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

28712. Совершенствование государственного аппарата. Укрепление правовой основы государственной жизни в современных условиях 12.78 KB
  Руководству России предстояло продолжить курс на демократическое преобразование общества и создание правового государства. В 19921993 в России существовало три ветви власти: законодательная съезд народных депутатов России и избираемый ими Верховный Совет; исполнительная президент и назначаемое им правительство; и судебная во главе с Конституционным судом. Ельцин издал указ в котором объявил о роспуске съезда народных депутатов РФ и Верховного Совета проведении в декабре выборов нового органа законодательной власти Федерального...
28713. Обновление законодательства и приспособление его к условиям рыночной экономики в современных условиях 12.52 KB
  Государственное регулирование экономики ставит своей целью соблюдать интересы государства общества в целом социально незащищенных слоев населения. Налоговое регулирование осуществляется путем установления тех или иных объектов налогообложения назначения и дифференциации налоговых ставок введения налоговых льгот освобождение от налогов. Денежнокредитное регулирование состоит в воздействии государства на денежное обращение и объем денежной массы. Бюджетное регулирование заключается в том что государственные органы обладают возможностью...
28714. Силовые структуры, их место и роль в Российском демократическом государстве 13.09 KB
  Помимо вопроса безопасности мирных граждан и реформирования армии есть еще один аспект который не может не волновать общество при поиске места и задач для силовиков в современных условиях. Особенности функционирования силовых институтов на современном этапе их развития предполагают некоторые выводы: вопервых функции армии и милиции как инструментов власти являются частью государственных функций и находятся в прямой зависимости от природы правящего в стране политического режима проводимой им политики; вовторых основным предназначением...
28715. Разработка и принятие Конституции СССР 1936г. Ее основные положения. Реорганизация системы Советов. Национально-государственное строительство в 1936 - 1940 гг., его правовая оценка 13.45 KB
  Разработка и принятие Конституции СССР 1936г. Новая Конституция СССР была утверждена 5 декабря 1936 г. Политой основой СССР в ней названы Советы депутатов трудящихся эккой основой социалистическая система хозва и социалистическая собствсть на орудия и средства производства. провозгласила что в СССР победили социалистические общные отношения и создались такие основы социализма как ликвидация эксплуататорских классов господство социалистической собствти наличие дружественных классов рабочих крестьян и народной интеллигенции...
28716. Развитие законодательства о колхозах и труде в предвоенные годы 14.34 KB
  На II Всесоюзном съезде колхозников ударников был принят Примерный устав сельскохозяйственной артели который впоследствии был утвержден СНК СССР и ЦК ВКПб. СНК СССР и ЦК ВКПб в целях развития животноводства приняли следующие постановления: от 8 июля 1939 г. Постановление СНК СССР ЦК ВКПб и ВЦСПС от 28 дек. О мероприятиях по упорядочению трудовой дисциплины улучшению практики госго соцго страхя и борьбе с злоупотреблениями в этом деле; Указ Президиума Верховного Совета СССР от 26 июня 1940 г.
28717. Сталинский «большой скачок» и утверждение в СССР тоталитарного режима (1929 – 1940) 13.91 KB
  Сталинский большой скачок и утверждение в СССР тоталитарного режима 1929 1940. разработанных Госпланом СССР она одобрила первый. Немало крупных объектов возводилось в национальных республиках СССР. Происходили также важные сдвиги в управлении всем промм комплексом СССР.
28718. Перестройка органов государственной власти и управления в годы Великой Отечественной войны (1941 - 1945 гг.) 12.8 KB
  Поскольку сразу встал вопрос об эвакуации промышленных предприятий в восточные районы страны был создан Совет по делам эвакуации при ГКО. был образован Комитет по эвакуации продовольственных запасов промышленных товаров и предприятий промышленности. В декабре оба органа сменило Управление по делам эвакуации. Эвакуацией людей занималось Управление по эвакуации населения.
28719. Гражданское, трудовое, колхозное и уголовное право в годы Великой Отечественной войны (1941 -1945 гг.) 13.75 KB
  В грм праве оправдывается принцип единства госной собствсти позволявший госву оперативно и быстро распоряжаться своей собствтью в целях налаживания военной экономики мобилизации всех существующих ресурсов на борьбу с фашизмом. Были расширены права госва в отношении некотх объектов права личной собстти в круг наследников были включены трудоспособные родители братья и сестры. Трудовой мобилизации подлежали мужчины от 16 до 55 лет и женщины от 16 до 45 лет не работавшие в госных учреждениях и предпрях. Усиливается отвсть лишение...
28720. Попытки преодоления административно-командной системы управления после смерти Сталина и вторая кодификация права (1945 - начало 70-х гг.) 13.52 KB
  были приняты Основы законтва в обл. Основы грго заква и Основы грго судопрва подготовлены проекты Основ законодательства о семье и Основ законодательства о труде. были приняты новые Основы угго заква СССР и союзных республик. Основы отменили самые одиозные положения сталинского времени.