Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микроэлектроника. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие
.pdf
3. Исследование сумматора аналоговых сигналов:
3.1. Собрать схему по рис. 1.4, суммирующую напряжение си-
нусоидальной формы U
f
= 10 кГц с весовым коэффициентом 10 и постоянное напряже-
1
ние U
Напряжение U
амплитудой Um2 = 1 В и весовым коэффициентом 2.
вх2
подать от генератора синусоидального напря-
вх1
жения. Постоянное напряжение U
амплитудой Um1 = 40 мВ, частотой
вх1
получить с помощью рези-
вх2
стивного делителя от первого выхода (3 В) лабораторного блока
питания. Ток делителя должен быть задан намного больше, чем
входной ток схемы усилителя (I
вх2 = Um2 /R2
3.2. Зарисовать сфазированные осциллограммы напряжений U
U
вх2
, U
исследуемого сумматора. Используя цифровой вольт-
вых
).
вх1
метр, определить коэффициенты усиления по каждому каналу.
4. Экспериментальным путём определить напряжение смещения
исследуемого операционного усилителя. Выходное напряжение усилителя будет равно U
в схеме, приведённой на рис. 1.5.
см
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
,
Основой функциональных преобразователей, исследуемых в данной работе, является операционный усилитель общего применения с
малыми входными токами и внутренней коррекцией типа КР140УД608
в прямоугольном пластмассовом корпусе DIP8.
Электрические параметры и назначение выводов микросхемы этого
операционного усилителя приведены в приложении А.
При расчёте
элементов принципиальной схемы функциональных
преобразователей, выполняемых на основе операционных усилителей,
необходимо соблюдать следующие рекомендации:
величина сопротивления нагрузки не должна быть меньше, чем
минимально допустимое сопротивление нагрузки, указанное в параметрах используемой микросхемы;
величина сопротивлений, подключаемых к входам операцион-
ного усилителя должна быть на порядок меньше, чем собственное входное сопротивление используемого операционного усилителя;
значение общей величины проводимостей, подключаемых к
каждому из входов операционного усилителя должны быть равны между собой.
При определении реальных коэффициентов усиления и снятии амплитудных характеристик исследуемых схем используйте цифровой
вольтметр. При снятии АЧХ усилителя используйте осциллограф!
11
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
R
A
A
Масштабирующим усилителем называют такой функциональный
преобразователь электрических сигналов, который выполняется на основе операционного усилителя и имеет постоянное значение коэффициента усиления по напряжению в достаточно широком диапазоне изменения амплитуды входного сигнала. Масштабирующие усилители, выполняемые на основе ОУ, бывают двух типов: неинвертирующие, в которых выходной
сигнал по фазе совпадает с входным и инвертирующие,
в которых выходной сигнал сдвинут по фазе по отношению к входному
на 180.
Высокий коэффициент усиления без обратной связи и высокое
входное сопротивление операционного усилителя позволяют подать
часть выходного сигнала обратно на инвертирующий вход через резистивный делитель напряжения. Такая резистивная цепь
обратной связи
позволяет задавать с высокой точностью только коэффициенты усиления, много меньшие коэффициента усиления операционного усилителя
без обратной связи.
Принципиальная схема неинвертирующего усилителя изображена
на рис. 1.1. Как видно из схемы, данный усилитель охвачен цепью отрицательной обратной связи, коэффициент передачи которой
R
Входной сигнал U
подается на неинвертирующий вход операци-
вх
1
.
(1.1)
R
12
онного усилителя.
Записав значение коэффициента усиления для усилителя, охвачен-
ного цепью обратной связи, получаем, что
UA
K
U
вых
UA
1
вх
,
(1.2)
где А – коэффициент усиления операционного усилителя без обратной
связи для дифференциального сигнала.
Поскольку коэффициент усиления А достаточно велик (у микросхемы КР140УД608 он составляет 30 000), то второе слагаемое в знаменателе будет значительно больше 1, поэтому единицей пренебрегаем и
получаем, что
1
RR R
K
U
12 2
RR
11
1
. (1.3)
12
Коэффициент передачи усилителя можно получить, также исполь-
R
R
I
R
R
R
зуя законы Кирхгофа. Действительно, согласно второму закону
Кирхгофа, запишем систему уравнений:
UU UU
вх 3 вх 1
UUU
вых 12
RR
.
;
R
. (1.4)
Считают, что если коэффициент усиления самого операционного
усилителя очень большой, а амплитуда выходного напряжения ограни-
чена величиной питающего напряжения, то разность потенциалов U
между входами пренебрежимо мала. Через резистор R
протекает вход-
3
ной ток ОУ, который также мал, а следовательно, можно пренебречь
падением напряжения на этом резисторе. Таким образом, из первого
уравнения получаем:
UU .
вх 1
Для токов в цепи отрицательной обратной связи, по первому закону Кирхгофа запишем:
II
1 вх ОУ 2RR
, а т. к. входной ток ОУ стремит-
ся к нулю, то
U
II
12
RR
вых
. (1.5)
R
12
С другой стороны,
UU
1 вх
I
R
R
1
11
. (1.6)
R
Приравняв правые части последних уравнений, получим:
UU
вых вх
12 1
RR
,
тогда
URR R
K
U
вых 12 2
UR R
вх 11
1
.
Из последнего выражения, как и из формулы (1.3) следует, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя, выполненного на
основе ОУ, определяется только соотношением резисторов
R
и R2 и не
1
зависит от коэффициента усиления самого операционного усилителя.
Заметим, что сопротивления
R
и R2 следует выбирать такими, чтобы
1
общий ток нагрузки с учётом этих сопротивлений не превышал максимального выходного тока ОУ.
Полное входное сопротивление всей схемы оказывается высоким,
т. к. единственным путем для входного тока является высокое входное
13
сопротивление операционного усилителя. Это является преимуществом
R
данной схемы.
Видно, что для получения коэффициента усиления, равного единице (неинвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления, рис. 1.3,
R
(т. е.
= ). В этом случае K
1
а), достаточно исключить из схемы сопротивление R
стремится к единице, т. к. второе слагае-
U
1
мое в формуле (3) стремится к нулю, а в усилителе имеет место 100%-я
отрицательная обратная связь. Эта схема из-за большого входного сопротивления может служить хорошим буферным усилителем.
Сопротивления
R
в схемах функциональных преобразователей вы-
3
полняют функцию выравнивания напряжения сдвига на выходе ОУ, вызванного влиянием входных токов. Равенство величин эквивалентных
сопротивлений по обоим входам ОУ является общим правилом при построении таких устройств. Так, например, для схемы неинвертирующего
усилителя условие равенства входных проводимостей записывается как
111
RR
312
. (1.7)
Используя это равенство, рассчитывают сопротивление
вестных сопротивлениях
R
и R2, которые определяют коэффициент
1
R
при из-
3
усиления усилителя.
Принципиальная схема инвертирующего масштабирующего усилителя приведена на рис. 1.2. Данный усилитель обладает очень важным
положительным качеством по сравнению с неинвертирующим, т. к.
имеет близкий к нулю синфазный входной сигнал при любых практически дифференциальных входных сигналах. Отсутствие синфазного
входного сигнала позволяет получить в этом усилителе
хорошие характеристики преобразования, и поэтому ему в основном отдают предпочтение при разработке различных электронных устройств.
В этом усилителе входной сигнал подают на инвертирующий вход
через сопротивление
сигнала обратной связи, а сопротивление
R
. Сопротивление R2 служит для обеспечения
1
R
введено в схему для ком-
3
пенсации напряжения сдвига на выходе ОУ, возникающего из-за наличия входных токов операционного усилителя.
Коэффициент усиления инвертирующего усилителя обычно находят из следующих соображений. Считают, что
U между входами пре-
небрежимо мало. И поскольку неинвертирующий вход находится под
потенциалом «земли», то считают, что и инвертирующий вход находится под этим же потенциалом (виртуально заземлен).
Учитывая последнее обстоятельство, находят величину входного
тока, протекающего через сопротивление
R
, по формуле I1 = Uвх / R1 и
1
14
величину тока обратной связи, протекающего через сопротивление R2:
I
= U
2
/ R2. Поскольку входной ток операционного усилителя стре-
вых
мится к нулю, то по первому закону Кирхгофа уравнение для токов запишется как
UU
II
12
вх вых
RR
12
0
. (1.8)
Откуда получаем выходное напряжение:
UR
U
вых
вх 2
R
1
, (1.9)
а коэффициент усиления инвертирующего усилителя, выполненного на
основе ОУ равен:
UR
K
U
вых 2
UR
вх 1
. (1.10)
Таким образом, в случае инвертирующей схемы масштабирующего
усилителя коэффициент усиления также определяется только соотношением сопротивлений резисторов
R
и R2.
1
Входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя практически равно
R
, в силу того, что благодаря обратной связи инвертирую-
1
щий вход ОУ сохраняет приблизительно нулевой потенциал. Сравнительно низкое входное сопротивление является недостатком инвертирующей схемы. Сопротивление
нагружать входной источник напряжения, и, естественно,
R
должно быть выбрано так, чтобы не
1
R
должно
2
быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.
С другой стороны, для увеличения входного сопротивления схемы
резистор
R
может быть выбран номиналом 1 МОм и выше (при этом
1
ОУ должен иметь малые входные токи). Сопротивление резистора обратной связи
на порядок выше, чем
R
в усилителе с коэффициентом усиления 10 должно быть
2
R
. Чтобы избежать трудностей, связанных с
1
обеспечением стабильности таких высокоомных сопротивлений, применяют специальные схемы усилителей с Т-образным трехполюсником
в цепи обратной связи [3].
Выходное сопротивление схемы не равно выходному сопротивлению самого ОУ, поскольку отрицательная обратная связь снижает выходное сопротивление схемы усилителя. Механизм действия таков.
Если предположить, что ток
обратной связи пренебрежимо мал, то вы-
ходное напряжение равно
U A. Если подключить нагрузку, то выход-
ной ток усилителя, протекающий по сопротивлению нагрузки, вызовет
15
падение на внутреннем выходном сопротивлении усилителя, что приве-
A
R
R
дёт к уменьшению напряжения на выходном выводе усилителя (с коэффициентом деления между
жения воздействует на вход ОУ через делитель
U увеличивается по модулю. Увеличение U приводит к увеличе-
что
R
и Rн). Это изменение выходного напря-
вых
R
и R1 таким образом,
2
нию напряжения на выходе усилителя до того значения, которое было
перед включением нагрузки. Поскольку выходное напряжение уменьшается на меньшее значение, чем было предсказано, то в этом случае
говорят, что отрицательная обратная связь уменьшает эффективное выходное сопротивление усилителя:
R
R
вых. ос
вых
1
. (1.11)
Как видно из выражения (1.10), для того чтобы построить инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления (рис. 1.3, б),
достаточно выбрать сопротивления резисторов равными: R
Принципиальная схема
инвертирующего сумматора аналоговых
= R2.
1
сигналов изображена на рис. 1.4. Действие этой схемы в точности соответствует её названию. Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму двух напряжений и меняет её знак на обратный. Как видно из этой схемы, к инвертирующему входу операционного усилителя
через соответствующие резисторы подают входные напряжения, которые следует сложить в
определенной пропорции.
Если входной ток усилителя пренебрежимо мал по сравнению с током обратной связи, то, согласно первому закону Кирхгофа, сумма токов I
и I2 равна току обратной связи Iос. Поскольку коэффициент усиле-
1
ния без обратной связи достаточно велик, так что U 0, получим:
UU U
вх1 вх2 вых
II I
12 ос
,,
12 4
RR
, (1.12)
откуда
UU U
вх1 вх2 вых
Решая последнее уравнение относительно U
UU U
вых вх1 вх2
12 4
RR
RR
44
RR
12
.
, получаем:
вых
. (1.13)
Для каждого из входных сигналов такая схема представляет инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления (передачи), определяемым соотношением сопротивления R
, находящегося в цепи обратной
4
16
связи, и сопротивления, через которое поступает соответствующий
RKR
RKR
R
входной сигнал, т. е. для U
вх1
4
U
1
,
1
а для U
вх2
4
U
2
. (1.14)
2
Эти частные коэффициенты усиления в схемах сумматоров называют весовыми коэффициентами. Следовательно, величина выходного
напряжения такого сумматора равна инвертируемой сумме входных
напряжений, взятых с соответствующими весовыми коэффициентами.
Сопротивление R
в исследуемой схеме выполняет ту же функцию,
3
что и в схеме инвертирующего усилителя (см. рис. 1.2). Оно определяется из условия:
1111
RRR
3124
. (1.15)
Описанная суммирующая схема может работать как при постоянных, так и при переменных входных напряжениях.
Примечание. Сопротивление в цепи обратной связи выбирается таким образом, чтобы ток обратной связи был много больше тока смещения операционного усилителя и в то же время не превышал значений,
которые усилитель мог бы обеспечить вместе с необходимым током
нагрузки. Для большинства операционных усилителей диапазон возможных значений сопротивления обратной связи достаточно широк.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА
Отчёт по лабораторной работе оформляется в виде отдельных разделов по каждому исследуемому функциональному преобразователю.
При этом каждый из разделов должен содержать следующие сведения:
принципиальную схему функционального преобразователя;
1)
расчёт элементов схемы;
2)
таблицы экспериментальных данных;
3)
зависимости, построенные на основе экспериментальных дан-
4)
ных;
рисунки осциллограмм напряжений в заданных точках схемы;
5)
выводы о реальных параметрах исследуемых функциональных
6)
преобразователей в сравнении с теоретически рассчитанными.
17
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Что включает понятие идеального усилителя? Почему операци-
онный усилитель называют операционным?
Что представляет собой операционный усилитель (структурная
2.
схема), какими основными параметрами он обладает, как изображается
на принципиальной схеме?
Почему при анализе линейных схем, построенных на базе опе-
3.
рационного усилителя, напряжение между входами ОУ можно считать
равным нулю?
Изобразите схему неинвертирующего усилителя на базе ОУ.
4.
Приведите сфазированные диаграммы входного и выходного напряжений. Получите аналитическое выражение для расчёта коэффициента
усиления.
Изобразите схему инвертирующего усилителя на базе ОУ. Приве-
5.
дите сфазированные диаграммы входного и выходного напряжений. Получите аналитическое выражение для расчёта коэффициента усиления.
Как выбираются резисторы цепи обратной связи неинвертиру-
6.
ющего усилителя? Чем ограничивается минимальное и максимальное
сопротивление резисторов?
Чему равно входное сопротивление неинвертирующего (инвер-
7.
тирующего) усилителя на базе ОУ?
Получите аналитическое выражение для расчёта выходного
8.
напряжения инвертирующего сумматора аналоговых сигналов на два
(три) входа.
Изобразите схему повторителя напряжения. Почему эта схема
9.
используется в качестве буферного усилителя?
Как рассчитываются весовые коэффициенты в сумматоре ана-
10.
логовых сигналов? Приведите сфазированные осциллограммы напряжений, поясняющие принцип действия инвертирующего сумматора.
Для чего ставится и как рассчитывается сопротивление рези-
11.
стора R
в схемах исследуемых функциональных преобразователей?
3
12.
Изобразите с пояснениями амплитудную характеристику уси-
лителя с коэффициентом усиления, равным 1 (равным 7).
Как определяется динамический диапазон усиления усилителя,
13.
в каких величинах он измеряется?
Постройте АЧХ усилителя на ОУ. Определите полосу пропус-
14.
кания. Объясните смысл понятия «частота единичного усиления».
Постройте нагрузочную характеристику усилителя на ОУ. Как
15.
по ней определить выходное сопротивление усилителя?
18
16. Предложите схему инвертирующего усилителя с регулируемым
коэффициентом усиления. Определите диапазон возможного изменения
выходного напряжения. То же – для неинвертирующего.
Изобразите и поясните схему, реализующую функцию:
17.
а) F = 2U
Дайте определение напряжения сдвига, нарисуйте схему для его
18.
; б) F = – 4U1; в) F = – 3U1 – 10U
1
; г) F = U
2
+5U
1
;
2
определения. Найдите теоретическое значение напряжения сдвига исследуемого ОУ (данные операционного усилителя приведены в прил. А).
Изобразите схему для определения токов смещения операцион-
19.
ного усилителя и поясните её принцип действия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных ИС ; пер. с англ. / Л. Фолкенберри. – Москва : Мир, 1985. – 572 с.
Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых
2.
электронных устройств / Г.И. Волович. – Москва : Додэка-XXI, 2005. –
528 с.
Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных
3.
устройствах / В.С. Гутников. – Ленинград : Энергия. Ленинградское отделение, 1980. – 248 с.
Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справоч-
4.
ное пособие / под ред. С.В. Якубовского – 2-е изд., перераб. и доп. –
Москва : Радио и связь, 1985. – 432 с.
ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ
Микросхема КР140УД608 – 1 шт.
Резистор 1,1 кОм – 1 шт.
Резистор 3 кОм – 1 шт.
Резистор 5,1 кОм – 1 шт.
Резистор 7,5 кОм – 1 шт.
Резистор 10 кОм – 2 шт.
Резистор 51 кОм – 1 шт.
Резистор 100 кОм – 1 шт.
19
Лабораторная работа № 2
ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ И АНТИЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛИ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение принципа работы и особенностей функционирования типовых схем логарифмических усилителей (ЛУ), выполненных на основе
операционного усилителя, а также получение практических навыков
проведения экспериментального исследования.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
Ознакомиться с теоретическими сведениями к данной работе и рекомендованной литературой.
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Собрать схему логарифмического усилителя (транзистор в ди-
одном включении) и убедиться в её работоспособности, подав на вход
положительную полуволну синусоидального напряжения через защитную цепь VD, R
теля U
= ±15 В. Источником сигнала U
п
дального напряжения. Установить амплитуду сигнала на выходе генератора 5 В, частота – 1 кГц.
(рис. 2.1). Напряжение питания операционного усили-
1
является генератор синусои-
ген
VT
+U
7
п
6
U
4
-U
п
вых
U
ген
ЗЦ
VD
R1
1к
U
вх
ЛУ
R2
51к
2
3
Рис. 2.1. Схема для проверки работоспособности
логарифмического усилителя (транзистор в диодном включении)
2. Зарисовать сфазированные осциллограммы напряжений на вы-
ходе генератора, на входе и выходе усилителя с характерными для ЛУ
нелинейными искажениями синусоидального напряжения.
Примечание. В схемах ЛУ (рис. 2.1, 2.3) возможно самовозбуждение, устранить которое помогут изменения в схеме, показанные на
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]