравнения можно использовать несколько разных схем с генераторами гармонического сигнала на одном экране.  Рис. 5.22. АЧХ ОП  Рис. 5.23 Сравнение с АЧХ ОУ без ОС 3.2.1.2. Характеристики во временной области. Задание 7. Получить изображения ПХ усилителей (ОП и ИУ). Сравнить параметры переходных характеристик.  Рис. 5.24 изображения ПХ усилителей (ОП и ИУ) 3.2.2. Схемы на ОУ с частотно-зависимой ОС.  Рис. 5.25 ОУ в режиме интегрирования (а) и дифференцирования (б) Из огромного разнообразия схем ОУ с частотно-зависимыми цепями ОС для лабораторного исследования выбраны только две. Одна из них представляет собой интегратор (рис. 5.13, а), другая – дифференциатор (рис. 5.13, б). Соответствующие функции определяются RC-элементами. Резисторы R0 выполняют вспомогательные функции. В интеграторе R0 обеспечивает необходимую ОС на постоянном токе, в дифференциаторе – необходимый запас по фазе. 3.2.2.1. Характеристики в частотной области. ИНТЕГРАТОР Заменяя ОУ в схеме рис. 5.25, а на макромодель подсхему, получаем схему для исследования интегратора рис. 5.26. Номинальные значения внешних элементов берем из заданий к лабораторным работам (табл. 5).  Рис. 5.26. Схема интегратора  Рис. 5.27. АЧХ интегратора Задание 8. АЧХ интегратора на одном рисунке с АЧХ ОУ без ОС.  Рис. 5.28. АЧХ интегратора на одном рисунке с АЧХ ОУ без ОС ДИФФЕРЕНЦИАТОР  Рис. 5.29. Схема дифференциатора  Рис. 5.30. АЧХ дифференциатора Показанный штрихами резистор R0, необходим для обеспечения устойчивости усилителя. Здесь указано такое сопротивление, что можно рассматривать схему, как будто этот вспомогательный резистор вообще отсутствует. Задание 9. АЧХ дифференциатора на одном графике с АЧХ ОУ без ОС. Определить сопротивление R0, при котором подъем на АЧХ дифференциатора перестаетиметь место.  Рис. 5.31. АЧХ дифференциатора на одном графике с АЧХ ОУ без ОС  Рис. 5.32. сопротивление R0 R0=20 Ом ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПЕТЛЕВОГО УСИЛЕНИЯ μВ Об устойчивости усилителя судят по характеристике петлевого усиления. Для ее получения необходимо разомкнуть цепь ОС. В реальной схеме с ОУ выполнить измерения с разомкнутой петлей ОС весьма сложно из-за чрезвычайно высокого коэффициента усиления ОУ и необходимости сохранения нулевых потенциалов на постоянном напряжении.  Рис. 5.33 Схема дифференциатора с разомкнутой петлей ОС ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ ПО ФАЗЕ Это можно выполнить, представив на мониторе одновременно АЧХ и ФЧХ петлевого усиления. По АЧХ с помощью линейки находим частоту, на которой модуль коэффициента петлевого усиления становится равным единице (0 дБ), а по ФЧХ на этой же частоте определяем величину фазового сдвига. Эта величина и будет соответствовать искомому запасу по фазе. Для каждой кривой находим свой запас по фазе.   Рис. 5.33 АЧХ и ФЧХ петлевого усиления дифференциатора Задание 10.
3.2.2.2. Характеристики во временной области Переходные характеристики получаем при подаче на вход исследуемой схемы напряжения прямоугольной формы. Для этого в схемах на рис. 5.14 и 5.15 необходимо переключить источник сигналов с гармонических колебаний на меандр. Задать двухполярный сигнал ±1 мВ. Частота следования прямоугольных импульсов устанавливается в зависимости от их длительности импульса tИ = 1/2f. В [1] для интегратора и дифференциатора приняты tИ = 500 мкс. Задание 11. ИНТЕГРАТОР. Получить диаграмму интегрированных импульсов. Увеличивая длительность входного импульса, определить ее значение, при котором линейный закон интегрирования переходит в экс- поненциальный (рис. 5.19).  Рис. 5.34 диаграмма интегрированных импульсов  Рис. 5.35 при длительности импульсов 400мкс Задание 12. ДИФФЕРЕНЦИАТОР. Получить диаграммы дифференцированных импульсов при значении сопротивления резистора R0, полученном в задании 9, и без него.  Рис. 5.36 R0=0.1  Рис. 5.37 R0=20 Санкт-Петербург 2022 |
