Лабораторная работа 5.

Исследование частотных свойств схемы

на операционном усилителе

1. Теоретические сведения

1.1. Частотные свойства операционного усилителя

Интегральные операционные усилители обладают ненулевым выходным сопротивлением, величина которого составляет порядка 1 кОм. Вместе с паразитной емкостью выходных элементов усилителя это сопротивление образует RC-фильтр нижних частот.

Рис. 1. ФНЧ на выходе ОУ

Передаточная характеристика фильтра описывается выражением (1):

(1)

Коэффициент усиления операционного усилителя также становится зависим от частоты входного сигнала:

(2)

где K₀ – коэффициент усиления на нулевой частоте

Графики амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик коэффициента усиления, построенные в логарифмическом масштабе, представлены на рис. 2:

Рис. 2. ЛАЧХ и ЛФЧХ операционного усилителя

Пунктиром показана линейная аппроксимация графиков функций.

На приведенных графиках отмечены характерные точки:

– частота среза. С этого значения начинается наклонный участок графика ЛАЧХ с наклоном -20дБ/дек.

– частота единичного усиления. . Относительный коэффициент усиления равен единице. При подаче на усилитель сигналов с частотой, большей f_t , сигнал будет только ослабляться.

Из графика ЛФЧХ видно, что на частотах больших , задержка сигнала при прохождении через ОУ приводит к фазовой задержке . В случае последовательного включения 3х и более ОУ возможна ситуация, когда суммарная фазовая задержка превысит величину . В этом случае изначально отрицательная обратная связь станет положительной, что приведет усилитель к состоянию генерации или насыщения.

Введение отрицательной обратной связи приводит к ограничению коэффициента усиления. При этом частота единичного усиления и наклон графика ЛАЧХ остаются неизменными. Следовательно, частота среза усилителя увеличивается:

Рис.3. Частотные характеристики усилителя с ООС

Как видно из рис.3, введение отрицательной обратной связи сдвигает значение частоты, на которой усилитель привносит в сигнал существенную фазовую задержку.

1.2. Емкостная нагрузка

Часто к выходу операционного усилителя необходимо подключить нагрузку, имеющую преимущественно емкостной характер, например, коаксиальная линия связи. Емкостная нагрузка оказывает существенное влияние на динамические характеристики усилительной схемы.

Рис.4. Усилитель с емкостной нагрузкой

Подключение к схеме усилителя на базе ОУ емкостной нагрузки усложняет вид передаточной характеристики. У функции K(f) может образоваться полюс – для некоторого значения частоты получится . Вид АЧХ усилителя с подключенной емкостной нагрузкой представлен на рис.5.

Рис. 5. ЛАЧХ усилителя с емкостной нагрузкой

Попадание входного сигнала в окрестность полюса может привести к возбуждению усилителя – в выходном сигнале появятся посторонние затухающие, или хуже не затухающие колебания.

1.2.1. Влияние емкостной нагрузки на динамические свойства усилителя

Емкостная нагрузка приводит к увеличению приводит к образованию второго ФНЧ на выходе усилителя. В результате в АЧХ появляется участок с наклоном -40 дБ/дек. Если ФНЧ, образованного емкостью нагрузки оказывается ниже самого усилителя, полоса пропускания снижается до величины . Следовательно, фазовая характеристика также переместится в область более низких частот. Максимальная величина фазовой задержки возрастет на

1.2.2. Методы компенсации влияния емкостной нагрузки

• Резистор, включенный последовательно с нагрузкой

• Конденсатор в цепи обратной связи

• Демпфирующая RC цепочка

1.3. Сведения о применяемых измерительных приборах

1.3.1. Боде плоттер

Позволяет строить графики АЧХ и ФЧХ в линейном и логарифмическом масштабах. Плоттер генерирует входной сигнал в заданном диапазоне частот и регистрирует значения (амплитуду и фазовую задержку) выходного сигнала. На основании измеренных параметров выходного сигнала могут быть построены графики динамических характеристик исследуемой системы.

Рис. 6. Панель управления Боде плоттера

На панели Mode выбирается режим построения АЧХ (Magnitude) или ФЧХ (Phase).

На панелях Horizontal и Vertical необходимо задать диапазоны построения характеристик соответственно по частоте и коэффициенту усиления (или фазовой задержке для режима Phase).

Рис. 7. Схема включения Боде плоттера

Плоттер имеет входы IN(+/-), OUT(+/-) которые нужно подключить к входу и выходу исследуемого четырехполюсника. В среде Multisim к входу четырехполюсника также необходимо подключить генератор сигнала (с любыми параметрами).

1.3.2. Анализатор спектра

Позволяет оценить спектральный состав сигнала – обнаружить наличие в составе сигнала гармонических колебаний той или иной частоты и измерить их мощность.

Рис. 8. Панель управления анализатора спектра

2. Практическая часть

2.1. Экспериментальное определение частотных свойств ОУ

1) При помощи Боде плоттера постройте ЛАЧХ и ЛФЧХ схемы неинвертирующего усилителя на базе AD8605 с К₀ = 10, 1000, 100000. Определите его f_cр. f_T.

K0	R1	ROC	fср	fT
10
1000
1000000

2) Результаты занесите в таблицу 1.

2.2. Изучение влияния емкостной нагрузки

1) Соберите схему повторителя на ОУ AD8605. В качестве нагрузки подключите к схеме конденсатор емкостью 1 нФ.

С помощью Боде плоттера определите полюс передаточной характеристики

2) При помощи анализатора спектра исследуйте спектр синусоидального и прямоугольного сигналов частотой 100 кГц в диапазоне 0 – 2 МГц.

3) Подайте на вход повторителя меандр с частотой 100 кГц. При помощи осциллографа оцените сигнал на выходе операционного усилителя.

2.3. Компенсация влияния емкостной нагрузки

1) Включите в цепь нагрузки резистор величиной 100 Ом. Снимите динамические характеристики полученной схемы при помощи Боде плоттера, исследуйте форму выходного сигнала с помощью осциллографа

2) Подключите параллельно нагрузке C_L демпфирующую RC цепочку R = 70 Ом, С = 1нФ. Проанализируйте работу схемы аналогично п.1.

3) Сделайте вывод об эффективности рассмотренных методов компенсации.