Методичка на лабораторные / Лаба4Решающие Усилки

Министерство Образования РФ

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

каф.САПР

Отчет

По лабораторной работе № 4

«Решающие усилители».

Работу выполнили

ст.гр.3371:

Ширяев И.

Работу проверил:

Соколов Ю.М.

Санкт Петербург, 2005

Решающие усилители.

Цель работы состоит в ознакомлении с принципами по­строения неинвертирующих, инвертирующих, дифференциаль­ных и интегрирующих решающих усилителей (РУ) и в экс­периментальном исследовании их основных технических ха­рактеристик. Решающие усилители реализуются на базе интегральных операционных усилителей (ОУ) типа К14ОУД8А(Б).

Методика эксперимента и расчетные соотношения

Как известно, РУ представляет собой комплексную схе­му из ОУ и внешних элементов, образующих цепь отрица­тельной обратной связи. На рис. 4.1,а представлена схема неинвертирующего РУ, где на резисторе R4 реализуется цепь регулировки выходного напряжения покоя усилителя. В диа­пазоне низких частот схемные функции неинвертирующего РУ определяются следующими приближенными соотноше­ниями:

(4.1)

Из соотношений (4.1) очевидно, что соответствующим выбором сопротивления Rз можно обеспечить высокое входное сопротивление неинвертирующего РУ (единицы и десятки мегаОм), а выбором большого отношения R2/R1)— высокий коэффициент передачи усилителя по напряжению (10^2—10^3).

На рис. 4.1,6 приведена схема инвертирующего РУ, для которого в диапазоне низких частот справедливы следующие приближенные выражения:

(4.2)

Из соотношений (4.2) следует, что при реализации инвертирующего РУ с высоким коэффициентом передачи Kuи(10^2—10^3) необходимо идти по пути разумного компромисса в выборе сопротивлений резисторов R5, R6. Действительно, чем больше сопротивление резистора R6, тем выше коэффициент передачи РУ, но при этом увеличиваются выходное напряжение покоя РУ и его температурный дрейф. Высокий коэффициент Kuи можно получить за счет уменьшения сопротивлении резистора R5, но это приводит к уменьшению входного сопротивления РУ Rвхи. Если на базе РУ, приведенных на рис.4.1, требуется реализовать инвертирующий усилитель с высоким входным сопротивлением (Rвхи>=1 МОм) и большим коэффициентом передачи (Kuи>=100), то целесообразно использовать последовательное соединение неинвертирующего РУ (см. рис. 4.1,а) и инвертирующего РУ (см. рис. 4.1,б).

В области верхних частот наблюдается уменьшение модуля коэффициента передачи инвертирующего и неинвертирующего РУ, что обусловлено инерционностью интегрального ОУ.

На рис. 4.1,в приведены частотная характеристика 1 коэффициента передачи ОУ (где fср — частота среза ОУ) и частотная характеристика 2 инвертирующего РУ (где fв — верхняя граничная частота полосы пропускания инвертирующего РУ). Между частотами fср и fв существует следующая взаимосвязь:

(4.3)

Частотная характеристика 1 неинвертирующего РУ аналогична характеристике 2 (см. рис. 4.1,в) Из рассмотрения характеристик 1 и 2 и соотношения (4.3) очевидно, что чем больше коэффициенты передачи Кuи, Кuни выражений (4.1), (4.2) имеет решающий усилитель, тем меньше у него частота fв. (Следовательно, если усилительное устройство с заданным коэффициентом передачи реализуется на двух или трех последовательно соединенных инвертирующих и неинвертирующих РУ, то для получения наибольшей верхней граничной частоты полосы пропускания fв целесообразно выбирать коэффициенты передачи Кuи, Kuни каждого из РУ примерно одинаковыми.

На рис. 4.2,а приведена схема дифференциального РУ, предназначенного для усиления разности двух входных сигналов Uвх1 и Uвх2. Дифференциальный усилитель включает в себя инвертирующий РУ: A1, R7, R8 и суммирующий инвертирующий РУ: A2, R1, R5, R6. Выходное напряжение Гвых усилителя (см. рис. 4.2,а) определяется следующим приближенным соотношением:

(4.4)

Из соотношения (4.4) следует, что при выполнении условия

R3*R4 = R8/R1 (4.5)

РУ усиливает только разностный сигнал:

(4.6)

В реальной схеме, имеющей разброс сопротивлении R1, R5, R7, R8, точное выполнение условия (4.5) осуществляется с помощью переменного резистора R8.

Дифференциальный РУ характеризуется следующими параметрами:

(4.7)

где Kuд — коэффициент передачи дифференциального сигнала; Kuсф — коэффициент передачи синфазного сигнала; Kuсф - синфазное напряжение — напряжение между объединенными входами 1, 2 и общей шиной; Коссф — коэффициент ослабления синфазных входных напряжений.

При реализации дифференциального РУ (см. рис. 4.2,а) с заданным коэффициентом передачи Kuд необходимо стремиться к достижению возможно большего значения параметра Kоссф, т.е. к минимизации коэффициента передачи синфазного сигнала Kuсф, что обеспечивается с помощью подстроечного резистора R8.

На рис. 4.2,6 приведена схема интегрирующего РУ в непрерывном режиме работы. Коэффициент передачи интегратора при условии идеальности операционного усилителя A1 соответствует апериодическому звену первого порядка:

(4.8)

где tau2 — постоянная времени интегрирования усилителя; Ku* — эквивалентный коэффициент усиления РУ.

В соответствии с выражением (4.8) на рис. 4.2,в приведена частотная характеристика итегратора (fi=1/2pi*tau_i; t=1, 2). В диапазоне частот: (5—10)f1<f<(0,1—0,2)fср (где fcp — частота среза операционного усилителя А1) усилитель близок к идеальному интегратору и имеет фазовый сдвиг около —270°.