Основы функционального проектирования РЭС. практикум. Башкиров А.В., Турецкий А.В

Практическая работа № 2.10 Анализ усилительного каскада на операционном усилителе

Цель работы: рассчитать усилительный каскад на ОУ.

Задания для выполнения:

1.Определить коэффициент усиления по напряжению на средних частотах.

2.Определить входное Rвх и выходное Rвых сопротивления.

3.Оценить полосу пропускания на уровне 3 дБ.

4.Оценить возможную ошибку смещения нуля и дрейф нулевого уровня на выходе операционного усилителя в диапазоне температур (20…50) °С.

Характеристики и параметры операционного усилителя приведены на рис. 2.10.1.

Рис. 2.10.1. Характеристики ОУ

-rвх=100кОм – входное сопротивление;

-rвых=100 Ом - выходное сопротивление;

-Uсм≤5мВ – напряжение смеещения;

-δUсм≤50 мкВ/К – дрейф напряжения смещения;

-Iвх ≤ 5мкА – входной ток;

-∆ Iвх ≤ 1мкА – разность входных токов;

-δIвх≤50 нА/К – дрейф входного тока;

-δIвх≤10 нА/К – дрейф разности входных токов;

-rcф=100 МОм – входное сопротивление для синфазного сигнала.

111

Варианты для выполнения практических заданий

112

Пример выполнения практической работы № 2.10

Вариант анализируемой схемы усилителя приведен на рис. 2.10.2, здесь входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Конденсатор С1 влияет на перадачу в схеме на выход постоянной и переменной составляющих Uвх с разными коэффициентами усиления.

Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе R2 и поданную на инвертирующий вход.

Рис. 2.10.2. Схема анализируемого усилителя

1. Схема является повторителем напряжения на постоянном токе, а переменная составляющая Uвх для неинвертирующего операционного усилителя усиливает-

2. Входное сопротивление каскада определяется по формуле Rвх R3 rвх A , где A 1 K0 K0 / KОС 9090 - глубина отрицательной обратной связи;

β– коэффициент передачи по цепи обратной связи;

Коэффициент усиления без ОС(K0)–коэффициент усиления разностного сигнала ОУ в отсутствии ООС и соответствует максимальному значению на АЧХ.

Находится из соотношения K0, дБ = 20lg K0

Дрейф выходного напряжения

Uвых.др Uсм Т Iвх Т R2 50 30 5 30 10 3000мкВ

113

Практическая работа № 2.11 Решение задач по усилителям

Примеры решения задач

1. Определите коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, а также новые значения нижней f´н и верхней f´в граничных частот и полосу пропускания усилителя, при условии, что коэффициент усиления RС – усилителя на средних частотах Кср = 100, а нижняя граничная частота полосы пропускания равна fн=200 Гц, верхняя fв = 30 кГц. К усилителю подключена цепочка отрицательной обратной связи с β=0,1.

Решение 1. Нижняя частота усилителя с отрицательной обратной связью определяется по формуле:

2. Верхняя частота усилителя с отрицательной обратной связью определяется по формуле:

fв' fв / 1 Ku ;

fв' 30000 / 1 100 0.1 330кГц;

3.Полоса пропускания усилителя определяется по формуле:

F fв' f н' ;

F 330000 18 332982Гц;

4. Коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью определяется по формуле

Kоос Ku / 1 Ku ;

Kоос 100 / 1 100 0.1 9.

Ответ: Коэффициент усилителя с отрицательной обратной связью Коос = 9,

полоса пропускания усилителя отрицательной обратной связи ∆F= 332982 Гц, f´´в = 330 кГц, f´´н = 18 Гц.

2.Во сколько раз уменьшается коэффициент усиления усилителя

Кu=200, если охватить усилитель последовательной ООС по напряжению в виде четырехполюсника R1= 1 кОм и R2=19 кОм, приведенного на рисунке.

114

11 1 / 500 0,01 0,02.

2 Верхняя граничная частота усилителя с отрицательной обратной связью fв' fв / 1 Ku ;

fв' 8000/ 1 500 0.2 88кГц.

Ответ: Коэффициент передачи усилителя с отрицательной обратной связью равен 0,02, верхняя граничная частота усилителя равна 88 кГц.

Задачи для самостоятельного решения.

1. Определить входное напряжение Uвх для получения выходного напряжения Uвых = 25 В в схеме усилителя на рисунке, если коэффициент усиления усилителя без ОС К=200, а сопротивления резисторов в цепи обратной связи

R1=10 кОм, R2=0,5 кОм?

2.На вход усилителя одновременно с входным сигналом UBX=0,2 В поступает напряжение обратной связи в противофазе с входным Uoc=0,l В, а коэффициент усиления усилителя без обратной связи Кu=10, определить выходное напряжение и коэффициент усиления усилителя с ПОС на рисунке.

3.На входе усилителя, охваченного ООС с β=0,05, определить величину подаваемого сигнала, чтобы получить на выходе усилителя сигнал Uвых=2 В, если Кu=10?

4.Чему равно напряжение обратной связи Uос, если при подключении последовательной отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи β=0,2 на рисунке выходное напряжение усилителя стало равным 2 В?

5.Определить напряжение обратной связи Uoc, если при подключении цепи отрицательной последовательной обратной связи коэффициент усиления усилителя (Кu= 10) уменьшился в два раза, а выходное напряжение стало равным 3 В.

6.Определить входной ток Iвх, входное напряжение UBX и коэффициент усиления Косусилителя, работающего от генератора напряжения Ег=0,6 В с внутренним сопротивлением Rг=0,5 кОм. Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя без обратной связи Кu=100, Rвх=0,5 кОм. Выходное

напряжение Uвх = 10 В.

7. Для каскада усилителя, охваченного ООС, определить значения:

а) U, Uoc и Кос если Uвх=0,16В, Кu=30, UвыX= 1,2 В; б) UBX, Uocи Кос, если Кu=40, β=0,02, Uвых=5 В;

116

в) Uвых, U, U0с и Кос, если Uвх=5В, Кu=20, β=1.

Вывести расчетные формулы.

8. Чему равны UBbIX, U, Uос и Кос, если Кu=60, β=0,07, если на вход каскада усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, на рисунке, поступает сигнал UBX=1 В?

9. Абсолютное изменение коэффициента усиления усилителя с Кu=100 составляет ±10%. Определить, с каким коэффициентом передачи необходимо подключить цепь отрицательной обратной связи, чтобы изменения коэффициента усиления Кос не превышало 1%; рассчитать также значение Кос после подключения цепи отрицательной обратной связи.

Примечание: нужно воспользоваться формулой

Kос / Kос 1/ 1 Ku Ku / Ku.

10. Определить входное и выходное сопротивления трехкаскадного усилителя, охваченного цепью последовательной ООС по напряжению с коэффициентом передачи β =0,01. Коэффициент усиления каскадов Ku1 = 12, Кu2 =8, Кu3 =5. Входное и выходное сопротивления усилителя без обратной связи Rвх = 500

Ом,Rвых = 58 Ом.

Примечание: следует воспользоваться формулами

Практическая работа № 2.12 Решение задач

Задача 12.1. В усилительном каскаде с общей базой (рис. 2.12.1) заданы

следующие параметры: h21б; h12б; h22б; h11б; Rэ; Rк; Rн; Rг (табл. 2.12.1). Найти коэффициенты усиления по напряжению и по току (KU и КI), входное и выход-

ное сопротивления (Rвх и Rвых).

Рис. 2.12.1. Усилительный каскад с общей базой

117

Для расчета использовать формулы, приведенные ниже:

118

Задача 12.2. Рассчитать усилитель мощности на рис. 2.12.2, со следующими параметрами: Rг – выходное сопротивление источника сигнала, Рвых; Rн; fmin; fmax, Гц, значения которых приведены в табл. 2.12.2.

Рис. 2.12.2. Усилитель мощности

Таблица 2.12.2

Исходные данные к задаче 12.2

Для решения данной задачи воспользоваться формулами, приведенными ниже: Uн 2RнPвых , Iн Uн / Rн амплитуды напряжения и тока в нагрузке.

Полагая, что начальное напряжение равно 3В, расчитывается напряжение

питания Eпит Uн Uнач.

Для расчета соротивлений R1 и R2 выбираем кремниевый диод Д206, который устанавливается для начального смещения, и из его ВАХ следует, что для обеспечения на этом диоде напржения 0,6 В через него должен течь ток 5мА, стоит отметить, что R1, R2≥Rвх

119

напряжению, где β ≥40.

fг fmax - граничная частота;

Uвх Uн / KU - амплитуда входного напряжения;

Iвх Uвх / Rвх - амплитуда входного тока.

Задача 12.3. В схеме мультивибратора на рис. 2.12.3, известны значения R1, R2, R, C, E1=|–E2| = 15 B (табл. 2.12.3). Определить, чему равно время восстановления и период колебаний.

Рис. 2.12.3. Схема мультивибратора

Таблица 2.12.3

Исходные данные к задаче 12.3

120