Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника. Лабораторный практикум. В 2 частях. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
9. Как снять внешние и регулировочные характеристики выпрямителя
с использованием измерительных приборов стенда?
10. Как определить масштабы по напряжению (току) и времени при
осциллографировании сигналов c помощью осциллографа?
6. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 «ИССЛЕДОВАНИЕ
ИНВЕРТИРУЮЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ И ИНТЕГРАТОРА»
Цель работы. Изучение схем включения и характеристик инвер-
тирующего усилителя и интегратора.
6.1. Краткие теоретические сведения
Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного
тока с большим коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и один выход. В настоящее время СУ применяют не только для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование
и др.), но и для других целей. Их используют в усилительной
технике, устройствах генерирования сигналов синусоидальной
и импульсной форм, в стабилизаторах напряжения, активных
фильтрах и т. д.
Условно-графическое обозначение ОУ представлено на рис.33.
Функциональная схема ОУ представлена на рис.34.
Дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного каскада усилителя, составляет основу ОУ. Выходным каскадом
Инвертиру-
ющий вход
Неинвертиру-
ющий вход
По старому ГОСТу
+U
п
Выход
–U
п
Рис. 33. Условное графическое обозначение
операционного усилителя
Инвертиру-
ющий вход
Неинвертиру-
ющий вход
По новому ГОСТу
Выход
61
+U
п
U
1
U
2
Входной
каскад
Рис. 34. Функциональная схема операционного усилителя
Каскады
промежуточного
усиления
–U
п
Оконченный
каскад
U
вых
ОУ обычно служит эмиттерный повторитель (ЭП), обеспечивающий требуемую нагрузочную способность усилителя. Поскольку
коэффициент усиления по напряжению ЭП близок к единице,
необходимое значение коэффициента усиления операционного
усилителя достигается с помощью дополнительных усилительных
каскадов, включаемых между дифференциальным каскадом и ЭП.
Операционные усилители оценивают по усилительным, входным, выходным, дрейфовым и частным параметрам. Важнейшей
характеристикой ОУ является амплитудная (передаточная) характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения от входного напряжения при постоянной частоте.
Характеристика, снятая при подаче, например, сигнала на неинвертирующий вход усилителя при нулевом сигнале на инвертирующем входе, имеет горизонтальный и наклонный участки (рис. 35).
Горизонтальные участки соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзистора выходного каскада
(эмиттерного повторителя). При изменении напряжения входного
сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остается
без изменения и определяется напряжениями U
+
вых max
и U
–
вых max
значения которых зависят от напряжения источников питания и
схемы выходного каскада. Наклонному (линейному) участку кривых
соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом
усиления ОУ.
,
62
Коэффициент усиления ОУ определяется из линейного участка
∆
амплитудной характеристики в соответствии с выражением
U
вых
=
A
.
∆
(39)
U
вх
Значение коэффициента усиления зависит от типа ОУ и может
составлять от нескольких сотен до сотен тысяч и более.
В операционном усилителе, как и в любом усилителе, необходи-
мо, чтобы при U
вх
= 0 U
= 0, т. е. дифференциальный каскад дол-
вых
жен быть сбалансирован. Однако в реальных ОУ условия баланса
обычно нарушаются. При U
больше или меньше нуля на ∆U
= 0 выходное напряжение может быть
вх
. Выходное напряжение будет
вых
равно нулю при некотором значении напряжения на входе, которое
называют входным напряжением смещения нуля – U
причиной появления U
является разброс параметров элементов
см
. Основной
см
дифференциального усилительного каскада (в частности, транзисторов). Зависимость параметров ОУ от температуры вызывает
температурный дрейф входного и выходного напряжений.
U
+U
п
U
+
вых max
вых
Линейный участок
U
сд
U
см
–
U
вых max
–U
U
вх
п
Рис. 35. Амплитудная характеристика
операционного усилителя
63
Входное сопротивление, входные токи смещения, дрейф и разность входных токов смещения, а также максимальное входное
напряжение характеризуют входные цепи операционного усилителя, которые зависят от схемы используемого дифференциального
входного каскада. Наличие перечисленных параметров приводит
к тому, что при использовании ОУ приходится вводить дополнительные элементы для балансировки входного каскада.
Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление
и максимальные выходные напряжение и ток. Операционный усилитель должен обладать малым выходным сопротивлением, чтобы
при малых сопротивлениях нагрузки иметь максимальное выходное
напряжение, которое приблизительно равно напряжению питания. Максимальный выходной ток ОУ определяется допустимым
током коллектора выходного каскада (эмиттерного повторителя).
При усилении гармонических колебаний проявляются частотные
свойства транзисторов и паразитные емкости ОУ, которые приводят
к снижению коэффициента усиления в области высоких частот. Эту
зависимость оценивают по амплитудно-частотной характеристике,
которая показывает зависимость коэффициента усиления ОУ от
частоты входного сигнала при номинальном входном напряжении
(рис.36). В диапазоне частот от нуля до f
коэффициент усиления
гр
имеет постоянное значение (близкое к постоянному). При частотах,
больших, чем f
, коэффициент усиления уменьшается. По амплитуд-
гр
но-частотной характеристике определяют полосу пропускания ОУ.
Рассмотрим некоторые схемы включения ОУ, режим работы
которого осуществляется в пределах линейного участка амплитудно-частотной характеристики. Реальные значения параметров ОУ
позволяют, в частности, без внесения заметных погрешностей при
расчете на ОУ принимать А → ∞, R
→ ∞, R
вх
вых
→ 0.
Широкое практическое использование ОУ в аналоговых схемах
основывается на применении различного рода внешних обратных
связей. Схема инвертирующего усилителя, приведенная на рис.37,
содержит параллельную отрицательную обратную связь по напряжению. Неинвертирующий вход соединяют с корпусом, входной
сигнал подают через резистор R
стор R
обеспечивает обратную связь.
ос
на инвертирующий вход. Рези-
1
64
R
а) б)
А, о. е. А, дБ
2
≈10,71
1
Полоса
пропускания
f
гр f1 fгр f1
2
10
104 106 10
8
10
83
–3дБ
80
Полоса
пропускания
10
f, Гц 102 104 106 10
Рис. 36. Амплитудно-частотная характеристика ОУ:
а – в относительных единицах (о. е.); б – в децибелах (дБ)
R
ос
R
1
U
вх
R
н
А [дБ] = 20lgA
8
10
10
U
вых
f, Гц
Рис. 37. Принципиальная электрическая схема
инвертирующего усилителя
Данный усилитель изменяет фазу (полярность) выходного сиг-
нала на 180°. Коэффициент усиления по напряжению К
U ОУ
усилителя определяется следующим образом:
R
= −1.
AK
U
ОУ
ос
(40)
такого
65
Входное сопротивление инвертирующего усилителя:
A
0,
U t U U t dt
R
= R1. (41)
вх
Выходное сопротивление инвертирующего усилителя:
R
ос
+
вых ОУ
1
R
1
,
(42)
R
=
R
вых
где R
– выходное сопротивление ОУ без обратной связи.
вых ОУ
Также широкое практическое применение получил интегратор.
Интегратор – устройство, сигнал которого в любой момент времени прямо пропорционален интегралу от входного сигнала. Таким
образом, данное устройство предназначено для интегрирования
аналоговых сигналов. Принципиальная электрическая схема интегратора на ОУ представлена на рис.38.
Напряжение на выходе интегратора определяется в соответствии
со следующим выражением:
t
где U
= −
( ) ( ) ( )
вых C вх
(0) – напряжение на конденсаторе в начальный момент
C
1
RC
∫
0
(43)
времени.
С
R
U
вх
Рис. 38. Принципиальная электрическая
66
R
схема интегратора на ОУ
U
н
вых
6.2. Описание лабораторного модуля
В лабораторной работе исследуется ОУ КР140УД608. Лицевая
панель лабораторного модуля «Операционный усилитель» представлена на рис.39.
На панели модуля представлена мнемосхема исследуемого
усилителя и установлены регулирующие и коммутирующие элементы. С помощью потенциометра RP1 на вход усилителя (гнезда
Х4, Х8, Х9, Х12) может быть подано регулируемое постоянное
напряжение как с положительной, так и с отрицательной полярностью или переменный сигнал
от функционального генератора,
подключаемого между гнездами
Х11–Х14. С помощью переключателей SA1…SA4 изменяются
параметры соответствующих
элементов схемы (табл.15).
В качестве источника переменного входного сигнала
используется модуль «Функциональный генератор». Измерение постоянных напряжений
осуществляется вольтметром
модуля мультиметров. Для осциллографирования сигналов
применяется двухканальный
осциллограф.
Рис. 39. Модуль
«Операционный усилитель»
Таблица 15
Параметры элементов
SA1 SA2 SA3 SA4
R
, кОм С2, нФ С1, нФ R5, кОм
4
1 2 3 4 5 1 2 1 2 1 2
20 50 100 150 200 6,8 10,0 1,5 10,0 200 400
67
Сопротивления на входах операционного усилителя равны
R
= R2 = R3 = 10 кОм; сопротивление нагрузки Rн = 10 кОм. На-
1
пряжение питания ОУ двухполярное U
= ±15 В.
п
6.3. Методические указания по выполнению лабораторной работы
6.3.1. Исследование инвертирующего усилителя
Принципиальная электрическая схема исследования инвертирующего усилителя представлена на рис.40. Необходимо собрать
цепь отрицательной обратной связи по напряжению, соединив
перемычками гнезда Х6–Х7. К инвертирующему входу усилителя
подключите источник постоянного регулируемого напряжения.
Неинвертирующий вход усилителя заземлите. Для измерения
напряжений на входе и выходе усилителя нужно подключить мультиметры в режиме измерения напряжения постоянного тока.
Обратите внимание на полярности мультиметров при их подключении на входе и выходе инвертирующего усилителя. Установите переключатель SA1 в соответствующее положение с учетом
заданного по варианту значения сопротивления R
. Включите
4
питание модуля.
R
4
68
R
1
RР1
–
U
вх
V1
R
3
Рис. 40. Принципиальная электрическая схема
исследования инвертирующего усилителя
V2
U
вых
R
н
Амплитудная характеристика операционного усилителя
Таблица 16
№ Uвх, В U
вых
, В
1
…
n
R
4
R
1
U
вх
G
V1
R
3
V2
U
вых
R
н
Рис. 41. Принципиальная электрическая схема
для снятия амплитудно-частотной характеристики
инвертирующего усилителя
Снимите амплитудную характеристику усилителя на постоянном токе U
обратной связи R
= f (Uвх) для заданного по варианту сопротивления
вых
, используя схему, представленную на рис. 40.
4
Для этого изменяйте постоянное напряжение на входе, регулируемое с помощью потенциометра RP1. Данные занесите в табл.16.
Попостроенной характеристике определите коэффициент передачи инвертирующего усилителя, сравните с расчетным значением
всоответствии с выражением (40).
Снимите амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) инвертирующего усилителя для заданного значения R
, используя прин-
4
ципиальную электрическую схему на рис.41. Для этого необходимо
69
Таблица 17
Амплитудно-частотная характеристика инвертирующего усилителя
№ f
1
…
n
, Гц Uвх, В U
сиг
, В K
вых
U ОУ
подключить «Функциональный генератор», отсоединив источник
постоянного регулируемого напряжения. Для измерения напряжений на входе и выходе усилителя подключите мультиметры в режиме
измерения напряжения переменного тока. Обратите внимание на
полярности мультиметров при их подключении на входе и выходе инвертирующего усилителя. Установите переключатель SA1 в
соответствующее положение с учетом заданного по варианту значения сопротивления R
. Установите на выходе функционального
4
генератора переменное синусоидальное напряжение (~) частотой
порядка 300 Гц. Амплитуду сигнала выберите так, чтобы ОУ работал на линейном участке амплитудной характеристики. Изменяя
чвстоту входного сигнала и
выходного сигнала и
Постройте АЧХ
вых
K
U ОУ =
, измерьте осциллографом амплитуду
вх
. Результаты измерений занесите в табл.17.
F(f
) и по ней определите полосу про-
сиг
пускания усилителя для коэффициента частотных искажений на
высоких частотах.
6.3.2. Исследование интегратора на операционном усилителе
Соберите интегратор согласно принципиальной электрической
схеме на рис.42, соединив перемычками гнезда Х1–Х5, Х2–Х7,
Х4–Х11, Х12–Х14. Подключите функциональный генератор. Установите переключатель SA2 в соответствующее положение с учетом
заданного по варианту значения емкости С2.
Исследование работы интегратора необходимо осуществлять
в режиме генератора пилообразного напряжения. Для этого на
функциональном генераторе установите прямоугольное знакопеременное напряжение с частотой f
и амплитудой U
= 13,5 В. Напряжение на входе uвх и выходе u
max
, заданной в таблице вариантов,
сиг
вых
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]