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

15 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

81449. Исследования на целых организмах, органах, срезах тканей, гомогенатах, субклеточных структурах и на молекулярном уровне 104.98 KB
  в биохимии всё шире применяются методы молекулярной и клеточной биологии в особенности искусственная экспрессия и нокаут генов в модельных клетках и целых организмах см. Определение структуры всей геномной ДНК человека выявило приблизительно столько же ранее неизвестных генов и их неизученных продуктов сколько уже было известно к началу XXI века благодаря полувековым усилиям научного сообщества. Искусственая экспрессия ранее неизвестных генов предоставила биохимикам новый материал для исследования часто недоступный традиционными методами....
81450. Эндэргонические и экзэргонические реакции в живой клетке. Макроэргические соединения 126.67 KB
  Многие из этих реакций происходят при участии аденозинтрифосфата АТФ играющего роль сопрягающего фактора. При сопряжении процессов 1 и 2 в реакции катализируемой гексокиназой фосфорилирование глюкозы легко протекает в физиологических условиях; равновесие реакции сильно сдвинуто вправо и она практически необратима...
81451. Дегидрирование субстрата и окисление водорода (образование Н2О) как источник энергии для синтеза АТФ. НАД- и ФАД-зависимые дегидрогеназы, убихинон-дегидрогеназа, цитохромы и цитохромоксидаза 152.07 KB
  Электроны обладающие высоким энергетическим потенциалом передаются от восстановленных коферментов NDH и FDH2 к кислороду через цепь переносчиков локализованных во внутренней мембране митохондрий. Они катализируют реакции типа: RCHOHR1 ND↔ RCOR1 NDH Н. Однако возможно включение электронов с NDPH в ЦПЭ благодаря действию пиридиннуклеотид трансгидрогеназы катализирующей реакцию: NDPH ND NDP NDH. К FMNсодержащим ферментам принадлежит NDHдегидрогеназа которая также локализована во внутренней мембране митохондрий; она...
81452. Окислительное фосфорилирование, коэффициент Р/О. Строение митохондрий и структурная организация дыхательной цепи. Трансмембранный электрохимический потенциал 107.79 KB
  Синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счёт энергии переноса электронов по ЦПЭ называют окислительным фосфорилированием. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН источник энергии для синтеза АТФ. Энергия электрохимического потенциала ∆μH используется для синтеза АТФ если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФсинтазы. Строение АТФсинтазы и синтез АТФ АТФсинтаза НАТФаза интегральный белок внутренней мембраны митохондрий.
81453. Регуляция цепи переноса электронов (дыхательный контроль). Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Терморегуляторная функция тканевого дыхания 104.8 KB
  Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов в ЦПЭ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетках возрастает то прекращается и поток электронов к кислороду. С другой стороны расход АТФ и превращение его в АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода. Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью и имеет важное значение так как в результате его действия скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии.
81454. Нарушения энергетического обмена: гипоэнергетические состояния как результат гипоксии, гипо-, авитаминозов и других причин. Возрастная характеристика энергетического обеспечения организма питательными веществами 102.97 KB
  Все живые клетки постоянно нуждаются в АТФ для осуществления различных видов жизнедеятельности. Клетки мозга потребляют большое количество АТФ для синтеза нейромедиаторов регенерации нервных клеток поддержания необходимого градиента N и К для проведения нервного импульса; почки используют АТФ в процессе реабсорбции различных веществ при образовании мочи; в печени происходит синтез гликогена жиров белков и многих других соединений; в миокарде постоянно совершается механическая работа необходимая для циркуляции крови; скелетные мышцы в...
81455. Образование токсических форм кислорода, механизм их повреждающего действия на клетки. Механизмы устранения токсичных форм кислорода 135.17 KB
  Механизмы устранения токсичных форм кислорода. В большинстве реакций с участием молекулярного кислорода его восстановление происходит поэтапно с переносом одного электрона на каждом этапе. При одноэлектронном переносе происходит образование промежуточных высокореактивных форм кислорода.
81456. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Последовательность реакций. Строение пируватдекарбоксилазного комплекса 123.64 KB
  Превращение пирувата в ацетилКоА описывают следующим суммарным уравнением: СН3СОСООН ND HSKo → CH3CO ∼SKo NDH H CO2 В ходе этой реакции происходит окислительное декарбоксилирование пирувата в результате которого карбоксильная группа удаляется в виде СО2 а ацетильная группа включается в состав ацетил КоА. FD ND и КоА. Окислительное декарбоксилирование пирувата Превращение пирувата в ацетилКоА включает 5 стадий Стадия I. На стадии III КоА взаимодействует с ацетильным производным Е2 в результате чего образуются ацетилКоА...
81457. Цикл лимонной кислоты: последовательность реакций и характеристика ферментов. Связь между общими путями катаболизма и цепью переноса электронов и протонов 319.89 KB
  Цикл лимонной кислоты цитратный цикл цикл Кребса цикл трикарбоновых кислот ЦТК заключительный этап катаболизма в котором углерод ацетильного остатка ацетилКоА окисляется до 2 молекул СО2. Связь между атомами углерода в ацетилКоА устойчива к окислению. В условиях организма окисление ацетильного остатка происходит в несколько этапов образующих циклический процесс из 8 реакций: Последовательность реакций цитратного цикла Образование цитрата В реакции образования цитрата углеродный атом метильной труппы ацетилКоА связывается с...