Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Операционным называется усилитель, с помощью которого можно решать операторные уравнения и выполнять различные математические операции с входными сигналами. Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель постоянного тока на интегральных микросхемах с большом коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями . ОУ выполняется на основе диффе ренциальных каскадов и эмиттерных повторителей, имеет обычно инвертирующий (И-вход) и неинвертирующий (Н-вход) входы и один выход.
На рис.1 представлена структурная схема ОУ. Дифференциальный усилитель (ДУ) является главным функциональным блоком ОУ. Ос новным его назначением является усиление разности входных сигна лов и подавление одинаковых (синфазных) сигналов. Усилитель амплитуды сигнала (УА) обычно осуществляет сдвиг уровня и формирова ние выходного сигнала. Эмиттерный повторитель (ЭП) обеспечивает низкое выходное сопротивление ОУ.
На рис.2 приведены условные изображения операционных усилителей. Старое (рис.2а), которое можно встретить в учебниках, инфор мационных и проектных материалах и новое ( рис .26), принятое в настоящее время.
2.1.Коэффициент усиления дифференциального сигнала
Коэффициент усиления дифференциального сигнала АD (В/мВ) равен отношению выходного напряжения к разности входных,сигналов подаваемых на входы усилителя при разомкнутой внешней обратной связи. Величина АD зависит от типа усилителя и может достигать нескольких десятков и даже сотен тысяч. Коэффициент усиления оп ределяет проходную характеристику усилителя в ее линейной части (рис.3). При некотором значении входного сиг нала выходной сигнал достигает предельного значения, наступает насыщение ОУ. Напряжение насыщения обычно меньше напряжения пи тания на (12) В, при значении питающего напряжения 15 .
Коэффициент усиления зависит от частоты входного сигнала (рис.4) и уменьшается с увеличением частоты. Поэтому для каждого усилителя существует предельная частота, выше которой его свойс тва существенно изменяются (fпред.100КГц).
2.2. Напряжение смещения ОУ Uсм. ( мВ )
Под напряжением смещения понимают постоянное напряжение, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы выходное напряжение стало равным нулю. Наличие напряжения смещения нуля проявляется в том, что даже при заземленных входах ОУ на выходе усилителя появляется некоторое напряжение, определяемое несимметричностью дифференциальных каскадов, разбросом параметров элементов схемы и их изменением с изменением температуры. Это напряжение перес читывается на вход ОУ через коэффициент усиления схемы по напря жению во входное напряжение смещения нуля ( + UСМ или - UСМ). Обычно UСМ не превышает 10 мВ (за исключением тех ОУ, входной каскад которых выполнен на полевых транзисторах) и может быть скомпенсировано балансировкой нуля. Однако при изменении напря жения питания и температуры UСМ также изменяется.
2.3. Входное сопротивление ОУ RВХ ( КОм)
Входное сопротивление ОУ определяется входным сопротивлением транзисторов дифференциального каскада. Его стремятся сделать как можно больше, чтобы исключить влияние сопротивления источни ка питания на коэффициент передачи. В реальных ОУ входное сопро тивление составляет 50…5000 КОм.
2.4. Входные токи IВХ1 и IВХ2 и их разность IВХ .
Входное сопротивление ОУ по каждому входу не равно бесконечности, что приводят к появлению токов IВХ1 и IВХ2 .Величина этих токов зависит от типа ОУ и может быть в пределах (0,0015) мкА. Из-за неполной симметрии дифференциального усилителя и различных коэффициентов усиления транзисторов указанные токи могут отли чаться друг от друга. Разность токов IВХ создает ложный сиг нал на выходе, который накладываясь на полезный сигнал, приводит к появлению погрешности.
2 .5. Коэффициент ослабления синфазного сигнала
Косс (ДБ)
где АD1 и АD2 - коэффициенты усиления по входам ОУ. Желательно,
чтобы К
Косс = 20 - логарифмическая форма К, ДБ. Для реаль ных усилителей
Косс = 50110 ДБ.
2.6. Выходные параметры
К выходным параметрам относятся:
1. Выходное сопротивление RВЫХ . Желательно, чтобы RВЫХ = 0, однако практически оно составляет от нескольких десятков до нескольких сотен 0м.
2. Минимальное сопротивление нагрузки Rн.min и максимальный выходной ток Iвых.max. определяется при заданном напряжении питания допустимым перегревом выходного каскада.
3. Предельное значение выходного напряжения Uвых.max (В), которое определяется допустимыми искажениями выходного сигнала, и зависит от напряжения источника питания и типа ОУ.
2.7. Предельные параметры
3.Использование ОУ в качестве решающих усилителей (РУ)
Основные схемы применения ОУ строятся на использовании различных вариантов внешних обратных связей между выходами ОУ и его входами. Обратная связь в этих схемах осуществляется в зависимости от характера операции через линейные или нелинейные сопротив ления. Связь между выходами ОУ и Н-входами называется положительной обратной связью (ПОС), связь между выходами ОУ и Н-входами – отрицательной обратной связью (ООС).
ОУ может быть представлен с достаточной степенью точности в виде идеального усилителя (АD, iВХ, RВЫХ = 0). Это дает основание сформулировать два важнейших правила, чрезвы чайно упрощающие анализ любой схемы.
Рассмотрим принцип действия РУ (рис. 5). Т. к. потенциал точки В равен потенциалу земли, то потенциал точки А также равен потенциалу земли, т.е. I2 Z2 = UВЫХ; I1Z1 = UВХ. Согласно правилу 1: I1 = - I2 . Тогда UВХ / Z1 = -UВЫХ / Z2. Знаком минус учитываются противоположные знаки UВХ и UВЫХ.
UВЫХ = – UВХ = – Кu UВХ
где Кu - коэффициент передачи (усиления) РУ. В зависимости от вида коэффициента передачи различают следующие основные виды РУ: масштабный усилитель, сумматор, интегратор, дифференциатор и усилитель в качестве корректируемого звена. В схеме масштабного усилителя (рис.5) и сумматора (рис.6) в качестве Z1 и Z2 используются активные сопротивления. Схема рис.5 позволяет в зависимости от величины сопротивлений R1 и R2 производить инвертирование сигнала (Кu = -1), усиление или ослабление сигнала, а схема на рис.6 – суммирование нескольких сигналов.
Простейший интегратор изображен на рис.7. В цепи обратной связи ОУ используется конденсатор С. Т.к. IВХ= 0, то IC = – I1 = –UВХ / R1.
Напряжение между входами ОУ равно нулю, поэтому UВЫХ = UС. Учитывая, что UС=, получим UВЫХ = . Переходя к определенному интегралу, окончательно получим
Выходное напряжение UВЫХ зависит от начального напряжения на конденсаторе UВЫХ (0). Как известно, у реального ОУ может наб людаться сдвиг выходного напряжения и имеются токи смещения, ко торые заряжают конденсатор при отсутствии входного сигнала.
Что бы исключить влияние этих факторов, параллельно c емкостью С вклю чают резистор R2 (рис.8) с большим сопротивлением, а неинвертирующий вход соединяют с землей (нулевой шинкой) через резистор R3 , величина которого определяется по выражению:
Подключение резистора R2 ведет к ослаблению интегрирующих свойств схемы при частотах <1 / R2С. Включение R3 желательно во всех рассмотренных выше схемах РУ.
В дифференцирующем усилителе (рис.9) конденсатор С установ лен во входной цепи. Поэтому изменение входного напряжения вызы вает появление тока
I1 = C(dUВХ / dt), а следовательно, выход ного напряжения
UВЫХ = –RC(dUВХ / dt).
Однако приведенная схема применяется редко из-за большой чувствительности к помехам. Устранить недостаток удается в схеме рис.10 с несколько худшими дифференцирующими свойствами вследствие введения в схему резистора R1 и конденсатора С2 с относительно малым соответственно сопротивлением и емкостью.
Для повышения стабильности и точности работы рассмотренных схем с реальными ОУ производят следующие основные мероприятия:
Компаратор - устройство, предназначенное для сравнения двух аналоговых напряжении: входного (Uвх) и опорного (Uоп ). Нап ряжение на выходе компаратора скачкообразно изменяется до макси мальной величины, когда одна из сравниваемых величин становится больше другой. На рис.12а приведена одна из типовых схем компаратора, а на рис.12б - напряжения на входе и на выходе компарато ра. На И-вход подается входное (измеряемое) напряжение Uвх. , на Н-вход - опорное напряжение UОП. Причем принято, что UВХ - синусоидальное, UОП - постоянное.
Пока измеряемое напряжение меньше опорного, на выходе ОУ имеет место максимальное вы ходное напряжение Uвых.max. , совпадающее по знаку с опорным.
Как только напряжение Uвх превысит UОП , выходное напряже ние изменит свой знак на противоположный, сохранив максимальное значение. Таким образом, компаратор может служить преобразовате лем напряжения Uвх любой формы в прямоугольное. К тому же осуществляется преобразование напряжения UОП в длительность импульса tu. Если один из входов компаратора заземлить, то скачкообразное изменение выходного напряжения произойдет при пе реходе входного напряжения через нулевое значение. Такое устройст во называют нуль – индикатор. При использовании положительной обратной связи (ПОС) можно получить компаратор с релейной характеристикой (с гистерезисными свойствами), что расширяет возможность применения и повышает устойчивость работы компаратора. На рис.13а приведена схема компаратора со смещенной характеристикой ( инвертирующий триггер Шмитта), а на рис.13б его передаточная (релейная) характеристика.
При отсутствии Uвх на инвертирующий вход ОУ поступает отрицательное напряжение, равное , при этом выходное напряжение Uвых имеет максимальное положительное значение, а на неинвертирующем входе имеет место положительное нап ряжение . Для переключения схемы необходимо повысить входное напряжение ( Uвх.ср.) до положительного значения, при котором U1U2 . Это напряжение можно найти в виде суммы двух слагаемых, используя метод наложения. Одно из них - это входное напряжение, при котором U1 становится равным нулю. , а второе - это величина, на которую нужно поднять дополнительно Uвх, чтобы U1 достигло имеюще гося на неинвертирующем входе напряжения U2.
Откуда:
Для возврата триггера в исходное состояние входное напряжение Uвх должно снизиться до значения
При этом ширина характеристики (петли) определяется выражением
4. Программа работы и методические указания к ее выполнению
4.1. Подготовка к работе.
4.1.1. Ознакомиться с органами управления комплекта лаборатор ного оборудования по электронной технике, используемого при вы полнения данной лабораторной работы. Исследуемые схемы на основе операционного усилителя (серии КР140УД8А) приведены на рис.1б, а схема компаратора приведена на рис. 17 (микросхема К554СА2). Все схемы смонтированы на сменных печатных платах, закрепленных на кассетах, которые вставляются во входной разъем на передней па нели БУК (блока управления комплектом) и крепятся двумя винтами.
4.1.2. Нажать кнопку "Сеть" БУК (блок управления комплектом), генератора сигналов Л31, а также кнопку питания ± 15В .
4.1.3. Проверить, что все кнопки БУК находятся в положении "не нажато",
4.2. Исследование схемы масштабного усилителя
Используется кассета УС9 (устройство сменное № 9).
4.2.1. Выставить "ноль" усилителя (микросхема ДА1, рис. 16) для чего:
- ручки " " - для грубой и точной регулировки амплитуды вы ходного на-
пряжения ГН1 установить в крайнее левое положение (против часовой
стрелки);
- вход " Y " осциллографа (или вход " - V " мультиметра для измерения посто-
янного напряжения) подключить к гнезду "Выход V " БУК;
- левое гнездо "Вход ГС1" БУК соединить с гнездом "ХS 11" сменного устрой-
ства (кассеты);
- нажать кнопку "ГС1" БУК и кноп ку "ВСв ВНк" (внутренняя связь – внеш-
няя команда ) ГН 1;
- закоротить на корпус второй вход микросхемы, для чего необходимо соединить
гнезда ХS 1 и ХS З;
- переменным резистором R6 с помощью отвертки установить на выходе микро-
схемы (МС) нап ряжение (0± 10) МВ.
Снять закоротку, вернуть в ис ходное состояние кнопку "ВСв ВНк" ГН 1.
4.2.2. Снять зависимость , используя в ка честве входного на-
пряжения генератор постоянного напряжения "ГН1" для чего:
-регулируя напряжение источника "ГН1", установить на выходе микросхемы
(МС) ДА1 напряжение +1 В;
-измерить входное напряжение МС ДА1, для чего подключить вход осциллог-
рафа к гнезду " Выход V = " и нажать кнопку "ГН1". После снятия показаний
мультиметра увеличить входное напряжение источ ника ГН1 в 2 раза, вновь
подключить вход мультиметра к гнезду "Выход \/ " и измерить выходное на-
пряжение МС при новом значении входного. Аналогичным образом повторить
эксперимент, сняв пока зания еще для 2-х - 3-х точек. По полученным данным
определить коэффициент передачи усилителя. Сравнить его с расчетным, опре-
деленным по параметрам схемы рис.16.
4.3. Исследование схемы суммирующего усилителя.
По методике изложенной в п.4.2.2., выставить входное напря жение МС ДА1 от источника ГН1 равным - 1,0 В. Подключить затем второй вход МС ко второму источнику постоянного напряжения ГН2, установив перемычку между гнездом ХS 3 сменного устройства и вы ходным гнездом ГН2 и нажав кнопку ВСв ВНк, расположенную под ре гулировочными резисторами. Установить напряжение по второму вхо ду - 1,5В, нажав кнопку ГН2. Подключить мультиметр к гнезду " Выход V " и измерить выходное напряжение МС. Сравнить это нап ряжение с расчетным. Разобрать схему.
4.4. Исследование схемы интегратора
4.4.1. Подключить выход интегратора ДА2 (см. рис. 16) к гнезду "Выход V ". Для этого надо нажать кнопку "Вх.2". Установить с помощью резистора R12 напряжение на выходе ДА2 равным (0 ± 10) мВ.
4.4.2. От генератора сигналов подать на гнездо "Вход ГС1" синусоидальный сигнал
частотой 1 кГц, гнездо "ГС1" БУК соединить с гнездом "ХS 4". Нажать кнопку "ВСв ВНк расположенную над гнез дом "ГС1". Измерить частоту и амплитуду входного и выходного сиг нала, нажимая соответственно кнопку "ГС1" или "ВХ2" ( к гнезду "Выход V " при этом подключен вход " Y " осциллографа).
4.4.3. Рассчитать выходной сигнал на измеренной частоте по выражению
UВЫХ. = UВХ. / 2 и сопоставить с измеренным.
4.4.4. Построить зависимость при неизменном значении амплитуды входного сигнала, изменяя частоту сигналов от 200 Гц до 1000 Гц.
4.4.5. На частоте 200 Гц подать на вход интегратора сигналы треугольной и прямоугольной формы, построить эпюры соответствую щих входных и выходных сигналов.
4.5. Исследование схемы дифференцирующего усилителя
4.5.1. Подключить выход дифференцирующего усилителя (ДАЗ по рис.1б) к гнездам "Выход \/ ", нажав кнопку "Вх 1", и установить на его выходе с помощью резистора R18 напряжение (0 ± 10) МВ.
4.5.2. Подать на вход дифференцирующего усилителя синусоидальный сигнал, соединив гнездо "ГС1" БУК с гнездом "ХS 5" сменного устройства. На частоте 1 кГц измерить параметры входного и вы ходного сигналов, подключая поочередно вход мультиметра к вход ной и выходной цепям (кнопки "ГС1" и "Вх.1" соответственно). Рассчитать амплитуду выходного сигнала по выражению UВЫХ.= UВХ 2 fR19C4 и сопоставить с измеренным. Увеличить входную ем кость в 2 раза, соединив гнезда "ХS 7" "ХS 9". Измерить UВЫХ. Сделать выводы.
4.5.3. Построить зависимость UВЫХ= при изменении частоты сигналов от 200 Гц до 1000 Гц и неизменной амплитуде вход ного сигнала.
4.5.4. На частоте 200 Гц подать поочередно на вход дифференци атора сигналы треугольной и прямоугольной формы, построить эпюры соответствующих входных и выходных сигналов.
4.6. Исследование схемы компаратора
4.6.1. Произвести замену сменного устройства (вместо УС9 пос тавить УС8), затем подключить выход компаратора ДА1 (рис.17) к гнездам "Выход V " нажав кнопку "Вх.2".
4.6.2. Задать на неинвертирующем входе с помощью потенциометров ГН2 положительное опорное напряжение, равное +1 В (измерение производить мультиметром на гнездах "Выход V = ", нажав кнопку "ГН2"), при этом левый потенциометр ГН1 установить в крайнее правое положение, а правый - в крайнее левое.
" Y "4.6.3. Подключить вход "Y " мультиметра к гнездам "ВыходV " и, плавно увеличивая правым потенциометром ГН1 напряжение на ин вертирующем входе компаратора, зафиксировать его срабатывание. Измерить напряжение срабатывания на гнезде "Выход V =" ), нажав кнопку ГН1.
Добиться возврата компаратора в исходное состояние, уменьшив входной сигнал. Измерить напряжение возврата, сделать выводы.
4.6.4. Исследовать компаратор со смещенной характеристикой, для чего соединить перемычкой гнезда "XS 1" - "ХS 2", введя положительную обратную связь;
При этом же опорном напряжении вновь измерить напряжение срабатывания и напряжение возврата компаратора, сделать выводы. Снять перемычку.
4.6.5. Подать на неинвертирующий вход компаратора от генератора сигналов синусоидальный сигнал частотой 1 кГц, соединив гнездо "ГС1" БУК с гнездом ХS1 сменного устройства и нажав кнопку ВСв ВНк расположенную над гнездом "ГС1". От генератора ГН1 за дайте опорное напряжение на инвертирующем входе, равное +1 В, при этом опорное напряжение на неинвертирующем входе уменьшите до нуля, Увеличивая уровень входного сигнала, добейтесь появления на экране мультиметра положительных импульсов. Измерьте длительность этих импульсов. Нарисуйте эпюры входных и выходных сигналов.
6. Контрольные вопросы
Нуль – индикатор.
1. Горбачев Н.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1968.
2. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы. М.: Советское радио, 1979.
3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1983.