7201_lab3_
.docxМИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра РТЭ
отчет
по лабораторной работе №3
по дисциплине «Функциональные узлы и устройства микроэлектроники»
ТЕМА: Исследование циркулятора на операционных усилителях
Студент гр. 7201 |
|
СтепановМ.Ю. |
|
|
ВекленкоД.А |
|
|
СикаловД.Д. |
Преподаватель |
|
Тупицын А.Д. |
Санкт-Петербург
2020
Цель работы: ознакомление с принципом работы и областями применения циркулятора на интегральных операционных усилителях, исследование его параметров и характеристик.
Основные теоретические сведения:
Рис.1 Электрическая принципиальная схема циркулятора
Электрическая принципиальная схема циркулятора приведена на рис. 1. Он построен на операционных усилителях К140УД9 (DA1 – DA3) с корректи-рующими конденсаторами для обеспечения устойчивой работы в заданном частотном диапазоне. В схеме используются одинаковые (за исключением переключаемых) сопротивления 1 кОм. Переключаемые с помощью K1 и K2 сопротивления используются для исследования влияния разброса их значений на параметры циркулятора.
Исследуемый циркулятор расположен в металлическом корпусе, на лицевой панели которого располагаются переключатели K1 и K2. Также на панели расположены входные клеммы звеньев циркулятора. Генератор звуковых частот G подключается к первому входу циркулятора. Напряжения U1, U2 и U3 последовательно измеряются вольтметром. Для развязки операционных усилителей используются блокировочные конденсаторы, подключѐнные к выводу 1 и 7.
Параметры исследуемого усилителя:
Электрические параметры:
Uпит. ном — 2*12,6В
I пот — 8мА
Ku — 35*10³
Uсм — 5мВ
TKUсм — 20мкв/Сº
Iвх — 350нА
ΔIвх — 100нА
Кос.сф — 80дБ
f1 — 1,0МГц
Vu — 0,2В/мкс
Uвых.мах — 10,0В
Rвх — 20МОм
Предельные эксплуатационные данные:
Uпит — 2*6…15В
Uдф. мах — 4В
Uсф.мах — 7В
Rн min — 1кОм
Сн мах — 100пФ
I вых мах — 22мА
Экспериментальные результаты:
Табл.1 Амплитудные характеристики для частоты 1кГц
f=1кГц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U1, В |
0,0000 |
1,0000 |
2,0000 |
3,0000 |
4,0000 |
5,0000 |
6,0000 |
7,0000 |
8,0000 |
9,0000 |
U2, В |
0,0000 |
0,9940 |
1,9500 |
2,9980 |
3,9800 |
4,9980 |
5,9980 |
6,7420 |
6,7420 |
6,7420 |
U3, В |
0,0000 |
0,0011 |
0,0011 |
0,0011 |
0,0015 |
0,0019 |
0,0022 |
0,0026 |
0,0030 |
0,0033 |
Lперех, дБ |
- |
0,0523 |
0,2199 |
0,0058 |
0,0435 |
0,0035 |
0,0029 |
0,3262 |
1,4860 |
2,5091 |
Lнапр, дБ |
- |
59,4416 |
65,3439 |
68,6851 |
68,5924 |
68,5437 |
68,7117 |
68,4246 |
67,0565 |
66,1504 |
Табл.2 Амплитудные характеристики для частоты 50кГц
f=50кГц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U1, В |
0,000 |
1,000 |
2,000 |
3,000 |
4,000 |
5,000 |
6,000 |
7,000 |
8,000 |
9,000 |
U2, В |
0,000 |
0,196 |
0,552 |
0,564 |
0,568 |
0,580 |
0,573 |
0,558 |
0,545 |
0,569 |
U3, В |
0,000 |
0,001 |
0,003 |
0,003 |
0,003 |
0,003 |
0,002 |
0,002 |
0,002 |
0,001 |
Lперех, дБ |
- |
14,155 |
11,182 |
14,517 |
16,954 |
18,711 |
20,400 |
21,969 |
23,334 |
23,983 |
Lнапр, дБ |
- |
50,881 |
45,392 |
46,145 |
46,460 |
46,969 |
47,274 |
48,324 |
50,431 |
54,450 |
Табл.3 Амплитудные характеристики для частоты 500кГц
f=500кГц |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U1, В |
0,000 |
1,000 |
2,000 |
3,000 |
4,000 |
5,000 |
6,000 |
7,000 |
8,000 |
9,000 |
U2, В |
0,000 |
0,003 |
0,050 |
0,051 |
0,051 |
0,057 |
0,075 |
0,140 |
0,150 |
0,180 |
U3, В |
0,000 |
0,000 |
0,001 |
0,003 |
0,005 |
0,006 |
0,007 |
0,007 |
0,008 |
0,009 |
Lперех, дБ |
- |
50,458 |
32,041 |
35,391 |
37,890 |
38,877 |
38,062 |
33,979 |
34,540 |
33,979 |
Lнапр, дБ |
- |
81,974 |
30,481 |
25,686 |
20,355 |
19,373 |
21,223 |
25,538 |
25,036 |
25,925 |
Табл.4 Частотные характеристики для линейного режима (U1 = 4B)
U1= 4В |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f, кГц |
10 |
100 |
1000 |
10000 |
50000 |
100000 |
110000 |
150000 |
200000 |
300000 |
350000 |
U2, В |
0,14 |
0,095 |
0,08 |
0,08 |
0,08 |
0,08 |
0,08 |
0,08 |
0,08 |
0,07 |
0,06 |
U3, В |
0,002695 |
0,0039 |
0,00268 |
0,002747 |
0,00263 |
0,00275 |
0,00285 |
0,00295 |
0,003 |
0,00276 |
0,0029 |
Lперех, дБ |
29,11864 |
32,48673 |
33,9794 |
33,9794 |
33,9794 |
33,9794 |
33,9794 |
33,9794 |
33,9794 |
35,13924 |
36,47817 |
Lнапр, дБ |
34,31139 |
27,73318 |
29,4991 |
29,28463 |
29,66268 |
29,27515 |
28,9649 |
28,66536 |
28,51937 |
28,08378 |
26,31507 |
Табл.5 Частотные характеристики для нелинейного режима (U1 = 12B)
U1= 12В |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f, кГц |
10 |
100 |
1000 |
10000 |
50000 |
100000 |
110000 |
150000 |
200000 |
300000 |
U2, В |
0,56 |
0,356 |
0,27 |
0,26 |
0,24 |
0,16 |
0,15 |
0,11 |
0,08 |
0,075 |
U3, В |
0,0465 |
0,017 |
0,0168 |
0,009 |
0,0079 |
0,0068 |
0,00563 |
0,001486 |
0,012227 |
0,012559 |
Lперех, дБ |
26,61986 |
30,55462 |
32,95635 |
33,28416 |
33,9794 |
37,50123 |
38,0618 |
40,75577 |
43,52183 |
44,0824 |
Lнапр, дБ |
21,6147 |
26,42002 |
24,12109 |
29,21462 |
29,65168 |
27,43222 |
28,51166 |
20,8357 |
16,3154 |
15,52212 |
Табл.6 Амплитудные характеристики для частоты 1000 Гц при Rк1= 800 Ом
Rк1= 800 Ом |
|
|
|
|
|
|
|
U1, В |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
U2, В |
0 |
0,998 |
1,98 |
2,999 |
3,998 |
4,998 |
5,997 |
U3, В |
0 |
0,0002104 |
0,000212 |
0,000142 |
0,000449 |
0,000827 |
0,00124 |
Lперех, дБ |
- |
0,01738917 |
0,0872961 |
0,002896 |
0,004344 |
0,003475 |
0,004344 |
Lнапр, дБ |
- |
73,5216961 |
79,406587 |
86,49376 |
78,99193 |
75,62581 |
73,69025 |
Табл.7 Амплитудные характеристики для частоты 1000 Гц при Rк1= 1000 Ом
Rк1= 1000 Ом |
|
|
|
|
|
|
|
U1, В |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
U2, В |
0 |
0,996 |
1,99 |
2,983 |
3,998 |
4,976 |
5,998 |
U3, В |
0 |
0,001051 |
0,001068 |
0,001156 |
0,001489 |
0,001891 |
0,002444 |
Lперех, дБ |
- |
0,03481323 |
0,0435384 |
0,04936 |
0,004344 |
0,041793 |
0,002896 |
Lнапр, дБ |
- |
59,5331324 |
65,405636 |
68,23391 |
68,57896 |
68,40378 |
67,79811 |
Табл.8 Амплитудные характеристики для частоты 1000 Гц при Rк1= 1300 Ом
Rк1= 1300 Ом |
|
|
|
|
|
|
|
U1, В |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
U2, В |
0 |
0,999 |
1,9 |
2,999 |
3,998 |
4,999 |
5,995 |
U3, В |
0 |
0,0013 |
0,0012 |
0,00126 |
0,001792 |
0,002215 |
0,002564 |
Lперех, дБ |
- |
0,00869024 |
0,4455279 |
0,002896 |
0,004344 |
0,001737 |
0,007241 |
Lнапр, дБ |
- |
57,7124427 |
63,991447 |
67,53212 |
66,9701 |
67,07019 |
67,37742 |
Табл.9 Амплитудные характеристики для частоты 1000 Гц при Rк2= 510 Ом
Rк2= 510 Ом |
|
|
|
|
|
|
|
U1, В |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
U2, В |
0 |
0,998 |
1,99 |
2,998 |
3,997 |
4,997 |
5,998 |
U3, В |
0 |
0,000571 |
0,001 |
0,0009 |
0,0014 |
0,0015 |
0,0018 |
Lперех, дБ |
- |
0,01738917 |
0,0435384 |
0,005793 |
0,006517 |
0,005213 |
0,002896 |
Lнапр, дБ |
- |
64,8498887 |
65,977062 |
70,45178 |
69,11212 |
70,45236 |
70,45468 |
Табл.10 Амплитудные характеристики для частоты 1000 Гц при Rк2= 1000 Ом
Rк2= 1000 Ом |
|
|
|
|
|
|
|
U1, В |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
U2, В |
0 |
0,996 |
1,98 |
2,983 |
3,993 |
4,975 |
5,991 |
U3, В |
0 |
0,001074 |
0,001085 |
0,001113 |
0,001469 |
0,001825 |
0,00211 |
Lперех, дБ |
- |
0,03481323 |
0,0872961 |
0,04936 |
0,015214 |
0,043538 |
0,013039 |
Lнапр, дБ |
- |
59,3451011 |
65,224709 |
68,56316 |
68,68555 |
68,7106 |
69,06434 |
Табл.11 Амплитудные характеристики для частоты 1000 Гц при Rк2= 2000 Ом
Rк2= 2000 Ом |
|
|
|
|
|
|
|
U1, В |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
U2, В |
0 |
0,994 |
1,997 |
2,999 |
3,997 |
4,999 |
5,999 |
U3, В |
0 |
0,001 |
0,002 |
0,0018 |
0,001694 |
0,0029 |
0,0035 |
Lперех, дБ |
- |
0,05227231 |
0,0130386 |
0,002896 |
0,006517 |
0,001737 |
0,001448 |
Lнапр, дБ |
- |
59,9477277 |
59,986961 |
64,43408 |
67,45641 |
64,7297 |
64,68022 |
Для расчёта использовались следующие формулы:
Обработка результатов:
Построим графики амплитудных и частотных зависимостей напряжений на входах циркулятора:
Рис.2 Амплитудные характеристики для входа 2
Рис.3 Амплитудные характеристики для входа 3
Рис.4 Частотные характеристики для входа 2
Рис.5 Частотные характеристики для входа 3
Построим графики зависимостей переходного ослабления и коэффициента направленности от амплитуды и частоты входного сигнала:
Рис.6 Зависимость переходного ослабления от Uвх
Рис.7 Зависимость коэффициента направленности от Uвх
Рис.8 Зависимость переходного ослабления от частоты
Рис.9 Зависимость коэффициента направленности от частоты
Построим графики напряжений на входах циркулятора от изменения сопротивлений в цепи обратной связи и во входной цепи ОУ3 циркулятора:
Рис.10 Амплитудные характеристики входа 2 для разных положений переключателя К1