Тема: дослідження електронних пристроїв на операційних підсилювачах

1 Мета роботи: ознайомлення з електронними пристроями на операційних підсилювачах (ОП), вивчення принципу роботи інтегратора і диференціатора на ОП.

 

2 Апаратура та прилади: ПЕОМ, програма Electronics Worbench.

 

3 Схема дослідження

 

Рис.1

Рис.2

4 Основні теоретичні положення:

Операційними підсилювачами (ОП) називаються підсилювачі постійного струму, переважно прямого підсилення з високим коефіцієнтом підсилення і з глибоким від'ємним зворотним зв'язком.

Стан при якому U_вих = 0 при U_вх = 0, називають балансом ОП. Реально баланс не забезпечується і виникає розбаланс.

Напруга U_{зм 0}, при якій U_вих = 0, називається вхідною напругою зміщення нуля.

Основні параметри:

1) К_U → ∞; 2) R_ВХ → ∞; 3) R_ВИХ → 0.

Інвертувальний підсилювач на ОП (рис. 5) створюється введенням паралельного ВЗЗ за напругою резистором R_ЗЗ на інвертувальний вхід ОП.

Коефіцієнт підсилення за напругою інвертуючвального підсилювача:

К_U = U_вих / U_вх = - R_ЗЗ / R1 = - 1/β;

β = U_вх / U_вих – передатний коефіцієнт ланки зворотного зв'язку.

Рис. 3 Рис. 4 Рис.5

Неінвертувальний підсилювач (рис. 4) створюється введенням послідовного ВЗЗ за напругою на інвертувальний вхід, а вхідний сигнал подати на неінвертуючий вхід ОП.

Вихідна напруга має такий саме знак, що і вхідна.

Коефіцієнт підсилення за напругою неінвертувального підсилювача:

К_U = U_вих / U_вх = 1/β = 1 + R_ЗЗ / R1;

Якщо R_ЗЗ = 0, R1 → ∞, одержимо неінвертувальний повторювач.

Диференційний підсилювач на ОП (рис. 3) підсилює різницю вхідних сигналів і подавляє синфазну перешкоду:

U_вих = - (R_ЗЗ / R1)U_вх1 + [ R3 / (R2+ R3)∙ (R1+ R_ЗЗ) / R1]U_вх2 .

Недоліком цієї схеми є низький вхідний опір із-за паралельного ВЗЗ.

Якщо R1 = R2 = R3 = R_ЗЗ , то схема використовується як аналоговий віднімач.

U_вих = U_вх2 - U_вх1 ; R_ЗЗ = R1∙ К_U, R2 = R1∙ К_U, R3 = R1∙ К_U.

Напруга на виході аналогового віднімача дорівнює різниці напруги на неінвертувальному вході та напруги на інвертувальному вході без підсилення.

Інвертувальний суматор (рис. 8) виконаний на основі інвертувального підсилювача з кількістю паралельних гілок на вході, що дорівнює числу сигналів.

 

Рис. 6 Рис. 7 Рис. 8

U_вих = - [(R_ЗЗ / R1)U_{вх 1} + (R_ЗЗ / R2)U_{вх 2} +…+ (R_ЗЗ / R_n)U_{вх n}]

Напруга на виході схеми дорівнює сумі вхідних напруг, помножених на відповідні коефіцієнти підсилення.

Якщо опори всіх резисторів схеми однакові R_ЗЗ = R1 = R2 =… = R_n = R, то

U_вих = - (R_ЗЗ / R)∙(U_{вх 1} + U_{вх 2} +…+ U_{вх n}).

Інтегратор (інтегруючий підсилювач) (рис.6) – пристрій, що реалізує функцію інтегрування і виконується на базі інвертуючого ОП шляхом введення в ланку ВЗЗ конденсатора C.

U_вих = - 1/RC ∫u_вх dt, де RC = τ – постійна часу.

Постійна часу повинна приблизно дорівнювати періоду інтегрування сигналу.

Якщо вхідна напруга є незмінною за величиною u_вх = U, то при подачі на вхід постійної напруги струм, який заряджає конденсатор, має постійну величину U_вх / R і конденсатор заряджається рівномірно, а вихідна напруга зростає лінійно, і буде пропорційна тривалості часу інтегрування t:

U_вих = - (1/RC)∙U_вх ∙ t.

Тому інтегратор часто застосовують як основу генераторів лінійних напруг.

Коефіцієнт підсилення інтегратора К^*_Uзз = - 1/jωCR = - 1/jω τ залежить від частоти. Інтегратор є простим фільтром НЧ. З ростом частоти напруга ВЗЗ зростає і коефіцієнт підсилення зменшується.

Диференціатор (диференціюючий підсилювач) (рис.7) відрізняється від інтегратора заміною місцями резистора і конденсатора.

У диференціатора з ростом частоти напруга ВЗЗ зменшується і наскрізний коефіцієнт підсилення зростає

К^*_Uзз = - jωCR = - jω τ

Диференціатор є простим фільтром високої частоти.

U_вих = - R_ЗЗ С (du_вх / d t); R_ЗЗ С = τ; U_вих = - τ (du_вх / d t).

5 Послідовність виконання роботи:

 

5.1 Розрахункова частина

 

5.1.1 Намалювати схему інвертувального підсилювача і розрахувати коефіцієнт підсилення, якщо R₁ = 10 кОм, R₂ = 100 кОм.

5.1.2 Намалювати схему диференційного підсилювача. Намалювати часову діаграму вихідного сигналу при поданні на входи диференційного підсилювача синусоїдального та прямокутного сигналів.

5.1.3 Намалювати схему диференціатора, написати формулу залежності U_вих = f(U_вх ) для випадків прямокутного та синусоїдного вхідних сигналів. Визначити постійну часу, якщо R = 100 кОм, С = 100 нФ. Намалювати часові діаграми для цих вхідних і вихідних сигналів та для послідовності трикутних імпульсів.

5.1.4 Повторити п. 5.1.3. для схеми інтегруючого підсилювача і розрахувати постійну часу, якщо R = 100 кОм, С = 16 нФ.

5.2 Дослідження інвертувального підсилювача

5.2.1 Зібрати схему інвертувального підсилювача.

5.2.2 Подати на вхід гармонічний сигнал з частотою 1000 Гц і амплітудою 1В (ефективне значення 0,7В).

5.2.3 Експериментально визначити коефіцієнт підсилення (К_U) інвертувального підсилювача: К_U = U_вих / U_вх ;

1) вимірювання проводити на частоті 1000 Гц при амплітуді вхідного сигналу 1В;

2) порівняти результати експерименту з розрахунком.

5.2.4 Замалювати часові діаграми вхідного і вихідного сигналів інвертувального підсилювача.

5.3 Дослідження диференційного підсилювача (підсилювача різниці сигналів)

5.3.1 Зібрати схему підсилювача різниці сигналів.

5.3.2 Подати на інвертувальний вхід U_вх1 гармонічний сигнал з амплітудою 1В і частотою 50 Гц, а на неінвертувальний вхід U_вх2 сигнал прямокутної форми такої ж амплітуди і частоти.

5.3.3 Замалювати часові діаграми вхідних U_вх1 , U_вх2 сигналів.

5.3.4 Порівняти результати.

5.4 Дослідження диференціатора

5.4.1 Зібрати схему диференціюючого підсилювача (R= 100 кОм, С = 100 нФ).

Недоліком схеми диференціатора є схильність його до самозбудження і надміру велике підсилення на високих частотах. Для знешкодження цих небажаних явищ послідовно з конденсатором включають резистор невеликого опору.

5.4.2 Замалювати осцилограми вхідного і вихідного сигналів диференціатора при подачі на його вхід:

1) гармонічного сигналу;

2) послідовності трикутних імпульсів;

3) послідовності прямокутних імпульсів від генератора імпульсів з частотою 50 Гц і амплітудою 10 мВ. Змінити значення ємності С = 10 нФ і замалювати осцилограму.

Поясніть зміну форми вихідного сигналу на виході підсилювача у порівнянні з формою вхідного сигналу. Проаналізуйте залежність форми вихідного сигналу від зміни параметрів диференціюючої ланки.

5.5 Дослідження інтегруючого підсилювача

5.5.1 Зібрати схему інтегратора (R = 100 кОм, С = 16нФ).

Недоліком схеми інтегратора є дрейф вихідної напруги, обумовлений напругою зміщення і вхідними струмами ОП. Це небажане явище можна послабити, якщо паралельно конденсатору С підключити резистор R2 з великим опором, що забезпечує стабілізацію робочої точки за рахунок зворотного зв'язку постійному струму, крім того, резистор R2 запобігає насиченню ОП після заряду конденсатора, коли струм через конденсатор дорівнюватиме 0.

5.5.2 Замалювати осцилограми вхідного і вихідного сигналів інтегратора при подачі на його вхід:

1) гармонічного сигналу;

2) послідовності трикутних імпульсів;

3) послідовності прямокутних імпульсів від генератора імпульсів з частотою 50 Гц і амплітудою 1В. Змінити значення ємності С = 10 нФ і замалювати осцилограму.

Поясніть зміну форми вихідного сигналу на виході підсилювача і причину зменшення амплітуди вихідного сигналу зі збільшенням частоти сигналу на вході.

6 Зміст звіту:

6.1 Найменування та мета роботи.

6.2 Перелік приладів.

6.3 Схеми дослідження.

6.4 Вимірювання та розрахунок основних параметрів електронних пристроїв на ОП.

6.5 Результати вимірювань і розрахунків.

6.6 Характеристики та часові діаграми (на міліметровому папері).

6.7 Висновки, аналіз результатів вимірювань та досліджень по діаграмам.

 

7 Контрольні питання:

7.1 Що таке операційний підсилювач (ОП)?

7.2 Наведить основні параметри і характеристики операційного підсилювача.

7.3 Назвіть типи електронних пристроїв на ОП.

7.4 Чим відрізняється інвертувальний підсилювач на ОП від неінвертувального підсилювача на ОП?

 

8 Література:

 

8.1 Ю.П. Колонтаєвський, А.Г. Сосков, “Промислова електроніка та

мікросхемотехніка: теорія і практикум.».- К.: «Каравела», 2003. – 368 с.

8.2 Гершунский Б.С., «Основы электроники и микроэлектроники». – Киев: «Высшая школа», 1987. – 422 с.

8.3 Головин О.В, Кубицкий А.А., «Электронные усилители»: Ученик для техникумов. – М.:Радио и свіязь, 1983. – 320 с.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 8