Сделай Сам Свою Работу на 5

Схем на интегральных операционных усилителях





 

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

 

Изучение методов построения, принципов работы, параметров и характеристик схем масштабирующих инвертирующих и неинвертирующих усилителей, построенных на основе интегральных операционных усилителей.

 

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ

 

Схемам, построенным на основе операционных усилителей (ОУ) необходимые свойства придаются с помощью цепей обратной связи (ОС). ОУ является маломощным усилителем. Величина тока нагрузки составляет обычно несколько миллиампер и ограничена рассеиваемой мощностью. ОУ, при серийном производстве в интегральном исполнении, имея малые размеры, малую потребляемую мощность и малую стоимость превращаются в универсальный элемент для построения электронных схем. Высокие эксплуатационные параметры ОУ позволяют строить на их основе схемы с различными функциями.

При анализе линейных схем, построенных на основе операционных усилителей, охваченных отрицательными обратными связями, делают допущение об идеальности ОУ. Идеализация позволяет проще и наглядней получить уравнения для основных параметров схемы, дать их качественную оценку, а также помогает понять и описать принцип работы различных схем.



ОУ имеет два входа и один выход. Во время его работы усиливается дифференциальный входной сигнал, представляющий разность напряжений приложенных ко входам. Если увеличение входного напряжения на том или ином входе относительно общей точки вызывает уменьшение выходного напряжения, то этот вход является инвертирующим (инверсным). Если этот же сигнал вызывает увеличение выходного напряжения, то соответствующий вход будет неинвертирующим (неинверсным). на схемах инвертирующий вход обозначают со знаком инверсии (с кружком), а неинвертирующий без знака инверсии. инверсный вход часто называют “вход( - )”, а неинверсный: “вход(+)”.

Для идеального ОУ справедливы следующие допущения:

бесконечно большой коэффициент усиления 0 );

бесконечно большое входное сопротивление (Rвх0 );

нулевое выходное сопротивление (Rвых0 );

бесконечная ширина полосы пропускания;

нулевое выходное напряжение при нулевом входном сигнале.

Из приведенных допущений вытекают две особенности ОУ работающего в линейном режиме: дифференциальное входное напряжение при конечной величине выходного и при К0 близко к нулю u0 ; входной ток пренебрежимо мал i0 . Используя эти особенности идеального ОУ, можно проводить в первом приближении анализ большинства линейных схем на основе ОУ.



 

Инвертирующий усилитель на основе ОУ.

Инвертирующий усилитель строится на основе ОУ путем охвата его параллельной отрицательной ОС по напряжению. входной сигнал UВХ подается на инвертирующий вход через резистор R1 (рис. 1). Неинвертирующий вход заземлен через резистор R3. Под действием входного сигнала через резистор R1 протекает входной ток IВХ . выходной сигнал UВЫХ имеет полярность противоположную полярности входного сигнала и создает в цепи обратной связи ток IОС вычитающийся из входного. Разность входного тока и тока обратной связи определяет собственный входной ток i0 ОУ

i0= IВХ - IОС .

За счет отрицательной обратной связи и большого коэффициента усиления К0 на входе ОУ установится входное напряжение, близкое к нулю u0=0, так как u0 = UВЫХ / К0 . Соответственно близок к нулю собственный входной ток ОУ i0= 0, а ток во входной цепи и ток обратной связи равны

Рис. 1. Инвертирующий усилитель   IВХ = IОС . Следует заметить, что это справедливо для всех инвертирующих схем на ОУ с параллельной отрицательной ОС по напряжению. Близость к нулю напряжения u0 создает эффект кажущегося нулевого потенциала в точке инвертирующего входа ОУ, возникает так называемый “виртуальный нуль”. Это приводит к тому, что токи определятся просто

IВХ =UВХ/R1 и IОС = - UВЫХ/R2



и соответственно

UВХ/R1 = - UВЫХ/R2.

Отсюда следует, что коэффициент передачи инвертирующего масштабирующего усилителя Кu= UВЫХ/ UВХ определяется отношением сопротивлений цепи ОС и входной цепи

.

и не зависит от собственных параметров ОУ. Знак “ - “ говорит об инвертирующих свойствах схемы. Чем меньше R2 в цепи ОС, тем сильнее будет действовать отрицательная ОС и тем меньше будет величина коэффициента усиления. При R2 =0 получим Кu =0 и схема не будет усиливать по напряжению. В зависимости от соотношения сопротивлений цепи ОС и входной цепи величина коэффициента усиления может быть как больше 1 так и меньше.

Для того, чтобы пренебрежение входным током ОУ не вносило существенной погрешности, ток через резисторы R1 и R2 должен быть на несколько порядков больше, чем входной ток. Это обычно соответствует требованию, чтобы сопротивления R1 и R2 были на несколько порядков меньше, чем собственное входное сопротивление ОУ. С другой стороны сопротивление обратной связи R2 является нагрузкой для ОУ, и ток через него должен быть гораздо меньше допустимого тока нагрузки. Величину сопротивления R3 для уменьшения смещения нуля от входных токов обычно выбирают R3=R1//R2 .

входное сопротивление усилителя при параллельной отрицательной ОС определяется соотношением

RВХ = UВХ /IВХ = R1 +RВХ0 //R2 /(1+К0 b ),

где b= R1/(R1+R2).

Так как второе слагаемое стремится к нулю при К0 , то. RВХ = R1.

выходное сопротивление при отрицательной ОС по напряжению

уменьшается:

RВЫХ = RВЫХ0 /(1+К0 b )

и так как К0 , то: RВЫХ ® 0, т.е. выходная цепь инвертирующего масштабирующего усилителя является источником напряжения.

 

Неинвертирующий усилитель на основе ОУ.

Неинвертирующий масштабирующий усилитель строится путем охвата исходного ОУ последовательной отрицательной ОС по напряжению.

Рис.2. неинвертирующий усилитель   входной сигнал в неинвертирующем усилителе подается на неинвертирующий вход ОУ (рис.2). цепь ОС, представляющую собой делитель выходного напряжения из резисторов R1 и R2, подключают к инвертирующему входу. Напряжение обратной связи UОС= UВЫХR1/(R1+R2)= UВЫХb подается на инвертирующий

вход, и поскольку дифференциальное напряжение как и в предыдущей схеме u0=0, то

UОС = UВХ = UВЫХR1/(R1+R2).

Откуда определяется коэффициент усиления этой схемы Кu= UВЫХ/ UВХ:

.

Полярность выходного сигнала совпадает с полярностью входного, Кu>0 и зависит только от параметров цепи ОС. Минимальное значение Кu=1 при R2 =0, схема при этом выполняет функции повторителя напряжения. Требования к R1 и R2 остаются такими же, как для инвертирующих схем.

Определим входное и выходное сопротивления схемы с последовательной обратной связью:

RВХ =UВХ /IВХ = R3+ RВХ0 (1+К0 b ).

Так как 1+К0 b>>1, то RВХ >> RВХ0 . Высокое входное сопротивление является достоинством неинвертирующих усилителей на ОУ.

выходное сопротивление такое же как и в предыдущей схеме:

RВЫХ = RВЫХ0 /(1+К0 b ), и поскольку К0 , то: RВЫХ ® 0.

 

3. ОБЪЕКТЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

 

3. 1. Стенд схемы решающих усилителей ЭС23.

3. 1. Электронный осциллограф С1-67 (С1-68).

 

 

4. ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

 

Ознакомиться со схемами, основными параметрами и характеристиками инвертирующего и неинвертирующего усилителей. Изучить назначение и расположение органов управления, измерительных приборов и коммутационных гнезд на передней панели стенда. Включить осциллограф. Подключить кабель сетевого питания стенда к сетевой розетке и переводом тумблера “Сеть” вверх включить стенд. О включении свидетельствует свечение индикатора включения.

 

5. ПРОГРАММА РАБОТЫ

 

5.1. Исследование инвертирующего усилителя

Установить на лицевой панели стенда накладную панель № 1.3 с изображением инвертирующего усилителя (рис. 3.).

Рис. 3. Схема исследования инвертирующего усилителя

 

Нажать кнопку с индексом “ИУ” вида исследуемой схемы в функциональной зоне 1. Задать величину коэффициента усиления с помощью кнопок переключателя В1 в зоне 1.

Нажав кнопки “ “ переключателей “ВХ1” И “ВХ2” источника сигналов, подать постоянное регулируемое напряжение на вход 1 усилителя. Вращая ручку соответствующего потенциометра, установить требуемую величину входного напряжения ( по указанию преподавателя ). С помощью вольтметра “Uвх“ измерить напряжение на входе схемы. Светодиодный индикатор указывает полярность измеряемого напряжения.

Вольтметр “Uвых показывает величину выходного напряжения усилителя. На гнездах, расположенных в функциональной зоне 1, можно проконтролировать напряжения с помощью осциллографа.

Регистрируя Uвых в таблицепри различных значениях Uвх построить амплитудную характеристику усилителя.

На входы усилителя при нажатии соответствующих кнопок переключателей источников сигналов могут быть поданы переменные напряжения. При этом характер изменения мгновенных значений напряжения может быть проконтролирован только с помощью внешних измерительных приборов. Опыты повторить для трех значений коэффициента усиления: 1, 10, 100 , результаты измерения напряжений на входе и выходе схемы свести в таблицу.

По результатам измерений определить экспериментально коэффициенты передачи усилителя при различных параметрах схемы. Полученные значения сравнить с указанными на схеме.

Рассчитать величину напряжений на выходе усилителя теоретически при известных входных напряжениях и коэффициентах передачи. сравнить значения напряжений на выходе, полученные теоретически и экспериментально по результатам измерений.

Результаты измерения и результаты расчетов поместить в таблицу.

5.2. Исследование неинвертирующего усилителя

Установить на лицевой панели стенда накладную панель № 1.2 с изображением неинвертирующего усилителя (рис. 4.).

Рис. 4. Схема исследования неинвертирующего усилителя

 

Нажать кнопку с индексом “НУ” вида исследуемой схемы в функциональной зоне 1. подать постоянное регулируемое напряжение на вход 2 усилителя. Провести исследование неинвертирующего усилителя в последовательности указанной в п. 5.1 для предыдущей схемы.

 

 

6. УКАЗАНИЯ К СОСТАВЛЕНИЮ ОТЧЕТА

 

Отчет должен содержать цель работы, принципиальные схемы исследуемых усилителей, выполненные в соответствии с требованиями ГОСТов, таблицы с экспериментальными и расчетными результатами, основные расчетные соотношения, графики полученных характеристик, построенные в масштабе времени.

 

 

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Каковы основные эксплуатационные параметры и характеристики ОУ и методы их улучшения ?

2. Какие типы обратных связей используются при построении инвертирующего и неинвертирующего усилителей?

3. Как определить коэффициент передачи, входное и выходное сопротивления инвертирующего и неинвертирующего усилителей?

4. В чем проявляется неидеальность ОУ, как она отражается на параметрах схем усилителей?

5. Что такое напряжение смещения нуля? Как определить его температурный дрейф, и каковы методы его уменьшения?

6. Каковы динамические показатели ОУ и методы их улучшения ?

7. Каковы методы улучшения выходных параметров ОУ (выходного тока, напряжения и выходной мощности)?

8. Указать методы защиты ОУ от перегрузок.

9. Как выбирается величина сопротивлений в обратной связи и во входной цепи усилителя?

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Коломбет Е. А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991. - 376 с.

2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - 304 с.

3. Алексенко А. Г., Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985 - 304 с.

4. Шило В. Л. Функциональные аналоговые интегральные микросхемы. -М. : Радио и связь, 1982. - 408с.

5. Рутковски Дж. Интегральные операционные усилители: Пер. с англ. -М.: Мир, 1978. - 377 с.

 

 

Лабораторная работа № 5

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.