Контрольні запитання

1. Сформулюйте основні параметри ідеалізованого ОП.

2. За яких умов коефіцієнт передачі за напругою визначається елементами зворотного зв`язку?

3. Як визначається коефіцієнт пригнічення синфазної завади?

4. Накресліть схему суматора, диференціатора та інтегратора на базі ОП.

5. Як визначається коефіцієнт передачі за напругою при інвертувальному та неінвертувальному вмиканнях ОП?

6. Якими параметрами вирізняються компаратори?

7. Як визначається швидкість зростання вихідної напруги?

8. Накресліть осцилограми вихідних сигналів у режимі додавання та віднімання гармонічного та імпульсних сигналів.

Лабораторна робота 12

ДОСЛІДЖЕННЯ ВИБІРКОВИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ

НА ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМАХ

Мета роботи:

1. вивчення особливостей побудови вибіркових підсилювачів та генераторів гармонічних коливань;

2. експериментальне визначення характеристик та параметрів вибіркових підсилювачів та генераторів на ОП;

3. набуття навиків роботи з вимірювачем частотних характеристик.

Стислі теоретичні відомості

1. Вибіркові підсилювачі

За принципом дії і схемним виконанням вибіркові підсилювачі (ВП) можна поділити на:

- резонансні;

- смугові;

- підсилювачі зі зворотним зв'язком.

Резонансні підсилювачі. У резонансних підсилювачах навантаженням вихідного кола підсилювального елемента є паралельний коливальний контур, що має високий опір R_рез для електричних коливань резонансної частоти f₀ і малий опір для інших частот.

Частотна характеристика резонансного підсилювача визначається параметрами коливального контуру, причому вибіркові властивості контуру можуть бути найповніше реалізовані в схемі підсилювача за умови малого шунтування контуру вихідним опором джерела сигналу і вхідним опором навантаження.

Для зменшення впливу транзисторів (даного каскаду і наступного) на контур у схемах резонансних підсилювачів, як правило, використовують неповне ввімкнення контуру в колекторне коло транзистора. Таке ввімкнення можна досягнути, наприклад, за допомогою автотрансформаторної схеми ввімкнення контуру.

У побудові високочастотних резонансних підсилювачів доводиться зважати на те, що в транзисторах є внутрішній зворотний зв'язок і, крім того, у підсилювачі виникають паразитні зворотні зв'язки. На частотах, вищих і нижчих від резонансної частоти, коливальний контур являє собою комплексне навантаження і вносить додатковий фазовий зсув. У результаті загальний фазовий зсув між вхідним і вихідним сигналами може виявитися таким, що в схемі виникне позитивний зворотний зв'язок і підсилювач самозбудиться.

Для компенсації (нейтралізації) внутрішнього зворотного зв'язку в підсилювачі доводиться вводити в схему зовнішній зворотний зв'язок із протилежним знаком, тобто ускладнювати схему.

Смугові підсилювачі. На відміну від резонансних смугові підсилювачі, як правило, мають фіксоване настроювання. Опором навантаження таких підсилювачів є смуговий фільтр, що являє собою звичайно двоконтурну зв'язану систему з взаємоіндуктивним зв'язком між контурами. Такі підсилювачі широко використовуються в радіоприймачах для підсилення сигналів проміжної частоти.

Підсилювачі зі зворотним зв'язком. Резонансні та смугові підсилювачі дають задовільні результати лише при робочій частоті порядку одиниць кілогерц і вище. На більш низьких частотах індуктивність резонансного контуру виявляється надмірно великою і контур стає громіздким і дорогим. Котушка індуктивності такого контуру містить багато витків тонкого проводу і дуже чутлива до завад та перешкод. Тому вибіркові підсилювачі, що призначені для роботи на частотах порядку сотень герц і нижче, зазвичай будують з використанням частотовибіркових фільтрів типу RC у колі негативного зворотного зв'язку. Такі ВП досліджуються в цій лабораторній роботі. У колах частотозалежного зворотного зв'язку використовують декілька типових схем. До них відносяться послідовно-паралельна частотовибіркова RC-схема (міст Вінна) та подвійний Т-подібний міст.

Широке поширення одержали ВП на основі операційних підсилювачів (ОП). Коефіцієнт підсилення з негативним зворотним зв’язком (НЗЗ) визначається тільки параметрами ланцюга зворотного зв’язку (ЗЗ). Якщо в ланцюзі ЗЗ використовувати RC-схему, коефіцієнт передачі і фазовий зсув якого залежать від частоти, можна забезпечити необхідну залежність коефіцієнта передачі ВП від частоти.

Як частотозалежні кола застосовують різні RC-схеми.

Схему ВП з послідовно-паралельним частотовибірковим RC-колом  мостом Вінна показано на рис. 12.1 (схему моста виділено пунктиром).

З подачею на вхід такого підсилювача несинусоїдальної напруги U_вх(t) на виході одержуємо синусоїдальний сигнал (рис. 12.2), частота якого визначається значенням квазірезонансної частоти f₀.

Рис. 12.1. Схема вибіркового підсилювача з мостом Вінна

Рис. 12.2. Вибіркове виділення електричного сигналу

Процес селекції сигналу необхідної частоти відбувається завдяки особливостям частотних характеристик моста Вінна (рис. 12.3).

а

б

Рис. 12.3. Вибірковий підсилювач на ОП:

а – принципова схема; б – АЧХ подвійного Т-подібного моста

На частотах, відмінних від f₀, коефіцієнт передачі моста Вінна малий і можна вважати, що сигналу на неінвертуальному вході немає. Сигнал позитивного зворотного зв`язку U_ПЗЗ = 0. При цьому коефіцієнт передачі вхідного сигналу U_ВХ визначається коефіцієнтом передачі напруги при вмиканні ОП за інвертувальним входом:

На частоті f₀ коефіцієнт передачі моста Вінна максимальний, а тому на вхід ОП подається сигнал позитивного зворотного зв’язку, що різко збільшує коефіцієнт підсилення схеми К_m порівняно зі значенням . Підсилюється (виділяється) m-на гармоніка. Частотну характеристику ВП зображено на рис. 12.4.

Рис. 12.4 Частотна характеристика вибіркового підсилювача

Чим вищий коефіцієнт підсилення , тим вужча посилювальна область частот (смуга пропускання), вище відношення . Однак, якщо , то виконується умова самозбудження і коефіцієнт підсилення схеми на частоті f₀ дорівнює нескінченності. Це означає, що на виході схеми будуть існувати синусоїдальні коливання частоти f₀ і у випадку нульового вхідного сигналу. У такому вигляді схема, яка показана на рис. 12.1, стає генератором синусоїдальної напруги.

Для побудови вибіркових RC-підсилювачів на ОП як частотозалежні схеми зворотного зв`язку також використовують подвійні Т-подібні мости. Схему ВП на ОП з таким мостом зображено на рис. 12.3, а, АЧХ – на рис. 12.3, б.

Умова найбільшої вибірковості 2Т-моста забезпечується, якщо R₃ = R₁R₂/(R₁+R₂) і С₃ = С₁+С₂ . При цьому квазірезонансна частота визначається виразом

(12.1)

Якщо R₁ = R₂ = 2R₃ та С₁ = С₂ = 0,5С₃,

то

(12.2)

Оскільки ОП на інвертувальному вході зсуває фазу вхідного сигналу на 180 ел. град., а фазовий зсув, що вносить 2Т-міст на квазірезонансній частоті ₀ = 0, то загальний фазовий зсув по замкненій петлі підсилювач – 2Т-міст дорівнює 180 ел. град. У результаті на частоті ₀ негативного зворотного зв`язку немає, що і забезпечує максимальний коефіцієнт передачі вибіркового підсилювача на квазірезонансній частоті.