Лабораторная работа №2. Исследование операционного усилителя с частотно-зависимой обратной связью первого порядка.

Цель работы: Исследование свойств операционного усилителя с частотно-зависимой отрицательной обратной связью в качестве устройства, выполняющего операции частотной фильтрации, дифференцирования и интегрирования сложных сигналов. Сравнение пассивными СR-цепочками, выполняющими аналогичные функции, (см. отчет по лабораторной работе №1).

Краткие теоретические сведения.

Операционным усилителем(ОУ) называется дифференциальный усилитель с очень большим коэффициентом усиления по напряжению, очень большим входным сопротивлением и очень малым выходным сопротивлением. Идеальный ОУ имеет

(2.1)

Для ОУ с отрицательной обратной связью (рис.2.1) связь входного и выходного напряжений и комплексный коэффициент передачи по напряжению определяются по формулам с учетом соотношений, вытекающих из определения идеального ОУ (2.1).

Для идеального операционного усилителя в данной схеме справедливы равенства:

(2.2)

- из-за бесконечно большого входного дифференциального коэффициента усиления ;

(2.3)

- из-за бесконечно большого входного сопротивления между дифференциального входа.

Рис.2.1.

Связь между входным и выходным напряжениями определяется видом сопротивлений и . Если в схеме имеется емкость, то ток и напряжение на ней определяются соотношением

. (2.4.)

С помощью выражений (2.2-2.4) можно легко определить как частотный коэффициент передачи усилителя с обратной связью, так и временную функцию выходного сигнала для входного сигнала сложной формы.

2.1.Предварительные расчеты.

1.Для схемы рис.2.2 записать общее выражение для временной функции выходного сигнала при произвольном сигнале на входе, а также соотношение для комплексного частотного коэффициента передачи.

Построить графики АЧХ и ФЧХ, если С=1000 пФ, R=10 кОм.

Рассчитать амплитуды входного сигнала для частот 1, 10, 100, 1000 кГц так, чтобы амплитуда выходного сигнала была бы не более 4 В и не менее 10 мВ.

2. Повторить п.1.1 для схемы рис.2.3 , поэтому в предварительных расчетах ее можно не учитывать.

Рис.2.1

Рис.2.2.

Рис.2.3

2.2. Эксперимент.

1. Собрать схему рис.2.2¹. В качестве сопротивления обратной связи R подключить резистор R₈=10 кОм, емкость С=1000 пФ следует взять из блока конденсаторов СЛАУ.

2. Подать на вход гармоническое колебание от генератора Г4-46 с рассчитанными в п.1.1 значениями амплитуд входного сигнала. Убедиться по осциллограммам, что имеет место линейный режим работы операционного усилителя (нет нелинейных искажений). Зарисовать осциллограммы. Зафиксировать амплитуды сигналов и разность фаз. Определить коэффициент усиления. Сравнить с расчетными значениями.

3. Изменяя частоту входного сигнала снять и построить графики АЧХ и ФЧХ.

4. Переключить режим работы генератора на режим работы с последовательностью прямоугольных импульсов, установив их амплитуду и выбрав частоту повторения так, чтобы усилитель работал без нелинейных искажений. Зарисовать осциллограммы входного и выходного сигналов, отметив на них амплитуды, для частот повторения F_П = 0.5, 1, и 10 кГц.

Повторить для сигналов треугольной формы.

5. Собрать схему рис.2.3. в цепь обратной связи подключить конденсатор С=1000 пФ, а в качестве входного сопротивления R использовать сопротивление макета R3=10 кОм. Для развязки по постоянному току между гнездом 11 и генератором сигнала включить разделительную емкость С_Р=0,068 мкФ из блока емкостей.

6. Повторить пп.2.2-2.4.

2. 3. Оформить отчет.

Отчет должен содержать схемы экспериментов, значения параметров элементов схемы и сигналов, таблиц для построения графиков, сравнения теоретических и экспериментальных результатов, выводы с позиций временного и частотного методов. Провести сравнение с аналогичными результатами работы №1.

Контрольные вопросы

1. Какие цепи относятся к дифференцирующим?

2. Для каких целей применяют интегрирующие цепи?

3. Как определить комплексный коэффициент передачи в схем с ОУ?

4. Проведите сравнение дифференцирующей пассивной цепочки и дифференцирующей схемой с ОУ.

5. Проведите сравнение интегрирующей пассивной цепочки и интегрирующей схемой с ОУ.

6. Почему полоса частот схемы с ОУ ограничена сверху при дифференцировании?

7. Почему полоса частот схемы с ОУ ограничена снизу при интегрировании?