8

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет

аэрокосмического приборостроения»

(ГУАП)

______________________________________________________________

АНАЛОГОВЫЕ СХЕМЫ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ

ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Методические указания к выполнению

лабораторных работ

Санкт-Петербург

2012

Составил: доцент, канд. техн. наук Неделин П.Н.

В разделе 1 излагаются основные сведения о характеристиках и параметрах интегральных операционных усилителей (ОУ), приводится их обозначение в схемотехнике и две базовые схемы включения операционных усилителей с отрицательной обратной связью.

В разделах 2, 3, 4 приводятся описания типовых схем электронных схем на ОУ, а именно, линейного детектора малых сигналов, генератора прямоугольных импульсов, синусоидальных генераторов с колебательным контуром, различных RC-автогенераторов: на основе двойного Т-образного моста, моста Вина, фазосдвигающей RC-цепи, кварцевого генератора активных RC фильтров, и приводится порядок выполнения соответствующих лабораторных работ.

В разделе 5 рассматривается схемное решение, описание работы преобразователя «напряжение-частота» и приводится порядок выполнения лабораторной работы.

Методическая разработка предназначена для студентов специальностей I факультета.

Подготовлена кафедрой приборов и систем стабилизации, ориентации и навигации летательных аппаратов.

Содержание

1. Основные характеристики и параметры интегрального ОУ . . . . . . . 4

2. Исследование детектора малых сигналов генератора

прямоугольных импульсов и RC – генератора синусоидальных

колебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3. Исследование генераторов гармонических колебаний . . . . . . . . . . . . 18

4. Исследование преобразователя «ток-напряжение» и

активных RC – фильтров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5. Исследование преобразователя «напряжение – частота» . . . . . . . . . 35

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1. Основные характеристики и параметры интегрального оу

Операционный усилитель (ОУ) обязан своим названием тому, что первоначально он использовался в аналоговой вычислительной технике для совершения операций (сложения, умножения, интегрирования и т.д.) электрических сигналов.

В настоящее время термин ОУ относится к усилителю постоянного напряжения с большим коэффициентом передачи (К_И), имеющему дифференциальный вход и несимметричный выход, обладающему высоким входным ( ) и низким выходным ( ) сопротивлениями и другими характеристиками, которые делают его пригодным для решения многих технических задач.

Современные ОУ выпускаются в интегральном исполнении являются одним из основных базовых элементов электроники.

Принятое в схемотехнике обозначение интегрального ОУ приведено на рис.1.1.а. Здесь 1 – неинвертирующий, 2 – инвертирующий входы; напряжение (дифференциальное) представляет собой разность

,

соответственно коэффициент передачи ОУ

,

его дифференциальный коэффициент усиления.

Значения К_И для распространенных типов ОУ лежат в пределах

5000 ≤ К_И ≤ 100000 или

74 дб ≤ К_И ≤ 100 дб .

Рис.1.1.а

На рис.1.1.б показана амплитудная характеристика ОУ (кривая 1), откуда следует, что при < (дифференциальное напряжение насыщения) обеспечивается линейная передача входного сигнала, а при > выходное напряжение не зависит от входного и равно ± (при соответствующем знаке ), причем величина (при и стандартном напряжении питания ) составляет величину 150 мкВ.

Рис.1.1.б

На рис. 1.1.в показана амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ОУ (кривая 1), т.е. зависимость К_И от частоты f входного сигнала. Важной характеристикой ОУ является его полоса пропускания (ПП), которая определяется как частотный диапазон, в котором амплитуда U_ВЫХ уменьшается не более чем до 0,707 от своего максимального значения при = const. Нижняя граница ПП у всех ОУ, очевидно, начинается от нуля. Верхняя граница ПП большинства типов интегральных ОУ лежит в пределах 10^-2 Гц. Частота f₁ (единичного усиления) когда К_И =0 dB, (т.е. К_И =1) составляет величину порядка 10⁶ Гц, но в зависимости от конкретного типа ОУ может быть как больше, так и меньше этого значения. Расширение полосы пропускания иногда достигается подключением к выводам 6 … 8 (рис.1.1.а) элементов внешних цепей коррекции.

Наряду с АЧХ важной характеристикой ОУ является скорость нарастания выходного сигнала (V), определяемая как отношение амплитуды U_ВЫХ (обычно максимально равной ) к времени (t_Н) в течении которого она меняется от нуля до максимума при подаче на вход идеального скачка напряжения, т.е.

Значения V лежат в широких пределах от 10 до 10² и более.

Рис.1.1в

Входное сопротивление ОУ (рис.1.2) это его сопротивление со стороны входов 1 и 2.

В идеальном случае → ∞ . Реальные значения ОУ лежат в пределах 5 кОм … 20 Мом в зависимости от типа усилителя.

Рис.1.2

При подаче на вход ОУ дифференциального сигнала он ведет себя как генератор напряжения (по отношению к нагрузке R_Н ), т.е. может быть представлен в виде источника сигнала, генерирующего в режиме холостого хода напряжение и обладающего внутренним сопротивлением . в идеальном случае должно быть равно нулю; тогда весь выходной сигнал U_ВЫХ будет падать на нагрузке R_Н. В зависимости от типа усилителей значения ОУ лежат в пределах 50 … 400 Ом.

Конечные значения и реальных ОУ (особенно при неблагоприятных соотношениях между и и R_Н и ), равно как и конечные значения их коэффициентов передачи, являются одними из основных источников погрешностей 0у и затрудняют как априорный анализ конкретных схем на ОУ, так и их реализацию.

В абсолютном большинстве схем с применением операционных интегральных усилителей используются 0У с отрицательной обратной связью по напряжению (ООС). ООС позволяет разработчику схем на ОУ легко выбирать и регулировать усиление по напряжению и, кроме того, применение ООС этого вида приводит к увеличению и снижению ОУ, т.е. к уменьшению погрешностей операций с сигналами. Если ОУ используется с ООС, то его коэффициент передачи записывается как

,

где – коэффициент передачи входной цепи;

– коэффициент передачи цепи ООС.

При достаточно глубокой ООС, когда (что легко достигается при больших значениях К_И):

,

т.е. определяется значениями коэффициентов передачи входной цепи и цепи ООС, образованных, как правило, пассивными элементами ( R и C ).

Две основных схемы включения ОУ с ООС представлены на рис.1.3.

На рис. 1.3.а представлена схема инвертирующего усилителя (ИУ). Анализ схемы в предложении, что ОУ близко к нулю, а и К_И являются достаточно большими величинами, показывает, что в этом случае

а и .

Рис.1.3.а

Характерной особенностью этой схемы является практически подтверждаемое предположение, что потенциал точки А (вход 2 ОУ) равен нулю при любых допустимых значениях U_ВХ . Тогда входной ток схемы , т.е. , которое обычно на практике не превышает 10³…10⁴ Ом . Это означает, что данную схему нецелесообразно применять при работе с высокоомными источниками сигналов, когда требуется выполнение соотношения ( R_G внутреннее сопротивление источника сигнала. Однако схема ИУ является основной при построении широкого круга схем различных устройств на ОУ.

На рис.1.3.б представлена схема неинвертирующего усилителя (НУ). При тех же предположениях, т.е.

, и , ,

тогда .

Рис.1.3.б

Как и в предыдущей схеме здесь , однако включение не является обязательным. Очевидно, что схема НУ обладает входным сопротивлением ( при ). Если резистор не подключен, оно оказывается , что допускает применение НУ при работе с высокоомными источниками сигналов.

Задание коэффициентов передачи рассмотренных схем с ООС внешними элементами, т.е. соотношением :

– разрешает выбор величины в требуемых конкретной разработкой пределах – обычно ;

– расширяет диапазон подводимых к усилителю амплитуд входных сигналов, в связи с тем, что АХ ОУ с ООС приобретает вид кривой 2 на рис. 1.1.б применительно к НУ; (АХ инвертирующего усилителя отображается кривой 3);

– изменяет вид АЧХ усилителя (кривая 2 рис.1.1.в), делая ее равномерной в широком диапазоне частот, т.е. приводит к расширению полосы пропускания.