 |
Коэффициент усиления разомкнутого ОУ
|
|
|
|
Кафедра «Мехатронные системы»
Методические указания к лабораторной работе № 3
"Аналоговые устройства электронной техники. Операционные усилители 1"
по дисциплине
"Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем"
Ижевск 2016
Необходимые ЭРЭ:
- операционные усилители 140УД7 или 140УД708 (10 шт.);
- транзисторы КТ375 и КТ361;
- потенциометр 2.2 кОм;
- резисторы 180, 390, 1к (7 шт.), 1.6к, 2к, 3.9к, 8.2к, 10к (3 шт.), 15к, 100к (3 шт.), 10Мом;
- конденсаторы 100 пФ и 0.01 мкФ.
Операционные усилители (ОУ) являются основной частью всей современной электронной измерительной аппаратуры. Их гибкость, стабильность и способность выполнять различные операции делает ОУ идеальным средством для обработки аналоговых сигналов.
Обычно ОУ представляет собой дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления и биполярным выходом. В реальных ОУ коэффициент усиления может быть от 10.000 до 20.000.000.
При высоком значении коэффициента усиления достаточно трудно управлять усилителем и удерживать его от насыщения. Применяя отрицательную обратную связь, в которой сигнал с выхода усилителя приходит на вход в противофазе с входным сигналом, можно сделать усилитель более стабильным.
Принципиальная схема, показанная на рисунке 1, представляет собой наиболее распространенную схему включения ОУ. Цепь обратной связи в этом случае представляет собой единственный резистор Rf, который служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход. Тот факт, что резистор соединен с инвертирующим входом, указывает на отрицательный характер обратной связи. Входное напряжение (V1) вызывает протекание входного тока i1 через резистор R1. Положительный вход чаще всего заземляют.
|
|
|
Рисунок 1-Схема включения операционного усилителя
Напряжение на выходе операционного усилителя может быть определено следующим соотношением
Vвход = - (Rf / R1) V1 = - G×V1. (1)
Отношение сопротивлений резисторов Rf к R1 (Rf / R1) называется коэффициентом передачи усилителя, охваченного обратной связью (G), а знак минус означает, что выходной сигнал инвертирован. Следует обратить внимание, что коэффициент усилителя, охваченного обратной связью, можно установить посредством выбора сопротивлений двух резисторов, R1 и Rf.,
Если в цепь обратной связи вместо резистора Rf включить частотнозависимый элемент (емкость или индуктивность), то коэффициент усиления операционного усилителя будет изменяться с частотой. Выходное напряжение будет зависеть от амплитуды и частоты входного напряжения.
В общем случае, во входную цепь и в цепь обратной связи можно включать реактивные двухполюсники. При наличии реактивных двухполюсников коэффициент передачи (усиления) ОУ становится комплексным. У такого усилителя изменяется с частотой не только амплитуда выходного напряжения, но и фаза.
КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ РАЗОМКНУТОГО ОУ
Соберите схему на рисунке 2 и исследуйте поведение выходного сигнала операционного усилителя, медленно вращая потенциометр. Постройте зависимость выходного напряжения от входного напряжения. Совпадает ли его поведение указанным в спецификации коэффициентом усиления? На рисунке 3 показаны вид и назначение выводов операционного усилителя 140УД7 и 140УД708.
Рисунок 2 - Схема испытания разомкнутого операционного усилителя
Рисунок 3 – Вид и назначение выводов операционного усилителя 140УД7 и 140УД708 (вид сверху)
Теперь разомкните вход в точке Х, замкните два входа вместе и вставьте резистор 1МОм, чтобы можно было измерять малый входной ток, измеряя падение напряжения на сопротивлении 1МОм цифровым мультиметром (в диапазоне 1В). Чем определяется измеренный вами входной ток? По его знаку определите, является входной транзистор транзистором типа n-p-n или p-n-p.
|
|
|
ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ
Соберите и исследуйте инвертирующий усилитель по схеме на рис. 4. Постройте зависимость выходного напряжения от входного напряжения.
Рисунок 4а – Схема инвертирующего усилителя
В этих лабораторных работах применяйте для всех схем на ОУ источники питания ±15 В, если явно не обозначено иное. Подайте на вход синусоидальные колебания частотой 1 кГц и амплитудой 1 мВ. Каков будет коэффициент усиления? Определите максимальный размах выходного сигнала.
Используйте синусоидальные колебания других частот. На какой (приблизительно) частоте прекращается хорошая работа усилителя? Зависит ли этот верхний предел частоты от амплитуды?
Вернемся к синусоидальным колебаниям на частоте 1 кГц. Измерьте входное сопротивление этой схемы усилителя, добавив к входу последовательно резистор 1 кОм. Измерьте выходное сопротивление. Заметьте, что блокирующий конденсатор при этом не нужен (почему?). Так как ОУ не может дать выходного тока больше нескольких миллиампер, то сигнал надо удерживать малым. Заметьте что малое значение выходного полного сопротивления при "малых сигналах" не обязательно означает возможность получения большой мощности (т.е. возможность использования полного размаха выходного сигнала при малых значениях полного сопротивления нагрузки).
Рисунок 4б – Модель инвертирующего усилителя
Рисунок 4в –Сигналы инвертирующего усилителя
НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ
Соберите неинвертирующий усилитель по схеме на рисунке 5.
Рисунок 5а - Схема неинвертирующего усилителя
Каким будет коэффициент усиления по напряжению (заметьте - не тот, что в предыдущей схеме)? Измерьте его входное сопротивление на частоте 1 кГц, подключив входной сигнал через резистор 100 КОм или 1 МОм. Обеспечивает ли эта конфигурация малое выходное сопротивление, которое вы измерили у инвертирующего усилителя?
Рисунок 5б - Схема неинвертирующего усилителя
|
|
|
Рисунок 5в - Схема неинвертирующего усилителя
Контрольные вопросы
1. Какие усилители называют операционными? Обозначение на схемах, понятие идеального ОУ.
2. Перечислите основные характеристики операционного усилителя и методы их измерения. Порядки величин основных параметров.
3. Приведите схемы масштабных преобразователей на основе ОУ и выражения для расчета коэффициента передачи.
4. Какова разность фаз между входным и выходным сигналами инвертирующего усилителя на ОУ? Почему?
5. Какова разность фаз между входным и выходным сигналами неинвертирующего усилителя на ОУ? Почему?
6. Чем определяется постоянная составляющая выходного напряжения усилителя на ОУ?
7. Приведите схему сумматора аналоговых сигналов.
8. Приведите схему интегратора напряжения и временные диаграммы сигналов на входе и выходе.
9. Как рассчитать скорость изменения сигнала на выходе интегратора?
10. Приведите схему дифференциатора напряжения и расчетные соотношения для выходного сигнала.
11. Как зависит напряжение на выходе дифференциатора от скорости изменения входного напряжения?
12. В каком случае для описания работы электрических схем на основе ОУ можно использовать соотношения, описывающие работу идеального ОУ?
13. Насколько точно определены в работе параметры схем на основе операционного усилителя? От чего может зависеть качество полученных результатов?
19. Чем схема компаратора отличается от схемы усилителя?
20. Какие выходные напряжения могут формироваться на выходе компаратора?
21. Что такое компараторный режим работы ОУ?
22. Чем объясняется ошибка схемы сравнения, и каким образом ее можно уменьшить в однопороговом компараторе.
23. Какую передаточную характеристику имеет гистерезисный компаратор?
24. Как можно изменить порог срабатывания однопорогового компаратора?
25. Как задается смещение передаточной характеристики в гистерезисных компараторах?
26. Какими преимуществами обладает гистерезисный компаратор по сравнению с однопороговым?
27. Насколько точно определены в работе параметры аналоговых компараторов? От чего может зависеть качество полученных результатов?
|
|
|
28. Решите кроссворд на рисунке 12.
Рисунок 12 – Кроссворд
По горизонтали:
4. Полупроводниковая структура с двумя p-n-переходами
11. Логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений
12. Этот коэффициент равен бесконечности у идеального ОУ без обратной связи
13. Величина, измеряемая в обратных секундах
16. Модификация инвертирующей схемы для двух или более входных сигналов
17. Точное взаимосоответствие параметров при различных условиях, например, пара
транзисторов
18. Устройство для присоединения проводов
19. Одна из операций по преобразованию аналоговых электрических сигналов
По вертикали:
1. Составная часть усилителей
2. Изменение знака сигнала на противоположный
3. Враг дифференциатора
5. Нежелательное физическое явление или воздействие полей, которое нарушает
нормальную работу технических средств
6. RC-фильтр с точки зрения радиоэлектроники
7. Явление неоднозначности передаточной характеристики в схемах сравнения
8. Полное сопротивление схемы
9. Устройство сравнения двух аналоговых сигналов
10. Один из пассивных элементов схемы
14. Операционный усилитель по свой технологической сути
15. Определяющий параметр обратной связи во втором структурном блоке ОУ
Литература
а) основная литература
1. Глинкин Е.И. Схемотехника аналоговых интегральных схем: учебное пособие [Электронный ресурс]. / Е.И. Глинкин. - 2-е изд., доп. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО "ТГТУ", 2012. - 152 с. ISBN/ISSN:978-5-8265-1072-8 // Единое окно доступа к информационным ресурсам. URL: http://window.edu.ru/resource/453/76453 (дата обращения: 11.07.2015).
2. Кузнецов Б.Ф. Электронные промышленные устройства: Учебное пособие [Электронный ресурс]. - Изд-во: Ангарской государственной технической академии, 2010. - 151 с. ISBN/ISSN:978-5-89864-072-9 // Единое окно доступа к информационным ресурсам. URL:http://window.edu.ru/resource/335/73335 (дата обращения: 11.07.2015).
3. Кулик В.Д. Силовая электроника. Автономные инверторы, активные преобразователи: Учебное пособие [Электронный ресурс]. - СПб.: СПбГТУРП, 2010. - 90 с. // Единое окно доступа к информационным ресурсам. URL: http://window.edu.ru/resource/330/76330 (дата обращения: 11.07.2015).
4. Муромцев Д.Ю. Основы проектирования электронных средств: учебное пособие [Электронный ресурс] / Д.Ю. Муромцев, И.В. Тюрин. - Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. - Ч. 1. - 80 с. ISBN/ISSN:978-5-8265-0980-7 // Единое окно доступа к информационным ресурсам. URL:http://window.edu.ru/resource/512/76512 (дата обращения: 11.07.2015).
5. Чернышова Т.И., Чернышов Н.Г. Моделирование электронных схем: Учебное пособие [Электронный ресурс]. - Тамбов: Издательство ТГТУ, 2010. - 80 с. ISBN/ISSN:978-5-8265-0965-4 // Единое окно доступа к информационным ресурсам. URL:http://window.edu.ru/resource/209/73209 (дата обращения: 11.07.2015).
|
|
|
б) дополнительная литература
1. Афанасьева Н.А., Булат Л.П. Электротехника и электроника: Учебное пособие [Электронный ресурс]. - 2-е изд., перераб. и дополн. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. - 181 с. ISBN/ISSN:5-89565-117-8// Единое окно доступа к информационным ресурсам. URL: http://window.edu.ru/resource/926/77926 (дата обращения: 11.07.2015).
2. Гаврилов С. А. Искусство схемотехники. Просто о сложном. – СПб.: Наука и Техника, 2011. – 352 с.
3. Майер Р.В. Основы электроники. Курс лекций: Учебно-методическое пособие. – Глазов: ГГПИ, 2011. – 80 с.
4. Топильский В. Б. Схемотехника измерительных устройств / В. Б. Топильский. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 232 с.
|
|
|
