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

4 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

74186. Метод мощностей (понятие, назначение, применение) 13.99 KB
  Метод мощностей понятие назначение применение Данный метод применяется для изучения древних в меньшей степени новейших нисходящих вертикальных движений. При анализе мощностей необходимо учитывать следующее: Анализ мощностей основывается на изучении таких...
74187. Платформы (понятие, строение: фундамент, осадочный чехол) 11.14 KB
  Платформы понятие строение: фундамент осадочный чехол Платформа – это обширная тектоническая структура обладающая сравнительно малой подвижностью. Платформы образуется на месте складчатой области в результате разрушения и снижения гор...
74188. Object-oriented programming languages and tools 37 KB
  They were working on simultions tht del with exploding ships nd relized they could group the ships into different ctegories. The Smlltlk tem ws inspired by the Simul 67 project but they designed Smlltlk so tht it would be dynmic. The objects could be chnged creted or deleted nd this ws different from the sttic systems tht were commonly used. It is this feture tht llowed Smlltlk to surpss both Simul 67 nd the nlog progrmming systems.
74189. Object-oriented programming languages and tools. Evolution of Smalltalk 41 KB
  The lnguge ws first generlly relesed s Smlltlk80. Smlltlklike lnguges re in continuing ctive development nd hve gthered loyl communities of users round them. NSI Smlltlk ws rtified in 1998 nd represents the stndrd version of Smlltlk.
74190. Logic programming languages and tools 38 KB
  User specifies the specifictions of solution nd the computer derives the execution sequence for tht solution: Let us hve irline flight informtion of the form: flightflight_number from_city to_city deprture_time rrivl_time Then ll the flights from Wshington DC to Snt Clr cn be specified s either direct flights or s flights with n intermedite stop: flightflight_number DC Snt Clr deprture_time rrivl_time or flightflight_number DC X deprt1 rrive1 flightflight_number X Los ngles deprt2 rrive2 deprt2 =rrive130 Unlike...
74191. Logic programming languages and tools. Programming languages versus logic programming 33.5 KB
  Properties: we cn ssign properties to individul entities for exmple fred would hve the property of being crnivore properties look like C function cll the nme of the property then the entity tht hs tht property is given in brckets e. Reltionships fcts: we cn ssign reltionships between entities for exmple fred ets met or wilm ets vegetbles reltionships in Prolog gin look like C function cll we give the reltionship nme first then in brckets the two entities tht re relted e. etswilmmet etswilmvegetbles. For exmple rule...
74192. Visual development languages and tools 32 KB
  But somehow it didn’t hve the sme impct s did integrted development environments IDEs on those newfngled ldquo;microcomputers. Until we hd Windows to provide the bsic ides of displying things in windows PCs hd foot nd hlf bck in the minfrme worldrdquo; he sid. While TurboPscl lunched the ide of n integrted development environment Duntemnn credits Microsoft’s Visul Bsic VB lunched in 1991 with being the first rel IDE. The timing of IDEs ws lso perfect for new form of development: the Web.
74193. Visual development languages and tools 43 KB
  Visul development lnguges nd tools. In the summer of 1991 Microsoft introduced development tool clled Visul Bsic. Visul Bsic revolutionized ll this tedious code. Insted of hving to write lengthy code to mke window respond to mouse Visul Bsic hndled ll of those ctions nd hid them from the progrmmer.