23040

Операційні підсилювачі (негативний зворотний зв`язок)

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Вступ Операційний підсилювач – це диференційний підсилювач постійного струму який в ідеалі має нескінченний коефіцієнт підсилення за напругою і нульову вихідну напругу за відсутністю сигналу на вході великий вхідний опір і малий вихідний а також необмежену смугу частот сигналів що підсилюються. Мета роботи ознайомитись із властивостями операційних підсилювачів опанувати способи підсилення електричних сигналів в ОП охопленому негативним зворотним зв`язком та способи виконання математичних операцій за допомогою ОП. Операційні...

Украинкский

2013-08-04

68.5 KB

13 чел.

Лабораторна робота № 5

Операційні підсилювачі (негативний зворотний зв`язок)

В лабораторній роботі досліджуються способи підсилення електричних сигналів та моделювання математичних операцій (наприклад, інтегрування сигналу) за допомогою універсального підсилювача електричних  сигналів  на основі інтегральної мікросхеми (операційного підсилювача).

Вступ

Операційний підсилювач – це диференційний підсилювач постійного струму, який в ідеалі має нескінченний коефіцієнт підсилення за напругою і нульову вихідну напругу за відсутністю сигналу на вході, великий вхідний опір і малий вихідний, а також необмежену смугу частот сигналів, що підсилюються. Раніш такі високоякісні підсилювачі використовувалися виключно в аналогових обчислювальних пристроях для виконання  математичних операцій, наприклад, складання та інтегрування. Звідси і виникла їх назва - операційні підсилювачі (ОП).

Створення зворотного зв`язку полягає в тому, що частина вихідного сигналу повертається через ланку зворотного зв`язку (ЗЗ) на вхід. Якщо сигнал зворотного зв`язку подається на вхід в протифазі до вхідного сигналу (  1800), то зворотний зв`язок називають НЕГАТИВНИМ (НЗЗ). Якщо ж він подається  на вхід у фазі до вхідного сигналу, (  00), то такий зворотний зв`язок називають ПОЗИТИВНИМ (ПЗЗ).

Мета роботи -  ознайомитись із властивостями операційних підсилювачів, опанувати способи підсилення електричних сигналів в ОП, охопленому негативним зворотним зв`язком та способи виконання  математичних операцій за допомогою ОП.

В роботі  використовується метод співставлення , тобто одночасного спостереження вхідного та вихідного сигналів на екрані двоканального осцилографа із наступним вимірюванням і порівнянням їх  параметрів.

Теоретичні відомості

 Прототипом ОП може слугувати класичний диференційний  підсилювач з двома входами і несиметричним виходом (Рис.1).  Внутрішня схема сучасних ОП набагато складніша і складається часто з кількох десятків транзисторів. Важливим при цьому є те, що користувачу конкретного пристрою про внутрішню схему ОП не треба знати майже нічого. Символи “+” і “-“ біля входів підсилювача вказують на відносну фазу вихідного сигналу. Фаза вихідного сигналу співпадає з фазою сигналу на вході (+)  і протилежна до фази сигналу на вході (-).  На Рис.1 показано проходження прямокутних імпульсів через два входи диференційного  підсилювача. Вхід (+) називають “неінвертувальним”, а вхід (-)  - “інвертувальним” (або позначеного в другому варіанті схематичного зображення ОП кружком). На Рис.2 показано два види схематичного зображення ОП.  Крім цих виводів, вказують також ті, до яких підключають напругу живлення.  Номери біля виводів вказують відповідні ніжки реальної мікросхеми. Найчастіше зустрічаються два варіанти виконання інтегральних ОП: металевий корпус (Рис. 4а) і пластмасовий (Рис. 4б).

Операційні підсилювачі мають колосальний коефіцієнт підсилення за напругою і ніколи  не використовуються без зворотного зв’язку. Можна сказати, що ОП створені для роботи із зворотними зв’язками.

Найважливіше правило, яке визначає поведінку операційного підсилювача, охопленого негативним зворотним зв’язком:

  •  напруга на виході операційного підсилювача прямує до такого значення (абсолютна величина та полярність напруги), при якому різниця напруг між його входами стає рівною нулю. Можна сказати, що операційний підсилювач “оцінює” стан входів і за допомогою зовнішньої схеми зворотного зв’язку передає  напругу з виходу на вхід, так що в результаті різниця напруг між входами прямує до нуля.

© О.Слободянюк, Ю.Мягченко, В.Кравченко      

Потрібно зауважити, що поняття НЗЗ і ПЗЗ  - “ідеальні”. Насправді різниця  фаз між вхідною напругою і напругою зворотного зв`язку точно дорівнює 1800, або ж 00  тільки  

на певній частоті, оскільки  залежить від частоти . Тому, якщо не вжити спеціальних заходів, підсилювач втрачає стійкість і починає поводитися як генератор (або, як ще кажуть “збуджується”). При цьому напруга на виході періодично змінюється незалежно від вигляду вхідної напруги.  Операційний підсилювач, який призначений для універсального користування, з міркувань стійкості повинен мати таку ж частотну характеристику, як і одноланковий фільтр нижніх частот. На рис.3 наведено типові частотні залежності коефіцієнта підсилення К та зсуву фази  між вхідною та вихідною напругою такого “корегованого за частотою” ОП. АЧХ  корегованого ОП (тобто залежність модуля К(f) ) та ФЧХ  (залежність (f) )  описуються формулами

              К(f)  =                 (f) = arctg                                       (1)

                             

де К – коефіцієнт підсилення ОП на низьких частотах  (коли f fзр, при цьому   = 0). На частоті зрізу (f = fзр)  маємо Кзр=  і  = . На високих частотах (ffзр) коефіцієнт підсилення спадає із збільшенням частоти, К(f) =  , а   прямує до .

Критерій стійкості ОП - зсув фази   при розімкнутій ланці   зворотного зв`язку (ЗЗ) не повинен перевищувати 1800 на частоті, на якій коефіцієнт передачі ланки ЗЗ дорівнює 1 (це частота f1 на рис.3). Корисно також пам’ятати, що для частот вище частоти зрізу виконується співвідношення:

                                 K0 fзр  = f1                                             (2)

Із цього співвідношення випливає, що частота f1 дорівнює добутку коефіцієнта підсилення на ширину смуги. Тобто, чим більший коефіцієнт підсилення – тим вужча полоса підсилення ОП і навпаки.

Важливі амплітудні характеристики реальних ОП  – діапазон вихідних напруг та швидкість наростання вихідної напруги. Діапазон вихідних напруг  ОП  залежить від напруги живлення Uж , яке для сучасних  поширених типів ОП двополярне і складає величину від  3 В до 15 В. Звичайно Uвих змінюється в межах від U+ж-2 В до U-ж-2 В. Якщо  Uж = 15 В, то  -13 ВUвих+13 В. Приклад реакції реального ОП на зростаючий синусоїдальний сигнал наведено на рис.5. Зверніть увагу на обмеження амплітуди вихідного сигналу. Гранична вихідна напруга ОП називається напругою насичення (U+нас, U-нас). Частотна характеристика ОП визначає його інерційні властивості лише тоді, коли ОП працює в лінійному режимі. Але коли на вхід ОП подається напруга,  яка перевищує величину, необхідну для його насичення, то ОП переходить в насичений стан не миттєво, а з певною, властивою кожному конкретному типу ОП граничною швидкістю V (дивись рис.6). Для широко поширених ОП швидкість наростання вихідної напруги V=1 В/мкс,  для швидкодіючих ОП  - V=10103 В/мкс. Швидкості переходу в позитивний V+ чи в негативний V- насичений стан можуть відрізнятися. Скінчена величина  V накладає обмеження на здатність ОП підсилювати гармонічній сигнал навіть в лінійному режимі. Для гармонічного сигналу частотою f і амплітудою U0 на виході ОП маємо Vmax = 2fU0. Тобто,  ОП здатен забезпечити   підсилення тільки для таких вхідних синусоїдальних сигналів, швидкість наростання яких Vmax не перевищує V для даного типу ОП. Наприклад, для ОП з V=1 В/мкс і який працює в лінійному режимі, величина вихідної напруги на частоті  f =100 кГц не

 © О.Слободянюк, Ю.Мягченко, В.Кравченко

може перевищити U0 = V/(2f) = 1106/(23,14105) = 1,6 В. На частоті  f =350 кГц максимально можлива вихідна напруга буде лише U0 = 0,45 В.

Розглянемо дію негативного зворотного зв`язку (НЗЗ) на прикладі так званого неінвертувального підсилювача, найпростіший варіант якого наведений на Рис.7. Напругу Uс джерела сигналу подають на неінвертуючий вхід ОП. Частина вихідної напруги, яку

знімають з подільника R1 , R2 , подають на вхід ОП, причому на його інвертуючий вхід, здійснивши таким чином, негативний зворотний зв`язок. Коефіцієнт передачі ланки зворотного зв`язку  B = R2 / (R1 + R2) < 1. Внутрішня схема ОП замінена вхідним опором Rвх , вихідним опором Rвих  і генератором K0 Uвх

Для спрощення покладемо Rвх  , Rвих  = 0. Згідно із схемою,

 U вх =  U с -  U зз  =  U с - B U вих ,  (3)

тут U зз  - напруга НЗЗ, яка подається у вхідну ланку підсилювача. З врахуванням того, що

 U вих  =  K 0 U вх =  K 0(U с - B U вих ),  (4)

можемо записати формулу для коефіцієнта підсилення підсилювача із замкненою петлею НЗЗ:

 K * =  U вих / U с =  K 0 / (1 +  B K 0).  (5)

Для зручності аналізу перетворимо формулу (5), розділивши чисельник і знаменник на  BK 0:

 K * = ( 1/B) / (1 + 1/ B K 0).   (6)

Якщо BK 0 - досить велике, що досить легко виконати при досить великому K 0 , то

 K * = 1/B = (R 1 + R 2 )/ R 2 .   (7)

Таким чином, коефіцієнт підсилення  K * підсилювача з негативним зворотним зв`язком при достатньо великому K0 ОП визначається лише параметрами ланки ЗЗ. Наприклад, якщо треба підсилювач з K * = 100, то до ОП треба приєднати, як наведено на схемі, два резистори R 1 і  R 2, співвідношення між якими  повинно бути 99/1.

Цікаво відзначити, що формула (5) є універсальною для всіх підсилювачів, яким би чином не будувалася ланка зворотного зв`язку. Більш того, вона прийнятна і для випадку позитивного зворотного зв`язку, для чого треба лише змінити знак “+” на “-“  в знаменнику.

З (5) випливає, що похибка встановлення K *

 dK * /K * = (dK 0 /K 0)(1/B K 0 )   (8)

тут dK0   - нестабільність коефіцієнта підсилення ОП, пов`язана із зміною температури, напруги джерел живлення, часом, технологічними вадами і т.д. Отже, чим більше  BK0 , тим точніше і стабільніше бажане K* в порівнянні із стабільністю K0  вихідного ОП.  Величина BK носить назву петльового підсилення. Видно, що найбільше значення петльового підсилення для схеми на Рис.7 досягають при B  = 1, а отже K*  = 1,  для , так званого повторювача напруги.

Оскільки на “великих” частотах диференційний коефіцієнт підсилення ОП (K0) падає (Рис. 3), то і K* буде  підтримуватися на рівні 100 (пунктирна лінія) , тільки до частоти, що близька до граничної частоти (для даного коефіцієнта підсилення K*)  fгр = 104 Гц, коли BK0 стане рівним одиниці. Для частот, більших за  fгр , K* = K0 і знову падає. Однак, смуга   частот, яку підсилює підсилювач з НЗЗ розшириться, в порівнянні з ОП без зворотного зв`язку в BK0  разів  і складає 10 кГц.  Якщо потрібен підсилювач з смугою в 100 разів ширшою, наприклад, 100 кГц, то застосовують один за одним два підсилювача з  

K*  = 10. Повторювач напруги має смугу частот до 1 МГц.

 Загалом кажучи, всі способи побудови зворотного зв`язку відрізняються між собою за тим, як сигнал ЗЗ знімається з виходу і яким чином подається на вхід. Таким чином  можна класифікувати утворення ЗЗ як за способом створення сигналу ЗЗ, так і за способом подачі сигналу ЗЗ на вхід ОП.

© О.Слободянюк, Ю.Мягченко, В.Кравченко

 

Зворотний зв’язок за способом створення сигналу

  1.  ЗЗ за напругою, коли на вхід подається сигнал, пропорційний вихідній напрузі.
  2.   ЗЗ за струмом, коли на вхід подається сигнал, пропорційний вихідній напрузі.                                                                 

Зворотний зв’язок за способом подачі  сигналу

  1.  Послідовний ЗЗ, коли джерело напруги вхідного сигналу і сигналу ЗЗ включені послідовно.
  2.  Паралельний ЗЗ, коли джерело напруги вхідного сигналу і сигналу ЗЗ включені паралельно.

На рис.8 наведені схеми варіантів введення ЗЗ.

Для проведення лабораторної роботи використані: генератор прямокутних імпульсів Г5-54 (або генератор гармонічних сигналів ГЗ-118), двоканальний осцилограф С1-83, блок живлення (джерело стабілізованої напруги “+15В,0,-15В”), макетна плата.

Блок-схема експериментальної установки та потрібні зєднання наведено нижче.

Виконання роботи передбачає одержання на екрані двоканального осцилографа одночасного зображення осцилограм вхідного та вихідного сигналів, вимірювання їх параметрів (амплітуд, тривалості імпульсів, зсуву фаз). Вхідний сигнал від генератора сигналів за допомогою трійника одночасно подається на І канал осцилографа і на макетну плату. Вихідний сигнал подається на ІІ канал осцилографа. Коефіцієнт підсилення напруги сигнала обчислюється за формулою , схематичні зображення сигналів наведені на Рис.9 та Рис.10. Для випадку інтегрування сигналу величина Uвих визначається згідно Рис.11.

© О.Слободянюк, Ю.Мягченко, В.Кравченко

Порядок виконання роботи:

Перед виконанням лабораторної роботи потрібно виконати зєднання між приладами та макетною платою відповідно до блок-схеми експериментальної установки. На макетній платі зібрати макет підсилювача (або інтегратора) згідно до одержаного від викладача завдання стосовно параметрів вхідних та вихідних сигналів.  Після цього увімкнути живлення приладів. Впевнитись у тому, що напруга живлення подана на макетну плату, а  напруга на виході операційного підсилювача (у відсутності вхідного сигналу) практично дорівнює нулю. Подати вхідний сигнал. На екрані осцилографа повинні зявитись дві осцилограми.   Увага!  Під час вимірювань треба слідкувати за тим, щоб величина вихідного сигналу була меншою напруги насичення ОП.

1 – на макетній платі зібрати схему інвертувального підсилювача із заданим коефіцієнтом підсилення, виміряти коефіцієнт підсилення напруги, перевірити відповідність розрахованого та виміряного коефіцієнтів підсилення напруги; для випадку використання  генератора прямокутних імпульсів  рекомендована тривалість вхідного імпульсу 1 мс і частота імпульсів близько 200 Гц.

2 -  на макетній платі зібрати схему неінвертувального підсилювача із заданим коефіцієнтом підсилення, виміряти коефіцієнт підсилення напруги, перевірити відповідність розрахованого та виміряного коефіцієнтів підсилення напруги; для випадку використання  генератора прямокутних імпульсів  рекомендована тривалість вхідного імпульсу 1 мс і частота імпульсів близько 200 Гц.

3 - на макетній платі зібрати схему неінвертувального інтегратора, виміряти величину k - постійної інтегратора (див. Рис.11) для певної форми і частоти вхідного сигналу, перевірити відповідність розрахованого та виміряного коефіцієнтів підсилення напруги; для випадку використання  генератора прямокутних імпульсів  рекомендована тривалість вхідного імпульсу 1 мс і частота імпульсів близько 200 Гц.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46786. Imperative sentences 30.5 KB
  Impertive sentences express commnds which convey the desire of the speker to mke someone generlly the listener perform n ction. Besides commnds proper impertive sentences my express prohibition request n invittion wrning persusion etc. Be quick Formlly commnds re mrked by the predicte verb in the impertive mood positive or negtive the reference to the second person lck of subject nd the use of the uxiliry do in negtive in emphtic sentences with the verb to be. Commnds re generlly chrcterized by the flling tone lthough the rising...
46789. Системное и смысловое строение сознания 30.5 KB
  Системное и смысловое строение сознания. Выготский определил область своего исследования как вершинную психологию психологию сознания. Согласно ему становление сознания является существенной линией развития человека. Под системным строением сознания Выготский понимал своеобразное отношение отдельных функций друг к другу то есть то что на каждой возрастной ступени определенные функции стоят в известном отношении друг к другу образуют определенную систему сознания.
46792. Общая характеристика подросткового возраста 30.5 KB
  Наиболее аффективные бурные реакции возникают при попытке коголибо из окружающих ущемить самолюбие подростка. Так как в этот период в личности подростка сосуществуют прямо противоположные потребности и черты. Внешний вид подростка еще один источник конфликта. У подростка появляется своя позиция.