50601

Схемотехнические решения устройств на операционных усилителях

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Принципиальная схема простого аналогового интегратора показана на рис. На этой схеме конденсатор в цепи обратной связи ОУ подсоединен между суммирующим входом и выходом интегратора. Для определения выходного напряжения интегратора при постоянном напряжении Ui на его входе воспользуемся формулой коэффициента передачи усилителя с параллельной отрицательной обратной связью Kip = Uo Ui = Kp [1 bp Kp] 1 в которой Кр = А...

Русский

2014-09-21

586 KB

5 чел.

PAGE  6

Лабораторная работа № 6

Устройства на операционных усилителях

  1.  Цель работы

Изучить назначение, принцип действия, свойства и возможные схемотехнические решения устройств на операционных усилителях.

2. Задание

1. Ознакомиться с принципами построения, характеристиками и свойствами устройств на операционных усилителях.

2. Исследовать свойства устройств на операционных усилителях.

3. Пояснения к лабораторной работе

3.1. Краткие сведения

Интегратор — это электронная схема, выходной сигнал которой пропорционален интегралу от входного. Принципиальная схема простого аналогового интегратора показана на рис. 1,а. На этой схеме конденсатор в цепи обратной связи ОУ подсоединен между суммирующим входом и выходом интегратора. Для определения выходного напряжения интегратора при постоянном напряжении Ui на его входе воспользуемся формулой коэффициента передачи усилителя с параллельной отрицательной обратной связью

Ki(p) = Uo/Ui = K(p)/[1 + b(p) K(p)]                                                        (1),

в которой К(р) = А (коэффициент усиления ОУ без ОС), b(p) = Z1(p)/Z2(p),  Zl(p) = R, Z2(p) = 1/рС, р — оператор Лапласа. В таком случае получаем

Uo(p) = ABUi/(p + В),                                                                                 (2)

где В = ARC.

Оригиналом полученного выражения является формула

Uo(t) = AUi[l – exp(–t·B)].                                                                           (3)

Разлагая экспоненциальный член в ряд и ограничившись первыми тремя членами разложения (из-за ничтожно малых значений остальных), получим

Uo(t) = (Ui·t/RC)(l – t/2ARC).                                                                      (4)

Нетрудно убедиться, что при достаточно большом значении А и реальных значениях времени интегрирования (t << 2ARC) вторым слагаемым можно пренебречь. В таком случае выходное напряжение интегратора

Uo(t) = Ui t/RC.                                                                                        (5)

Заметим, что если принятое допущение по каким-либо причинам не выполняется, то слагаемое t/2ARC используется для оценки точности интегрирования.

Таким образом, при воздействии постоянного входного напряжения Ui напряжение на выходе интегратора является линейной функцией времени. Если напряжение Ui действует неопределенно долгое время, выходное напряжение Uo будет изменяться до тех пор, пока не достигнет величины напряжения насыщения ОУ (в этом можно убедиться после включения схемы). Это происходит потому, что по постоянному току интегратор является усилителем с разомкнутой петлей ОС. Заметим, что в интеграторах с большими постоянными времени RC должны использоваться ОУ с малыми входными токами и конденсаторы с малыми токами утечки.

Рис. 1. Схема интегратора с имитацией режимов ввода начальных условий, интегрирования и хранения (а) и результаты его испытаний (б)

На практике работа интегратора обычно состоит из трех этапов: ввод начальных условий, интегрирование и хранение результата интегрирования. Схема интегратора с имитацией этих режимов приведена на рис. 1,а. Для ввода начальных условий (заряд интегрирующего конденсатора С до напряжения Uio = UyR2/Rl) используется ключ-таймер К1, который срабатывает через 1 с после включения схемы и удерживается в замкнутом состоянии 1 с. Через 2 с после включения срабатывает ключ К2 и начинается процесс интегрирования, который длится 3 с, после чего интегратор переводится в режим хранения (см. рис. 2,б).

Дифференциатор — антипод интегратора по функциональному назначению; его выходной сигнал пропорционален скорости изменения во времени входного сигнала Ui, т. е.

Uo = —RC(dUi/dt).                                                                                    (6)

При практической реализации дифференциатора (см. рис. 2,а) возникают проблемы с обеспечением его устойчивости, поскольку такое устройство является системой второго порядка и в нем возможны возникновения затухающих колебаний на определенных (обычно высоких) частотах, что подтверждается наличием резонансного "всплеска" на его АЧХ (рис. 2,б).

В модифицированной схеме дифференциатора (рис. 3,а) дополнительно введен резистор Ri, который сглаживает АЧХ дифференциатора и тем самым предотвращает возникновение паразитных колебаний. Сопротивление резистора Ri определяется из выражения:

Ri = R/2FoKo,                                                                                    (7)

где 2FoKo — произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания ОУ (этот параметр часто называют добротностью ОУ). При указанном на рис. 3,а значении Ri АЧХ дифференциатора приобретает вид, показанный на рис. 3,б, откуда видно, что усиление на частоте 39 кГц уменьшилось почти на 30 дБ, а это означает, что на этой частоте паразитные колебания будут уменьшены на 30 дБ.

Рис. 2. Схема идеального дифференциатора (а) и его АЧХ (б)

Рис. 3. Практическая схема дифференциатора (а) и его АЧХ (б)

Основным критерием при выборе ОУ для дифференциаторов является его быстродействие: нужно выбирать ОУ с высокой максимальной скоростью нарастания выходного напряжения и высоким значением произведения коэффициента усиления на верхнюю граничную частоту (т. е. большой площадью усиления). Однако это не исключает необходимости использования дополнительного резистора Ri.

Логарифмические усилители применяются в сочетании с ИП, выходной сигнал которых изменяется в широком диапазоне по амплитуде. Такие усилители иногда называют компрессорами (например, в ядерной электронике), при этом они являются скорее амплитудными ограничителями ("сжимателями") сигналов с большими амплитудами, чем логарифмическими усилителями с заданными метрологическими характеристиками. Совершенно противоположные функции выполняют антилогарифмические усилители ("экспандеры"): они усиливают сигналы большей амплитуды и "подавляют" сигналы меньшей амплитуды (например, шумы на выходе спектрометрических усилителей, используемых в сочетании с детекторами ионизирующих излучений).

В наиболее простом варианте логарифмический усилитель выполняется с использованием полупроводникового диода (рис. 4). Собственно усилитель состоит из ОУ OU2, токозадающего резистора R и диода D, включенного в цепь отрицательной обратной связи; интегратор на OU1 служит для удобства проведения эксперимента по определению амплитудной характеристики усилителя, являясь источником линейно возрастающего напряжения на входе OU2.

Рис. 4. Логарифмический усилитель с дополнительными элементами

Для создания усилителей с логарифмической амплитудной характеристикой чаще всего используется прямая ветвь вольтамперной характеристики р-n-перехода. Эта характеристика описывается зависимостью

                                                                                        (8)

Если обеспечить

                                                                                                  (9)

то в выражении (10.7) единицей можно пренебречь и, следовательно,

                                                                                             (10)

Поскольку I = Ui/R, выходное напряжение усилителя равно

                                                                                     (11)

Для антилогарифмического усилителя (диод D и резистор R меняются местами)

                                                                                       (12)

Рис.5. Антилогарифмический усилитель

4. Порядок выполнения работы

4.1. Исследование работы инвертирующего интегратора

4.1.1. Зарисовать осциллограммы при различных формах входного сигнала (синусоидальный, пилообразный и прямоугольный).

4.1.2. Зарисовать осциллограммы при различных значениях входного напряжения: 0.5, 1 и 2В и определить время заряда/разряда конденсатора (от  до 0 В)  по полученным осциллограммам и по формуле: , где:  , для идеального ОУ. Полученные значения занести в таб.1.

                                                               Таблица №1

Uвх, В

0.5

1

2

4.1.3. Исследование схемы инвертирующего интегратора c имитацией режимов ввода начальных условий, интегрирования, хранения и сброса.

                                                                                       

Uвх, В

25

50

100

-15,13

-10,25

-0,443

-15

-10

-0,5

4.1.4 Зарисовать осциллограммы выходного сигнала при значениях Ui: 25, 50 и 100 мВ.

4.1.5. Найти значение напряжения конца интегрирования по полученным осциллограммам и по формуле: . Полученные значения занести в таб.2.

                                                                             Таблица №2

4.2. Исследование работы инвертирующего дифференциатора

4.2.1. Зарисовать АЧХ при двух различных положениях ключа.

4.2.2. Определить и записать в таблицу величину, на которую уменьшается усиление на резонансной частоте, при добавлении резистора R1 для разных моделей ОУ.

Таблица №3

Тип ОУ

LF347

LM108

MC1437

MC4741

без R1, dB

52

46,5

45,7

45

c R1, dB

20

20

20

20

, dB

32

26,5

25,7

25

4.2.3. Определить частоту единичного усиления дифференциатора по полученной АЧХ и по формуле:  и задав эту частоту в источнике напряжения, зарисовать полученные кривые с экрана осциллографа.

4.3. Исследование работы логарифмического и экспоненциального усилителя

4.3.1. Зарисовать осциллограммы логарифмического и экспоненциального усилителей.4.3.2. Используя полученные осциллограммы и формулы: для логарифмического и  экспоненциального усилителей заполнить таб.4. В формулах:  мВ - температурный потенциал диода, А - тепловой ток диода (ток не основных носителей заряда).

5. Контрольные вопросы

1. Какие функции может выполнять интегратор, кроме основного назначения?

2. Какие функции может выполнять дифференциатор?

3. В каких случаях используются логарифмические усилители?

4. В каких случаях используются антилогарифмические усилители?

5. Какие типы диодов наилучшим образом подходят для логарифмических усилителей (в качестве подсказки — эти диоды известны под именем их создателя ?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74949. Заміна одних одиниць вимірювання величин іншими. Розв’язування задач на дві дії та складання обернених задач 129.5 KB
  Заміна одних одиниць вимірювання величин іншими. Формувати вміння використовувати набуті знання для заміни одних одиниць вимірювання величин іншими. Познайомити учнів зі старовинними одиницями вимірювання довжини і маси.
74950. Розв’язування задач на знаходження швидкості, часу та відстані 92 KB
  Мета: Ознайомити учнів зі способами визначення відстані, швидкості та часу; за допомогою пилки» формувати вміння розв’язувати задачі на основі творчих видів роботи; розвивати обчислюванні навички.
74951. Повторення вивченого «Нумерація чисел від 21 до 100» 45 KB
  Кожен герой мультика приготував для вас своє завдання. Увага відгадайте герої якого мультфільму пропонують вам перше завдання звучить пісня Ю. Щоб нікого не образити ми виконаємо і те і те завдання. Фрагмент пісні з Бременських музикантів готові малюнки кожної тварини яка буде пропонувати завдання.
74952. Розв’язування задач на зведення до одиниці. Вправи на засвоєння таблиці множення числа 8. Розпізнання многокутників 32.5 KB
  Удосконалювати вміння учнів розв’язувати задачі на зведення до одиниці; домогтися засвоєння таблиці множення числа 8 напам’ять; закріплювати знання правил порядку дій; розвивати обчислювальні навички та вміння розв’язувати рівняння...
74953. Письменное вычитание трёхзначных чисел. Сложные задачи – цена, количество, стоимость. Геометрический материал 188.5 KB
  Цель: Учить детей письменному вычитанию трехзначных чисел столбиком; закрепить умение делать правильный мотивированный выбор действия в задаче; выбирать арифметическое действие для решения задачи; составлять равенства на умножение деление; классифицировать и обобщать.
74954. Усвоение таблицы умножения и деления. Составление задачи по выражению 56 KB
  Цель. Совершенствовать умение решать выражения на основе знаний таблицы умножения и деления; развивать умение решать уравнения на нахождение неизвестного делителя; закреплять умение составлять и решать задачи по выражению, задачи на приведение к единице...
74955. Повторение табличного деления и умножения чисел 58.5 KB
  Цели и задачи: Образовательные: усвоение полученных знаний, умений и навыков при табличном делении и умножении; Развивающие: развивать наблюдательность и умение рассуждать; развивать математические способности, логическое мышление, внимание и интерес к предмету через игру...
74956. Додавання й віднімання виду 430 + 500, 430 + 50, 760 – 400, 760 – 40. Розширена задача на спосіб зведення до одиниці. Складена задача, яка включає суму двох або трьох доданків 54 KB
  Мета. Закріплювати вміння учнів додавати круглі трицифрові числа різними способами. Працювати над розв’язуванням задач. Розкриватимемо таємниці єгипетських пірамід. Розвивати обчислювальні навички, логічне мислення, пам’ять.
74957. Множення на 0, 1 35.5 KB
  МЕТА: Сформувати вміння та навички учнів при обчисленні прикладів на множення 0, 1; розвивати обчислювальні навички, розвивати пізнавальний інтерес до вивчення математики, виховувати уважність.