Лабораторная работа №5 Д
“Исследование схем с ОУ на ИС
в частотной и временной областях на ПК
Серия “дублёр“
В этой серии используются данные лабораторного макета:
сохраняется тип микросхемы, номинальные значения всех элементов принципиальной схемы, согласно рис.5.1[1]. Другими словами, здесь моделируется реальный действующий макет усилителя.
[1] Схемотехника аналоговых электронных устройств: методические указания
к лабораторным работам / А. Г. Алексеев, П. В. Климова – СПб.: Издательство СПбГУТ, 2012. – 36 с.
Макет лабораторной установки с ОУ выполнен на ИС К140УД7 (знаменитый μA741) с внутренними цепями частотной коррекции. В программе Fastmean предусмотрено построение схем на ОУ. Имеющийся в ней элемент обладает свойствами почти идеального ОУ. Он даже может усиливать в неограниченной полосе частот. Реальные микросхемы не обладают такими свойствами. По этой причине необходимо построить модель ОУ, отражающую частотные свойства используемой в макете ИС. Это позволит исследовать АЧХ, ФЧХ и ПХ схем на стандартных ОУ.
Часть 1. Макромодель оу с частотной коррекцией
Модель, удобная для учебного процесса, показана на рис.1. Она подробно описана в [2].
Рис.1 Представление исследуемого ОУ частотно-зависимой схемой
[2] Алексеев А.Г., Климова П.В. К расчёту резисторных каскадов.-2011.-www.seusut,narod.ru
Эта модель содержит два операционных усилителя ОУ1 и ОУ2. Первый обеспечивает дифференциальный вход устройства с бесконечно большим входным сопротивлением, второй – нулевое выходное сопротивление и служит буфером между моделью ОУ и внешними цепями (в первую очередь цепями ОС). Частотные свойства в предложенной модели ОУ определяются двумя RC – элементами. ИТУН устраняют влияние каждой пары друг на друга.
На рис.2. показана макромодель ОУ, которой можно пользоваться при компьютерном моделировании усилителей, имеющихся в макете лабораторной работы №5 [1].
Рис. 2. Макромодель с параметрами элементов ОУ К140УД7
Функция передачи ОУ с частотной коррекцией характеризуется доминирующим полюсом на частоте fp1. Он определяет начало спада коэффициента усиления в области нижних частот. Другой полюс на частоте fp2 , обычно в 2…3 раза превышающей частоту единичного усиления f1, определяет границу частотного диапазона с единичным наклоном АЧХ -20дБ/дек. Рисунок 3 даёт представление о частотных свойствах ОУ К140УД7. АЧХ рис.3 построена по макромодели рис.2.
В том случае, если коэффициент усиления ОУ в области низких частот, измеренный экспериментально, отличается от указанного на рис.2 (μ=4к), необходимо пропорционально изменить величину ёмкости С1.
Рис.3 Типовая АЧХ ОУ с коррекцией.
Далее используем эту конструкцию для определения АЧХ, ФЧХ и ПХ.
Часть 2. Схемы с частотно-независимой ос
На рис.4 приведены две основные схемы включения ОУ с ОС.
Неинвертирующий усилитель с ОС изображён на рис.4,а. В этой схеме сигнал подаётся на прямой вход ОУ. Напряжение отрицательной ОС поступает на инверсный вход ОУ. Цепь ОС из резисторов R1 и R2 образует последовательную ОС по входу и параллельную по выходу. Коэффициент усиления КFн этой структуры записан под схемой. Здесь μ собственный коэффициент усиления ОУ без ОС, F-глубина ОС.
Рис.4 Основные схемы включения операционных усилителей
Инвертирующий усилитель с ОС изображён на рис.4,б. В этой схеме сигнал через резистор R1 подаётся на инверсный вход ОУ. На этот же вход должен поступать и сигнал ОС, иначе она не будет отрицательной. Таким образом, и в инвертирующем включении ОУ цепь ОС образуется резисторами R1 и R2. При этом получается параллельная по инверсному входу ОУ и параллельная по выходу ОС. Коэффициент усиления КFи этой структуры также записан под соответствующей схемой. Глубина ОС в обеих схемах одинакова.
2.1 Характеристики в частотной области
В экспериментальной части на макете лабораторной работы №5 [1] предусмотрены исследования устройств на ОУ в следующих режимах:
Режим без ОС (УПТ),
Режим усиления с глубокой ОС (МУ),
Режим операционного повторителя (ОП).
Режим УПТ на ПК в программе Fastmean можно создать, подключив к одному из входов макромодели ОУ рис.2 источник гармонического сигнала (с амплитудой 1…2 мВ), и заземлив другой. В этом случае исследованию подвергается собственно сама микросхема ОУ. Полученная АЧХ в двойном логарифмическом масштабе должна быть похожа на рис.3.
Построить АЧХ ОУ без ОС, определить коэффициент усиления μ на нижних частотах
(20…80 Гц) и частоту единичного усиления f1.
Режим МУ получается при подключении к макромодели ОУ резисторов ОС R1 и R2 (рис.4б). Для получения установленных коэффициентов усиления с ОС КF равными 100 и 10 необходимо включить требуемые сопротивления резисторов ОС (рис.5.1 [1]) или рассчитать их, приняв R1=10кОм. Источник гармонического сигнала (рис.5 ) подключается к инверсному входу ОУ через резистор R1.
Рис.5 Инвертирующий усилитель
Входные напряжения здесь (в отличие от реального макета) удобно задать одинаковыми для двух коэффициентов усиления, так, чтобы выходное напряжение не превышало 1В. Используя функцию “параметр” можно наблюдать несколько АЧХ.
На графиках АЧХ в двойном логарифмическом масштабе определить граничные частоты полосы пропускания. Кроме этого необходимо определить диапазон частот, в котором точность выполнения заданных коэффициентов усиления равна 10%.
Режим ОП получается при подаче сигнала на прямой вход ОУ (рис.4,а). В схеме операционного повторителя (рис.6) выход ОУ непосредственно соединяется с инверсным входом (R2=0), присутствие резистора R1 теряет смысл.
Рис.6 Неинвертирующее включение ОУ (ОП)
Резистор Rо необходим для протекания входного постоянного тока ОУ. Его сопротивление может составлять десятки килоом.
Определить коэффициент усиления схемы и значение верхней граничной частоты.
Дополнение: 1. Определить входные сопротивления в рассмотренных схемах.