4221
Исследование интегрирующего и дифференцирующего усилителей на базе ОУ
Лабораторная работа
Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы
Исследование интегрирующего и дифференцирующего усилителей на базе ОУ. Цель работы Целью лабораторной работы является экспериментальное исследование свойств и характеристик операционного усилителя на ИМС в двух функциональных схемах его включения...
Русский
2012-11-14
90 KB
79 чел.
Цель работы
Целью лабораторной работы является экспериментальное исследование свойств и характеристик операционного усилителя на ИМС в двух функциональных схемах его включения.
2.1.1. Изучить литературу [1], с.136 148, с.221 236; или [2], с.296 297, с.302 332, с.351 358; или [3], с.15 27; или [6] и [8] обращая внимание на:
а) интегрирующий усилитель (ИУ):
(10кГц);
б) дифференцирующий усилитель (ДУ):
( 2,5кГц).
2.3 Подготовить отчет по выполненной работе.
Операционный усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ обязан своим названием тому факту, что его первоначальное название сводилось к выполнению вычислительных операций. ОУ это устройства с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей. Очень часто усилитель, включающий ОУ и элементы обратной связи, называют решающим усилителем.
При расчете схем ОУ стараются приблизить его параметры к некоторым идеальным. При необходимости учитывают влияние не идеальности их путем сопоставления реальных параметров ИМС и элементов внешних цепей.
ОУ в интегральном исполнении чаще всего строятся по схеме УПТ усилитель постоянного тока с непосредственной связью и дифференциальным входом. Пять клемм (выводы) составляют минимальное число выводов, необходимых для функционирования ОУ (рис.1). Здесь вх.1 инвертирующий вход, вх.2 неинвертирующий вход.
Рис.1. Типовая схема включения операционного усилителя
В литературе часто встречается изображение ОУ, где инвертирующий вход отмечен знаком (-), а неинвертирующий знаком (+). Для нормального функционирования к ОУ подводится двухполярный источник питания, причём требуется равенство абсолютных величин напряжений двух источников питания. На входы ОУ можно подавать сигналы от одного источника с незаземлённым выходом или от двух разных источников, имеющих одну общую точку. В любом случае входным напряжением является разность входных сигналов:
Uвх = Uвх1 - Uвх2
Коэффициент усиления ОУ определяется как
КА = Uвых / (Uвх1 - Uвх2) = Uвых / Uвх
В идеальном случае КА ∞, в реальных схемах КА достигает 100дБ и более.
Напряжение Uвх ОУ может быть небольшим (единицы мВ), в то же время как напряжение на каждом из входов (по отношению к общему проводу) может достигать нескольких вольт. Если амплитуды и фазы напряжений Uвх1 и Uвх2 на входах ОУ (также по отношению к общему проводу) совпадают, их называют синфазными входными напряжениями (Uсф.вх.).
В общем случае Uсф.вх. определяется как
Uсф.вх. = 0,5*(Uвх1+ Uвх2)
Показателем качества, с помощью которого можно сравнить различные ОУ, служит коэффициент подавления синфазной составляющей (ещё его называют коэффициентом ослабления синфазного сигнала)
Кос.сф = КА / КС,
где КС коэффициент усиления синфазного сигнала.
Кос.сф уменьшается с увеличением амплитуды Uсф.вх.
3.1 Схемы включения ОУ
3.1.1. Интегрирующий усилитель (ИУ)
Интегрирование - это одна из основных математических операций и ее электрическая реализация означает построение схем, в которой скорость изменения выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Интегратор можно рассматривать как ФНЧ первого порядка:
Рис.2. Простейший интегратор (ФНЧ 1-го порядка)
Здесь Τ = R*C постоянная времени, она характеризует процесс интегрирования и еще ее называют постоянной интегрирования. В данной схеме (рис.2) RC-цепь значительно ослабляет входной сигнал и имеет высокое выходное сопротивление.
В простейшей схеме ИУ с использованием ОУ (рис.3) содержится входной резистор R1. За счёт большого коэффициента усиления и большого входного сопротивления, его инвертирующий вход оказывается виртуальной землёй. В результате входной ток определяется только входным напряжением и резистором R1. Следовательно весь входной ток (с учётом Jо = 0, здесь Jo входной ток операционного усилителя) протекает через конденсатор Cос, включённый в цепь обратной связи, заряжая его при этом реализуется операция интегрирования.
Исходя из уравнения:
Jвх = Jос + Jо
где Jос = Jвых,
Jвх = Jвых, таким образом:
Uвх / R1 = -CdUвых / dt;
DUвых = - (1 / R*C)*Uвыхdt;
Следовательно: Uвых = -1 / R*CUвхdt.
Полученные выражения справедливы для идеального ОУ. Аналогично первой схеме, это ФНЧ первого порядка, т.к. с ростом частоты напряжение ООС растёт и Кuос уменьшается. Усилитель носит название интегрирующего потому, что при подаче на вход схемы (рис.3) скачка напряжения, на выходе напряжение будет определяться выражением:
Uвых = (1 / Coc )∫ Jвыхdt.
Рис.3. Интегрирующий усилитель на базе ОУ.
В случае интегратора на ОУ, Т = R*Cвхоу, где Свхоу в свою очередь определяется из схемы (рис.3.1),
Рис.3.1
где на С приложено 2 напряжения:
(Uвх + Uвых), т.е. Uвх*(1 + Коу)
Это аналогично тому, что
Свхоу Сос*(1 + Коу) и очень большое по величине,
тогда постоянная времени будет равна
T = R*Cвх = R*Coc*(1+KA).
Коэффициент усиления KA может составлять сотни и тысячи единиц, и тем эффективней будет выполнять усилитель интегрирующую функцию.
Следовательно Т также большое, на много больше чем в интеграторе на RC.
Комплексный коэффициент передачи для синусоидального сигнала такого устройства определяется аналогично коэффициенту передачи инвертирующего усилителя.
KAF = - Zoc / Z1
где
Zoc = 1 / jwCoc; Z1= R1;
тогда
KAF = - 1 / jwCoc*R1.
Частотная характеристика ИУ в логарифмическом масштабе представляет собой прямую с наклоном 20дБ на декаду, т.е. при увеличении частоты усиливаемого сигнала в десять раз, коэффициент усиления ИУ уменьшается в десять раз (20дБ). Частота усиливаемого сигнала, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления, т.е. когда KAF = 1. Частота единичного усиления ИУ определяется как
F(1) = 1 / 2пCocR1
При известных значениях Coc и F(1) можно определить значение R1
R1 = 1 / 2пF(1)Coc
Очевидно, в случае, если, известно значение R1 можно определить также и номинал Сос.
Рабочий диапазон частот для интегратора определяется нижней и верхнй частотами (н < текущая < в):
нижняя частота рабочего диапазона частот равна:
н = 1 / (R1*Coc(Kvоу + 1));
верхняя частота рабочего диапазона частот равна:
в = (Kvоу + 1) / Tоу
где Kvоу - коэффициент усиления ОУ.
Тоу постоянная времени ОУ.
Подобные усилители применяются в активных фильтрах, в схемах обработки импульсных сигналов, для подавления высоких частот (продуктов преобразования) и т.д.
Для получения большего значения постоянной времени T = R*C для случая интегрирующей цепочки, необходимо подключить большую емкость, которая оказывается под воздействием двух напряжений Uвх и Uвых, а эквивалентная входная емкость оказывается в (1+KA) раз больше входной емкости.
По частотному диапазону интегратора можно сделать следующие выводы:
ср = 1 / (R*C);
3.1.2. Дифференцирующий усилитель
Дифференциатором называется устройство, выходной сигнал которого пропорционален производной от его входного сигнала, т.е. скорости изменения входного сигнала. Это ФВЧ первого порядка. Простейший RC дифференциатор (рис.4) имеет два недостатка: он ослабляет входной сигнал и его выходное сопротивление слишком велико.
Рис.4
Если включить конденсатор вместо R в схему интегратора с ОУ, то получится схема дифференциатора на ОУ (рис.5). Изменение входного напряжения вызывает протекание тока через конденсатор С и через резистор Rос. За счет большого внутреннего коэффициента усиления ОУ его инвертирующий вход является виртуальной землей, поэтому выходное напряжение ОУ оказывается пропорциональным скорости изменения входного напряжения.
При подаче на вход напряжения Uвх через конденсатор С протекает ток.
J1 = CdUвх / dt,
Если считать, что ОУ с идеальными параметрами, то
J1 = Jo = Uвых / Roc,
Uвых / Roc = - С dUвх / dt или
Uвых = - Roc*C dUвх / dt.
При этом T = R*C получается маленьким, т.к. в схеме присутствует ООС параллельная по напряжению, которая уменьшает входное сопртивление схемы, что в принципе и необходимо для хорошего дифференцирования.
Входная проводимость будет равна
Qвх = 1 / Rвх = (1 / Roc) * (1 + KA).
Рис.5 Дифференцирующий усилитель на базе ОУ
или
Uвых = - Roc * C * dUвх / dt.
Коэффициент передачи дифференциатора для синусоидальных сигналов определяется как
KAF = - jwCRoc.
В этой схеме (рис.4) наблюдается параллельная ООС по напряжению, которая приводит к уменьшению входного сопротивления усилителя.
Отсюда следует, что постоянная времени устройства, равная
T = C * Rвх = (C * Roc) / (1 + KA),
т.е. при значительной величине коэффициента усиления может быть получена очень малой величины, что обеспечит выполнение усилителем функций дифференциатора.
Верхняя рабочая частота дифференциатора равна:
в = (Kvоу + 1) / (Roc*С)
Частота, с которой начинает сказываться ограниченность собственной полосы пропускания определяется из выражения:
2ср = Kvоу / (1 + (Tоу * Roc*C)2)1/2.
Подобные схемы ослабляют низкочастотные составляющие, однако в таком виде они применяются редко, так как обладают низкой устойчивостью из за большого усиления в области верхних частот.
Отчёт должен содержать:
Таблица 1.
U1, мВ |
F, Гц |
30 |
650 |
1270 |
1890 |
2505 |
3125 |
3745 |
4365 |
4980 |
5600 |
5 |
U2, В |
||||||||||
Y, ДБ |
3)Амплитудно частотные характеристики в режиме дифференцирования в диапазоне частот от 1,8кГц до 1МГц, при U1 = 2,5мВ. Данные измерений занести в таблицу 2, построить графики.
Таблица 2.
U1, мВ |
F, кГц |
1,8 |
110 |
225 |
335 |
445 |
555 |
670 |
780 |
890 |
1000 |
2,5 |
U2, В |
||||||||||
Y, ДБ |
tи = 50мкс (F = 10кГц)
tи = 200мкс (F = 2,5кГц)
ЛИТЕРАТУРА
8. Остапенко, Усилительные устройства.
Uвых
Uвх
Uвх2
Uвх1
R
C
Uвх
Uвых
o
Jвх
Сос
Uвых
Uо
Uвх
Joс
R1
Jвых
Cвх
Сос
Uвхоу
Uвыхоу
R
C
Uвх
Uвых
С
Uвых
Uвх
Jo
Rос
J1
А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать | |||
84708. | Структура МИД России | 15.81 KB | |
Территориальные департаменты на которые возложена работа по вопросам отношений России с другими государствами и международными организациями. Территориальные департаменты Территориальные департаменты Министерства иностранных дел Первый департамент стран СНГ Второй департамент стран СНГ Белоруссия Молдавия Украина Третий департамент стран СНГ Средняя Азия Четвертый департамент стран СНГ Закавказье Первый Европейский департамент Западная Европа Греция Турция Второй Европейский департамент Северная Европа Прибалтика Третий... | |||
84709. | Деятельность департаментов МИД РФ и вопросы их компетенции | 14.65 KB | |
Деятельность департаментов МИД РФ и вопросы их компетенции. Департаменты МИДа России делятся на: 1.Территориальные департаменты на которые возложена работа по вопросам отношений России с другими государствами и международными организациями. Территориальные департаменты Территориальные департаменты Министерства иностранных дел Первый департамент стран СНГ Второй департамент стран СНГ Белоруссия Молдавия Украина Третий департамент стран СНГ Средняя Азия Четвертый департамент стран СНГ Закавказье Первый Европейский департамент... | |||
84710. | Административный процесс в системе административного права | 110 KB | |
Понятие и принципы административного процесса. Виды административных процедур (производств). Правовое регулирование административных процедур и производств. Административная юстиция. Административная юрисдикция | |||
84711. | Коллегия МИД России. | 11.35 KB | |
Коллегия МИД России. В МИД образуется коллегия в составе министра председателя коллегии его заместителей по должности а также других руководящих работников системы министерства. Коллегия рассматривает наиболее важные вопросы деятельности МИД и принимает соответствующие решения. В целях выработки наиболее обоснованных предложений по вопросам внешней политики государства МИД может образовывать научноконсультативные методические и экспертные советы. | |||
84712. | Понятие «дипломатические отношения». Установление дипломатических отношений как следствие международно-правового признания государств | 15.77 KB | |
Установление дипломатических отношений как следствие международноправового признания государств. В одной из первых статей ООН говориться об установлении добрососедских отношений. Дипломатические отношения помогают определить форму таких добрососедских отношений. Так в Испании после переворота Франко Советская Россия не признала его и дипломатических отношений не было но реально они были. | |||
84713. | Процедура установления и прекращения дипломатических отношений | 13.74 KB | |
Такие отношения именуемые дипломатическими устанавливаются с их взаимного согласия и осуществляются в соответствии с нормами международного права и утвердившейся практикой международного общения. Так признание государства деюре подразумевается в случае официального выражения признающей стороной желания установить с ним дипломатические отношения. Однако отсутствие признания деюре или дефакто не означает что между обоими государствами исключаются вообще какиелибо отношения. Такие фактические отношения нередко имеют место в течение... | |||
84714. | Категории дипломатических представительств и классы их глав | 15.1 KB | |
дипломатические представительства и консульские учреждения России ее представительства при международных межгосударственных межправительственных организациях представительства министерства на территории РФ а также подведомственные министерству предприятия учреждения и организации созданные для обеспечения его деятельности на территории России. Постоянное представительство РФ при международной организации является государственным органом внешних сношений осуществляющим представительство РФ в соответствующей международной организации.... | |||
84715. | Дипломатический корпус в узком и широком понимании. Дипломатическое старшинство. Дуайен | 13.53 KB | |
Дуайен. Возглавляет список дуайен затем сотрудники его посольства и так далее. Возглавляет дипломатический корпус старшина или дуайен. В некоторых странах католических в соответствии с установившимся обычаем папский нунций является дуайеном независимо от времени его аккредитования. | |||
84716. | Функции дипломатических представительств зафиксированные в Венской конвенции о дипломатических сношения | 15.17 KB | |
Конвенция впитала в себя все то рациональное что содержалось в подобного рода документах регулировавших отношения между государствами в прошлом а также правила и обычаи утвердившиеся в межгосударственном взаимодействии в результате многовековой дипломатической практики. Венская Конвенция 1961 г. Венская конвенция 1961 г. подразделяет глав дипломатических представительств на: класс послов и нунциев аккредитуемых при главах государств; к этому классу конвенция относит также других глав представительств эквивалентного ранга; класс... | |||