Контрольные вопросы и упражнения

1. Что такое идеальный операционный усилитель и каковы его параметры?

2. Охарактеризуйте основные аналоговые функции и основные типы аналоговых ИС.

3. Какие подсхемы аналоговых ИС Вы знаете? Опишите эти подсхемы.

4. Опишите свойства известных Вам вариантов выходных каскадов аналоговых ИС.

5. Охарактеризуйте структуры простейшего операционного усилителя (ОУ).

6. Что такое сдвиг уровня в аналоговых ИС?

7. Что такое частота единичного усиления ОУ?

8. Объясните понятие виртуального нуля.

9. Почему ОУ в инвертирующем включении можно считать преобразователем ток – напряжение?

Литература

1. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника.- М.,Радио и связь, 1990.-496 с.

2. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы. - М., Мир, 1988.

3. Коломбет А.Е. и др. Применение аналоговых микросхем.- М.,Р Радио и связь,1990.

4. Манаев Е.И.Основы радиоэлектроники. М.,Радио и связь, 1990.- 512 с.

5. Алексеенко А.Г. Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М., Радио и связь, 1985.- 256 с.

Лабораторная работа №2 Измерительный усилитель

Цель работы: определение дифференциального и синфазного коэффициентов передачи, КОСС, зависимости КОСС от частоты для измерительного усилителя с открытым и закрытым входами.

Измерительные усилители используют для усиления сигнала небольшой амплитуды на фоне значительных помех. Такие усилители должны обладать высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС) и строятся на двух или трех операционных усилителях. КОСС измерительного усилителя получается на 20-30 Db больше, чем у одиночного операционного усилителя (ОУ) за счет того, что в измерительных усилителях можно добиться большей симметрии входных цепей. Известно, что именно дифференциальный каскад, стоящий на входе операционного усилителя обладает свойствами усиления дифференциального входного сигнала и ослабления синфазного. Чем выше идентичность параметров транзисторов и одноименных элементов схемы дифференциального каскада, выше выходное сопротивление генератора тока, стоящего в цепи его эмиттеров (смотри лабораторную работу №1), тем выше КОСС. Указанные параметры выше у прецизионных операционных усилителей, КОСС которых составляет 100-110 Db, тогда как у операционных усилителей общего назначения этот параметр составляет 60-70 Db. При использовании усилителя с обратными связями нарушается симметрия входных цепей и КОСС снижается.

В работе изучается измерительный усилитель, построенный на трех ОУ. Достоинствами этого усилителя (рис.1) является высокий КОСС, возможность плавной регулировки усиления одним резистором (R3). Недостатки – необходимость применения точных резисторов (R4, R5 или все резисторы схемы) и подстройки КОСС резистором R6 .

Измерительный усилитель может работать от униполярного и двухполярного, как заземленного так и незаземленного, источников сигнала. Связь усилителя с источником сигнала может быть по постоянному току ( - открытый вход) и по переменному току ( ~ закрытый вход). При закрытом входе сигнал от источника (генератора) поступает через разделительные конденсаторы.

Коэффициент усиления такого усилителя определяется по следующей формуле:

K =(2R1/R3 + 1)*R7/R4, R1=R2, R4=R5

Рис.1. Принципиальная схема измерительного усилителя на трех операционных усилителях.

В лабораторной работе используются резисторы R4,R5 c погрешностью 0,1% и 20%. Чем выше точность этих резисторов, тем выше КОСС. В работе измеряются дифференциальный и синфазный коэффициенты передачи и по ним высчитывается КОСС:

Дифференциальный и синфазный коэффициенты передачи определяются как отношение выходного сигнала к входному по аналогичным формулам. Отличие в том, что дифференциальный коэффициент передачи измеряется при подаче на один вход униполярного сигнала относительно общего провода (земли), а второй вход остается свободным. При измерении синфазного коэффициента передачи на оба входа усилителя относительно земли подаются одинаковые по фазе и амплитуде сигналы.

В работе необходимо снять зависимость дифференциального и синфазного коэффициентов передачи от частоты и построить зависимость КОСС от частоты для открытого и закрытого входов. В начале надо измерить дифференциальный коэффициент передачи для R4, R5 погрешность номинала которых равны 20%, подключить синфазный сигнал на вход, добиться резистором R6 минимального сигнала на выходе (порядка 50 мВ при сигнале на входе 2В).Измерения проводить на частоте 10 Гц для открытого входа. Далее, не меняя положение резистора R6 измерить дифференциальный и синфазный коэффициенты передачи для закрытого входа на этой же частоте. Затем заменить резисторы R4, R5 на более точные и повторить указанные выше измерения. Затем переключить усилитель на открытый вход и снять зависимость коэффициентов передачи от частоты. Переключиться на закрытый вход и не меняя положение резистора R6 снять зависимость коэффициентов передачи от частоты. Высчитать КОСС и построить график, примерный вид которого представлен на рис.2. Большое различие в КОСС для открытого и закрытого входов на частотах менее 100 Гц объясняется тем, что при работе с закрытым входом сигнал на вход подается через разделительные конденсаторы, емкостью 0,47 мкф и погрешностью номинала порядка 20-30%. Различие емкостей разделительных конденсаторов сильнее сказывается на более низких частотах, т.к. возрастает реактивное сопротивление конденсаторов и разность этих реактивных сопротивлений приводит к тому, что на входы усилителя приходят разные по амплитуде сигналы. На частотах выше 200 Гц реактивные сопротивления конденсаторов становятся незначительными, их разница – тоже. Кривые для открытого и закрытого входов почти совпадают. Уменьшение КОСС на частотах более 200 Гц с увеличением частоты объясняется неидентичностью фазо-частотных характеристик как операционных усилителей, так и каскадов каждого операционного усилителя.

Рис.2. Зависимость КОСС от частоты.

Измерительный усилитель можно построить и на двух операционных усилителях. КОСС его будет немного ниже, чем у приведенного выше усилителя. Основным преимуществом здесь является то, что в схеме (рис.3) нет регулировочных элементов. Резисторы в этой схеме также необходимы точные.

Р ис.3.Схема измерительного усилителя на двух операционных усилителях.

В данной схеме элементы, имеющие одинаковый номинал обозначены с одинаковым индексом. Коэффициент передачи (дифференциальный, определяемый как усиленная разность сигналов, действующих на входах) определяется по формуле:

K=1+R1*(1/R2 + 2/R3).

Такая схема применяется, когда нежелательно иметь регулировочные элементы (пусть даже с некоторым снижением параметров).Это повышает технологичность выпускаемой аппаратуры и снижает ее себестоимость.

Порядок выполнения работы:

Р ис.4. Лицевая панель стенда работы №2.

1. Собрать схему согласно Рис.1, установить R4=R5= 6,8 кОм, 20%

2. Подать с генератора синусоидальный сигнал на один из входов усилителя, второй вход оставить свободным, f=10 Гц, U=20 мВ. Переключатель установить в положение - , измерить амплитуду сигнала на выходе

3. Подать с генератора синусоидальный сигнал на оба входа усилителя, f=10 Гц, U=2 В. Переключатель установить в положение - (открытый вход), измерить амплитуду сигнала на выходе

4. Повторить п. 2, 3, установив переключатель в положение ~ (закрытый вход)

5. Повторить п. 1-4, установив R4=R5= 7,34 кОм, 0,1%

6. Вычислить Кдиф, Ксинф и КОСС для усилителя с открытым и закрытым входами для двух значений резисторов

7. Повторить п.2,3 , но частоту сигнала f изменять от 0,01 до 1000 Гц

8. Установить переключатель в положение ~ (закрытый вход)

9. Повторить п.2,3 , но частоту сигнала f изменять от 0,01 до 1000 Гц для положения ~ (закрытый вход)

10. Вычислить Кдиф, Ксинф и КОСС для каждого значения f

11. Подготовить отчет, построить график КОСС=F(f)