13246

Дослідження операційного підсилювача із зворотними звязками

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Дослідження амплітудних і частотних властивостей операційного підсилювача. Вивчення впливу негативного зворотного звязку на характеристики операційного підсилювача Вимірювання напруги зміщення ОП.

Украинкский

2015-02-03

1.41 MB

20 чел.

Лабораторна робота №8

Тема: Дослідження операційного підсилювача із зворотними зв'язками

Мета: 1.  Дослідження амплітудних і частотних властивостей операційного підсилювача. 

2.  Вивчення впливу негативного зворотного зв'язку на характеристики операційного підсилювача Вимірювання напруги зміщення ОП.

Прилади й елементи

Вольтметр

Амперметр

Осцилограф

Функціональний генератор

Операційний підсилювач LM124

Резистори

Теоретичні відомості

1. Операційні підсилювачі

Підсилювачі постійного струму (ППС) є основою для конструювання операційних підсилювачів (ОП). Сучасні операційні підсилювачі є багатоцільовими елементами, виконаними у вигляді напівпровідникових інтегральних мікросхем. Вони широко застосовуються при конструюванні різних підсилювальних пристроїв, пристроїв збудження сигналів синусоїдної та імпульсної форм (генераторів сигналів), фільтрів і так далі.

Рис.8.1

Умовне позначення ОП показане на рис.8.1. Символ   означає посилення, а символ - великий вхідний опір. Один з входів підсилювача Uвх+ є неінвертуючим, інший Uвх-  - інвертуючим (аналогічно до диференціальних підсилювачів). Принципові електричні схеми ОП, як правило, містять декілька каскадів ППС. При цьому вхідний каскад завжди виконується за диференціальною схемою, а вихідний каскад за схемою емітерного повторювача.

Сучасні інтегральні ОП володіють високим значенням коефіцієнта підсилення (К=104107), вхідного опору (Rвх=104109 Ом), можуть працювати від двополярних джерел живлення і перетворювати електричні сигнали в широкому діапазоні частот (від 0 до 107 Гц).

Амплітудна і амплітудно-частотна характеристики такого підсилювача аналогічні до відповідних характеристик ППС.

2. Зворотні зв'язки в операційних підсилювачах

Конструювання різних електронних пристроїв на основі ОП виробляється з використанням зворотних зв'язків. Зворотним зв'язком називається передача частини енергії вихідного сигналу підсилювача на його вхід (рис.8.2).

Рис.8.2.

З вихідного ланцюга у вхідний енергія передається через електричний ланцюг зворотного зв'язку з коефіцієнтом передачі     .

К0 - коефіцієнт посилення підсилювача без зворотного зв'язку (у області середніх частот, де дією реактивних елементів ОП і зворотного зв'язку можна нехтувати).

Зворотний зв'язок називається позитивним, якщо передаваний нею з виходу на вхід сигнал            Uос = Uвих співпадає за фазою (складається) з вхідним сигналом Uвх = U1+Uвих (на рис.8.2 позитивний зворотний зв'язок позначений +).  Коефіцієнт підсилення підсилювача К+ з позитивним зворотним зв'язком визначається виразом       .

Зворотний зв'язок називається негативним якщо сигнал зворотного зв'язку Uос знаходиться в протифазі (віднімається) з вхідним сигналом Uвх = U1-Uвих (на рис.8.2 негативний зворотний зв'язок позначений -).

Коефіцієнт підсилення підсилювача К+  при негативному зворотному зв'язку буде .

Застосування негативного зворотного зв'язку (НЗЗ) в підсилювачах істотно покращує їх параметри:

- підвищує стабільність коефіцієнта підсилення;

- збільшує вхідний опір;

- зменшує вихідний опір;

- розширює смугу пропускання.

Тому НЗЗ широко застосовується в підсилювальних пристроях.

Позитивний зворотний зв'язок (ПЗЗ) впливає на параметри підсилювачів протилежним чином.

Підвищуючи нестабільність коефіцієнта підсилення, він приводить підсилювач до самозбудження, тобто переходу його в режим генератора.

Тому ПЗЗ використовується в генераторах гармонійних коливань та імпульсів.

3. Операційний підсилювач з НЗЗ

Операційний підсилювач з негативним зворотним зв'язком найчастіше застосовується на практиці (рис.8.3).

Рис.8.3

 

Негативний характер зворотного зв'язку обумовлений подачею напруги   на інвертуючий вхід ОП так, що  . Негативний зворотний зв'язок здійснюється через опори   і  . Оскільки вхідний опір ОП великий (приймаємо  ), то вхідний струм ОП  , і тоді:   , звідки

.

При великому коефіцієнті підсилення ОП () напруга на вході буде      ,   і тому: ,  звідки:     .

3.1. Масштабуючий підсилювач

При   і   вираз для коефіцієнта посилення прийме вигляд  ,

а підсилювач виконує роль масштабуючого інвертуючого підсилювача у якого Uвих= -UвхК- 

Схема підсилювача в цьому випадку представлена на рис. 8.4.

Рис.8.4.

3.2. Селективний підсилювач

Розглянуті вище схеми підсилювачів призначені для посилення вхідних сигналів в широкій смузі частот. На практиці (у системах зв'язку, радіотелепередачі, в багатьох системах автоматичного управління і контролю) необхідно підсилювати корисний сигнал однієї частоти, так щоб сигнали інших частот пригнічувалися (не посилювалися). Таку задачу вирішує селективний підсилювач, що є ОП охоплений частотно-залежним НЗЗ у вигляді подвійного Т-подібного моста (рис.8.5).

Рис.8.5.

Амплітудно-частотна характеристика подвійного Т-подібного моста =F(f) приведена на рис.8.6.

Рис.8.6.

На низьких частотах, коли частота прямує до нуля (f0), коефіцієнт передачі моста 1, оскільки опір Хс конденсаторів стає великим і вся напруга   через “верхній” одинарний Т-подібний міст (R, 2C, R) передається на вхід підсилювача у вигляді напруги зворотного зв'язку  .

На дуже високих частотах (f, 1) внаслідок того, що опори конденсаторів Хс стають невеликими, і вся вихідна напруга через “нижній” Т-подібний міст (С, R/2, С) передається на вхід ОП.

Коефіцієнт підсилення такого підсилювача відомий

     .

Аналіз цього виразу показує, що на низьких і високих частотах при 1:     ,  тобто підсилення практично не відбувається.

На резонансній частоті   коефіцієнт передачі моста 0,  і тоді:      , маємо максимальне посилення.

Амплітудно-частотна характеристика K-= селективного підсилювача приведена на  рис.8.7.

Рис.8.7.

Вона побудована з урахуванням виразу для K- і амплітудно-частотної характеристики Т-подібного моста. Потрібна величина K0 забезпечується правильним вибором номіналів резисторів R2 і R1 виходячи з того,  що  .

4. Операційний підсилювач з ПЗЗ

Генератори гармонійних сигналів призначені для перетворення енергії джерела живлення в енергію електричного сигналу синусоїдної форми необхідної частоти і потужності.

На практиці, часто, такий генератор є ОП охоплений глибоким позитивним зворотним зв'язком з коефіцієнтом передачі + (див. рис.8.8). Для отримання стійкого режиму автогенерації, поліпшення форми коливань і стабілізації амплітуди коливань, що генеруються, часто вводиться негативний зворотний зв'язок (- ).

Рис.8.8.

Для цієї схеми вхідна і вихідна напруги зв'язані співвідношеннями:

   ,  .

Перемножуючи одне на інше, одержуємо формулу , яка справедлива при  . Виконання останньої умови забезпечує в автогенераторі незгасаючі коливання. Величини    і    у рівнянні є комплексними величинами, тому можна записати , останнє виконується при:          - умова балансу фаз автогенератора,

                      - умова балансу амплітуд.

Умова балансу фаз означає, що в схемі існує позитивний зворотний зв'язок. Умова балансу амплітуд відповідає тому, що енергія, що втрачається в генераторі за одне коливання заповнюється енергією від джерела живлення. Виконання умов балансу фаз і амплітуд забезпечує виникнення сигналів генератора складної форми, що складаються з великого числа гармонійних складових.

Для виникнення сигналу генератора потрібної частоти забезпечують виконання умов балансу фаз і амплітуд, тільки для частоти  , шляхом включення частотно-залежних схем, наприклад, моста Віна.

Приклад виконання автогенератора гармонійних коливань з мостом Вина приведений на рис.8.9.

Негативний незалежний зворотний зв'язок створюється резисторами R2 і R1.

Рис.8.9.

Оскільки в ланцюзі позитивного зворотного зв'язку ввімкнено міст Віна, то умови самозбудження генератора виконуються тільки для однієї резонансної частоти   (на інших частотах К0 малий). Отже, виникаючі коливання матимуть гармонійну форму.

Хід роботи

1. Операційний підсилювач з від’ємним  зворотним зв'язком     (КЗЗ=25 і КЗЗ=50).

Схема проведення досліду зображена на рис.8.10.

Рис.8.10.

а)  Зніміть амплітудну характеристику підсилювача Um.вх = f(Um.вих), при f=1кГц і Uвх = 101000мВ. (Див.  методику зняття амплітудних характеристик).

б) Скопіюйте осцилограми вхідних і вихідних напруг на лінійній і нелінійній ділянках амплітудної характеристики підсилювача.

в) Зніміть амплітудно-частотну характеристику підсилювача КП = F(f) при uвх=100мВ і f=020кГц. (Див. методику зняття амплітудно-частотних характеристик).

г) Побудуйте амплітудну характеристику підсилювача.

д) Побудуйте амплітудно-частотну характеристику підсилювача.

  1.  Селективний підсилювач з негативним зворотним зв'язком, Кос=50 і подвійним Т-подібним мостом .

а) Зніміть амплітудно-частотну характеристику моста К0 = F(f) при uвх=1мВ і f=02кГц.

(Див. методику зняття амплітудно-частотних характеристик). Схема проведення досліду зображена на рис.8.11.

Рис.8.11.

 

б) Зніміть амплітудно-частотну характеристику підсилювача КП = f(f) при uвх=1мВ і f=02кГц.

(Див. методику зняття амплітудно-частотних характеристик). Схема проведення досліду зображена на рис.8.12.

Рис.8.12.

 

в) Побудуйте амплітудно-частотну характеристику моста.

г) Побудуйте амплітудно-частотну характеристику підсилювача.

3.  Автогенератор RC-типу, з негативним зворотним зв'язком КЗЗ=1,5, мостом Віна в ланцюзі позитивного зворотного зв'язку і автостабілізацією на стабілітронах.

Схема проведення досліду зображена на рис.8.13.  Скопіюйте осцилограму вихідної напруги.

    Рис.8.13.

Методики проведення дослідів

Методика зняття амплітудно-частотних характеристик.

При знятті амплітудно-частотних характеристик підсилювальних пристроїв необхідно змінювати частоту вхідного сигналу при незмінній його амплітуді. Для цього відкриваємо діалогове вікно функціонального генератора і задаємо вхідний сигнал синусоїдної форми.

Далі встановлюємо необхідну амплітуду сигналу на вході (наприклад, Amplitude 1 mV) і його частоту (наприклад, Frequency 5kHz). Натиснувши в правому верхньому кутку клавішу  , вимірюємо сигнали на вході і виході з допомогою відповідних вольтметрів.

Обчислюємо коефіцієнт посилення    і записуємо його в таблицю А. Повторюємо дані вимірювання для різних частот вхідного сигналу, заповнюючи таблицю.

                 

Таблиця А

f (Гц)

20     

  200

2103

10103

100103

1106

10106

20106

50106

КП

Методика зняття амплітудних характеристик.

При знятті амплітудних характеристик підсилювальних пристроїв необхідно змінювати амплітуду вхідного сигналу при незмінній частоті. Для цього відкриваємо діалогове вікно функціонального генератора і задаємо вхідний сигнал синусоїдної форми.

Далі встановлюємо необхідну частоту сигналу на вході (наприклад, Frequency 5kHz) і амплітуду сигналу (наприклад, Amplitude 1.5 mV). Натиснувши в правому верхньому кутку клавішу  , вимірюємо сигнали на вході і виході з допомогою відповідних вольтметрів і записуємо покази в таблицю.

Повторюємо дані вимірювання для різних амплітуд вхідного сигналу, заповнюючи таблицю В.

                 

Таблиця В

Um (мВ)

  1,5     

  7,1

   14,1

   28,3

   42,5  

   56,6   

Uвх (мВ)  

  

Uвих (мB)

 

Методика роботи з осцилографом.

Для отримання форми кривих напруги в будь-якій точці схеми в програмі EWB використовується осцилограф. Відкриваємо діалогове вікно осцилографа подвійним натисненням лівої кнопки миші. При цьому з'являється зменшене зображення панелі осцилографа. Осцилограф має чотири клеми: Ground (Земля), Trigger (Синхронізація), Channel А (Канал А), Channel B (Канал B).

Розгортка за часом (Time base) задається відповідними клавішами.

У даному конкретному випадку маємо: 5,00ms/div, тобто 5,00 мілісекунд на 1 поділку.

Вертикальна розгортка задається окремо по кожному каналу.

У даному конкретному випадку маємо: 20V/div, тобто 20 вольт на 1 поділку.

На екрані осцилографа зображені дві криві – вхідна і вихідна напруги однопівперіодного випрямляча, що відображають роботу досліджуваної схеми.

Для того, щоб здійснювати вимірювання за допомогою осцилографа необхідно натиснути кнопку Expand і тоді з'явиться збільшене зображення панелі осцилографа, яке має додаткові елементи для вимірювання.

На екрані осцилографа, при цьому, з’являються дві вертикальні риски, які можна пересувати за допомогою лівої кнопки миші, тим самим, встановлюючи місце вимірювання. У додаткових вікнах з'являються координати відмічених позицій.

У даному конкретному випадку на маємо:      Третє вікно дає різницю показів:

T1=12.4765s, VA1=27.2384v, VB1=25.4764v              T2-T1=35.1250ms, VA2-VA1=-12.8163v,

T2=12.5116s, VA2=14.4222v, VB2=13.1085v              VB2-VB1=-12.3679v

      Канал А,  Y position = -1.00                                              Канал В, Y position =   1.00.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58434. ПРОБЛЕМЫ ПРАВОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТНОШЕНИЙ УЧАСТИЯ В ДОГОВОРЕ ДОЛЕВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ 353.5 KB
  Появление и дальнейшее развитие договора участия в долевом строительстве в российском законодательстве имеют огромное значение для решения жилищной проблемы, поскольку надежное правовое регулирование отношений долевого строительства - гарантия успешного развития данных отношений
58435. Чудесная любовь Иисуса. Пасха 156 KB
  Побудить детей своими поступками не огорчать Иисуса но быть всегда послушными исполнительными дружелюбными. И спросил правитель Иисуса: Ты Царь Иудейский Иисус отвечал: Ты говоришь. В чем же он заключался Бог – Отец послал Сына Иисуса на землю сказать людям чтобы они перестали делать злые дела поверили в Бога и исполняли Его заповеди.
58436. Религия 47.5 KB
  Религия как форма мировоззрения; Структура и функции религии; Виды религий; Веротерпимость и свобода совести. Другие определения религии: одна из форм общественного сознания; совокупность духовных представлений основывающихся на вере в сверхъестественные силы и существа богов...
58437. ООН и международные организации в области народонаселении 360 KB
  Международная конференция по народонаселению и развитию (МКНР), состоявшаяся в Каире, Египет, в 1994 году, позволила Фонду ООН в области народонаселения (ЮНФПА)
58438. Религия древних греков 67 KB
  Прочитайте или расскажите миф о Геракле стр. Сам же Зевс по греческой мифологии стал править небом и владеть Олимпом горой обиталищем богов гора Олимп находится в Северной Греции; расположенным под землей царством мертвых стал править Аид а Посейдону досталась власть над морями. Задание: прочитайте в учебнике миф о Деметре и ее дочери Персефоне. Какое природное явление отражено в этом мифе стр.
58439. Добрый Пастырь 225 KB
  Пояснить им что как пастух любит и заботится о своих овцах так Иисус любит нас даже знает каждого из нас по имени. Словарная работа: Пастырь – пастух овец Ход урока: 1. Мотивация Необходимые материалы: картинка с изображением пастуха и овечки иллюстрации снаряжения пастуха. Вниманию детей предлагаем картинку с изображением пастуха.
58440. Все починається з мами 45.5 KB
  Мета. Удосконалювати навички виразного читання, збагачувати активний словниковий запас; виховувати любов і повагу до матері красою художнього слова.
58441. Повторення теми «Одяг» 32 KB
  Мета. Повторити ЛО теми. Навчати діалогічного мовлення за темою. Практикувати у відповіді на запитання Whose is this? Увести та активізувати присвійні займенники в абсолютному відмінку