Устройства на операционных усилителях. Учебно-методическое пособие

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ»

В.В. Беляев, А.А. Горбунов

УСТРОЙСТВА НА ОПЕРАЦИОННЫХ

УСИЛИТЕЛЯХ

Учебно-методическое пособие

Москва Российский университет дружбы народов

2017

Беляев, В. В.

Б44 Устройства на операционных усилителях : учебнометодическое пособие / В. В. Беляев, А. А. Горбунов. – Москва : РУДН, 2017. – 42 с. : ил.

Для студентов III курса, обучающихся по направлению «Управление в технических системах».

Лабораторная работа №1

«Масштабирующие преобразователи»

Рис. 1.1. Усилитель на ОУ МС1456 (а) и его АЧХ (б)

АЧХ

Для моделирования влияния дестабилизирующих факторов на выходное напряжение ОУ используется схема на рис. 1.2.. Моделирование целесообразно проводить в следующем порядке:

в режиме редактирования характеристик ОУ установите значения Ibs=Ios=0, а для Vos выберите значения 1, 3, 5, 10 мВ и с помощью мультиметра измерьте соответствующие им выходные напряжения и Uoos; полученные данные сравните с результатами расчетов по формуле (10.2);

установите Vos = 0, Ios = 1, 0,5, 0,1, 0,05 мкА и для этих значений измерьте Uois и сравните с данными расчетов по формуле (10.4);

3

установите Vos = 0, Ios = 1 мкА, для значений Ios = 0,1 и 0,05 мкА измерьте выходное напряжение ОУ и сравните с данными расчетов по формулам (10.3) и (10.4).

При использовании ОУ в разнообразных ИП размерность и обозначения коэффициента передачи зависят от значений и величин входного и выходного сигнала, В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала являются однородными, коэффициент передачи называют коэффициентом усиления.

Задание№1:Используя описанную выше методику определения рабочего диапазона частот ОУ, проведите с помощью схемы на рис. 1.1 сравнительный анализ ОУ следующих типов: LF157 (К140УД23), LM108 (К140УД14), LM358 (К140УД5) и МС1456 (К140УД6). Выберите ОУ с максимальной полосой пропускания.

4

Рис. 1.1.

Задание №2: Проведите моделирование влияния напряжения смещения нуля и паразитных входных токов ОУ на его выходное напряжение, используя схему на рис. 1.2.

Контрольныевопросыизадания

1.Что такое масштабирующий преобразователь, какие схемы используются для его реализации?

2.Назовите тип ОС, используемой в инвертирующем усилителе на ОУ и эмиттер-ном повторителе (параллельная, последовательная, по току, по напряжению).

3.Какое влияние оказывает нестабильность сопротивления резисторов Rl, R3 на стабильность коэффициента усиления?

коэффициента

передачи при изменении сопротивления резистора R1 на ±10% и при изменении Ко = А (см. диалоговое окно ОУ) на ±30%. Результаты расчета сравните с результатами моделирования.

5

5. Для усилителя на рис. 1.2., б коэффициент усиления K = Uo/Ui = R2/R1 = 1000. Следовательно, при входном напряжении 1 мВ выходное напряжение должно быть равно 1 В, а вольтметр показывает 500 мВ. Объясните причину такого явления. 6. Используя уточненную формулу для Кои из п. 6, рассчитайте зависимость Кои = ДА) при А= 103—107 и проверьте ее

6

Лабораторная работа №2

«Корректоры нелинейности и функциональные преобразователи»

В автоматических системах управления и измерительной технике используются корректирующие звенья различного назначения, в частности, нелинейные для корректировки характеристик ИП датчиков. В качестве примера рассмотрим устройство линеаризации характеристики датчика, используемого для измерения влажности зерна и реализующего наиболее надежный и простой способ измерения сопротивления на постоянном токе. Нелинейность такого датчика проявляется в области малых значений влажности, где зависимость сопротивления от содержания влаги носит логарифмический характер [19]. Это позволяет представить эквивалентную схему датчика в виде последовательно включенных резистора Rd и диода Dd (рис. 2.1). Корректирующее звено выполнено на операционном усилителе OU, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор Rk последовательно с диодом Dk. Для наблюдения эффекта линеаризации введен переключатель А, который нажатием клавиши А клавиатуры замыкает диод Dk

Рис. 2.1

7

Задание№1: Проведите моделирование схемы на рис. 2.1 при различных типах диодов Dd и Dk. При моделировании необходимо учесть, что диоды работают в прямо смещенном режиме и их вольт-амперная характеристика в таком включении описывается выражением: I = I0[exp(U/рт) - 1] или U = ln(I/I0 + 1), где I0 —

обратный (тепловой) ток; рт — температурный потенциал p-n перехода, при температуре 20°С он равен 26мВ. Каким параметром диода в приведенной формуле необходимо варьировать, чтобы при моделировании добиться положительных результатов?

Контрольные вопросы и задания

1. С какой целью осуществляется линеаризация характеристик датчиков?

8

2.Путем анализа данных на рис. 10.4, б, в определите, при каких параметрах выходного сигнала генератора получены эти данные, если учесть, что нелинейность датчика проявляется в наибольшей степени при низких уровнях сигнала.

3.Проведите моделирование схемы на рис. 10.4, а при сопротивлении датчика 100 Ом (с учетом рекомендаций п. 3).

4.Почему передаточные характеристики датчика изображены на экране осциллографа не в первом, а в четвертом квадранте?

5.Составьте формулы для определения крутизны каждого участка аппроксимации преобразователя на рис. 10.6, а Сопротивлением диодов Rd пренебрегите, крутизну начального участка примите равной So = R/R0.

6.Используя чисто графический метод, найдите суммарную вольтамперную характеристику цепочки из последовательно включенных резистора (с линейной ВАХ) и диода (с нелинейной ВАХ). Заметим (в качестве подсказки), что в этом случае через оба элемента протекает одинаковый ток и, следовательно, падения напряжения на них складываются.

9

Лабораторная работа №3

«Дифференциальные и мостовые усилители»

В качестве примера оценим помехозащищенность схемы на рис. 3.1., а при следующих значениях параметров: входной Uс = 10 мВ частотой 500 Гц; синфазная помеха (ее причиной может послужить так называемая продольная или помеха общего вида — см. разд. 13.7) Uп = U2 = U1 = 10 В частотой 50 Гц; примем типичное для ОУ значение Кос сф = 80 дБ = 10 000; при указанных на схеме значениях сопротивления резисторов коэффициент усиления напряжения Кu = 1. Для полезного сигнала получаем Uo = 10 мВ, для синфазной помехи — Uo = UпKu/Кос сф = 10*1/10000 = 1 мВ. Параметры напряжения помехи Uп можно варьировать в широких пределах, в том числе менять и фазу, что часто встречается на практике, когда не удается полностью симметрировать токопроводящие провода. В предположении, что такая асимметрия имеет место, для ее имитации в верхнем источнике напряжение помехи увеличено на 5 мВ. Полученные при этом результаты испытаний показаны на рис. 3.1., б, откуда видно, что асимметрия помехи проявляется как дифференциальный сигнал, складывающийся с полезным сигналом Uc.

10