Методичка по лабораторным 4_8_9 / LAB1_4

Работа 4. 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 К140УД8А(Б).

4.1. Методика эксперимента и расчетные соотношения

Рис. 4. 1

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 R₃ можно обеспечить высокое входное сопротивление неинвертирующего РУ (единицы и десятки мегаом), а выбором большого отношения R₂/R₁—высокий коэффициент передачи усилителя по напряжению (10² — 10³).

На рис. 4.1, б 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 К_{U И}(10² — 10³) 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 [4]. Высокий коэффициент К_{U И} можно получить за счет уменьшения сопротивления резистора R5, но это приводит к' уменьшению входного сопротивления РУ R_{вх и}. Если на базе РУ, приведенных на рис. 4.1, требуется реализовать инвертирующий усилитель с высоким входным сопротивлением (R_{вх и}  1 МОм) и большим коэффициентом передачи (К_{U И}  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 |К_{U И} (jf)|, |К_{U НИ} (jf)| инвертирующего и неинвертирующего РУ, что обусловлено инерционностью интегрального ОУ.

На рис. 4.1, в приведены частотная характеристика 1 коэффициента передачи ОУ |К_U (jf)| = U_вых/U₁ (где f_ср — частота среза ОУ) и частотная характеристика 2 инвертирующего РУ |К_{U И} (jf)| (где f_в — верхняя граничная частота полосы пропускания инвертирующего РУ). Между частотами f_ср и f_в существует следующая взаимосвязь:

(4.3)

Частотная характеристика 1 неинвертирующего РУ |К_{U НИ} (jf)| аналогична характеристике 2 (см. рис. 4.1, в). Из рассмотрения характеристик 1 и 2 и соотношения (4.3) очевидно, что чем больше коэффициенты передачи K_UИ, K_{U НИ} выражений (4.1), (4.2) имеет решающий усилитель, тем меньше у него частота f_в. 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 f_В целесообразно выбирать коэффициенты передачи K_UИ, K_{U НИ} каждого из РУ примерно одинаковыми.

На рис. 4.2,а приведена схема дифференциального РУ, предназначенного для усиления разности двух входных сигналов U_{вх 1} и U_{вх 2}. Дифференциальный усилитель включает в себя инвертирующий РУ: А1, R7, R8 и суммирующий инвертирующий РУ: А2, R1, R5, R6. Выходное напряжение U_вых усилителя (см. рис. 4.2, а) определяется следующим приближенным соотношением:

(4.4)

Из соотношения (4.4) следует, что при выполнении условия

R₅/R₁ = R₈/R₁, (4,5)

РУ усиливает только разностный сигнал:

(4.6)

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

Дифференциальный РУ характеризуется следующими параметрами:

(4.7)

где К_{U Д} — коэффициент передачи дифференциального сигнала; К_{U СФ} —коэффициент передачи синфазного сигнала; U_{вх сф} — синфазное напряжение — напряжение между объединенными входами 1, 2 и общей шиной; К_{ОС СФ} —коэффициент ослабления синфазных входных напряжений.

При реализации дифференциального РУ (см. рис. 4.2, а) с заданным коэффициентом передачи К_{U Д} необходимо стремиться к достижению возможно большего значения параметра К_{ос сф}, т. е. к минимизации коэффициента передачи синфазного сигнала К_{U СФ}, что обеспечивается с помощью подстроечного резистора R8.

Рис. 4. 2

На рис. 4.2, б приведена схема интегрирующего РУ в непрерывном режиме работы. Коэффициент передачи интегратора при условии идеальности операционного усилителя А1 соответствует апериодическому звену первого порядка:

(4.8)

где ₂ — постоянная времени интегрирования усилителя; К_U*—эквивалентный коэффициент усиления РУ.

В соответствии с выражением (4.8) на рис. 4.2, в приведена частотная характеристика интегратора (f_i = 1/2_i; t = 1, 2). В диапазоне частот: (5 — 10) f₁ <f< (0,1— 0,2)f_СР (где f_ср — частота среза операционного усилителя А1) усилитель близок к идеальному интегратору и имеет фазовый сдвиг около — 270°.

4.2. Содержание работы

При выполнении работы необходимо:

1. Рассчитать параметры РУ по соотношениям (4.1), (4.2), (4.8).

2. Экспериментально исследовать инвертирующий, неинвертирующий, дифференциальный и интегрирующий РУ.

4.3. Порядок выполнения работы

Схема лабораторного макета приведена на рис. 4.3, где А1, А2 —интегральные операционные усилители типа К140УД8А(Б); R4 — цепь регулировки выходного напряжения покоя усилителя А1 U_{вых 0}; ИПН —источник постоянного напряжения.

1. На этапе подготовки, используя последовательное соединение неинвертирующего РУ (см. рис. 4.1, а) и инвертирующего РУ (см. рис. 4.1, б) построить инвертирующий усилитель с параметрами: K_Uy=U_ВЫХ/U_ВХ=K_UИПK_UИ – 100; R_{ВХ у} =10 МОм. Подготовить две схемные реализации такого усилителя: 1) К_{U НИ} = 1, |К_{U И}| = 100, R₅ = 10 кОм; 2) К_{U НИ} = 10, |К_{U И}| = 10, R₁=R₅ = 10 кОм. Расчеты сопротивлений резисторов R2, R3, R6 проводить по формулам (4.1), (4.2).

Рис. 4. 3

2. Собрать первую схемную реализацию усилителя (п. 1). Регулировкой R4 установить выходное напряжение покоя U_{вых 0}, близкое к нулю. Подать на вход усилителя сигнал с выхода источника постоянного напряжения ИПН. Снять характеристику передачи усилителя U_вых = f(U_вх), изменяя напряжение U_вх от –180 мВ до +180 мВ через 60 мВ. Из полученной характеристики определить максимальные значения выходного напряжения усилителя +U_{вых. макс}, –U_{вых. макс}. Подключить вход усилителя через конденсатор С1 к генератору синусоидального сигнала. Снять частотную характеристику усилителя |K_{U y}(jf)| = U_вых/U_вх; при этом измерения проводить на частотах 0,1; 1; 10; 30; 100; 200 кГц; определить частоту f_в.

3. Собрать вторую схемную реализацию усилителя (п. 1). Минимизировать напряжение U_{вых 0} с помощью регулировки R4. Снять частотную характеристику усилителя |K_{U y}(jf)| (п. 2).

4. Построить логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ), снятые при выполнении пп. 2, 3. Определить, при какой схемной реализации инвертирующий усилитель имеет более широкую полосу пропускания, т. е. большую верхнюю граничную частоту f_B.

5. Собрать схему дифференциального РУ, приведенного на рис. 4.2,а (R₁ = R₇ = R₈ = R₅ =10 к0м, R₆ = 100 кОм). Соединить входы 1 и 2 с общей шиной. Регулировкой R4 минимизировать напряжение покоя U_{вых 0} на выходе РУ. Подключить объединенные входы 1 и 2 через конденсатор С1 к генератору синусоидальных сигналов, т. е. подать синфазные сигналы на входы дифференциального РУ (f = 100 Гц). С помощью потенциометра R8 добиться минимального синусоидального сигнала на выходе усилителя; измерить коэффициент передачи синфазного сигнала K_{U СФ}=U_вых/U_{вх сф}. Подключить выходы 1 и 2 делителя напряжения R11, R12 соответственно ко входам 1 и 2 дифференциального РУ (см. рис. 4.2, б); выход 2 делителя через конденсатор С1 соединить с генератором синусоидальных сигналов. Снять частотную характеристику коэффициента передачи дифференциального сигнала K_UД=U_ВЫХ/0,5U_{ВХ 2}, причем измерения проводить на частотах 0,1; 1; 10; 30; 100; 200 кГц. На частоте 100 Гц определить коэффициент ослабления синфазных входных напряжений К_{ос сф} по формуле (4.7).

6. На этапе подготовки по соотношениям (4.8) рассчитать параметры интегрирующего РУ (см. рис. 4.2, б) исходя из заданной частотной характеристики интегратора (см. рис. 4.2, в): f₁ = 100 Гц, f₂ = 30 кГц, |K_U*| = f₂/f₁,= 300, С₂ =0,01 мкФ.

7. Собрать схему интегрирующего РУ (см. рис. 4.2, б) в соответствии с расчетными данными п. 6. Регулировкой R4 минимизировать напряжение U_{вых 0}. Снять частотную характеристику интегратора |K_{U ИНТ}(jf)|, построить ЛАЧХ; убедиться, что экспериментальная характеристика совпадает с заданной ЛАЧХ.

4.4. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

— на этапе подготовки: схемы измерений, результаты расчетов по формулам (4.1), (4.2), (4.8) и формуляры таблиц для снятия частотных характеристик РУ;

— после выполнения работы: результаты измерения основных параметров РУ; ЛАЧХ коэффициентов передачи РУ; выводы по работе.

4.5. Контрольные вопросы

1. Какой РУ, инвертирующий или неинвертирующий, лучше использовать при построении усилителя с высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом передачи?

2. Как необходимо выбрать коэффициенты передачи двух последовательно соединенных инвертирующих РУ, чтобы получить возможно большую верхнюю граничную частоту полосы пропускания f_в?

3. В чём состоит назначение дифференциального РУ?

4. Как минимизировать коэффициент передачи синфазных сигналов в дифференциальном РУ (см. рис. 4.2, а)?

5. В каком диапазоне частот РУ (см. рис. 4.2, б) близок к идеальному интегратору?