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

6 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

22843. Визначення коефіцієнта внутрішнього тертя рідини капілярним віскозиметром 104 KB
  Якщо шари рідини або газу рухаються один відносно одного між ними діють сили внутрішнього тертя. Коефіцієнт внутрішнього тертя рідини або газу можна визначити за формулою Пуазейля 2 яка виражає величину об`єму рідини або газу що протікає за час через капіляр радіуса та довжини за умови що потік ламінарний. Справді якщо взяти дві рідини відповідні величини для однієї з них позначимо індексами ‘0 а другої 1 і визначити час і витікання однакових об`ємів цих рідин...
22844. Визначення коефіцієнта в’язкості газу 1.32 MB
  При ламінарній течії газу по капілярній трубці різні шари газу набувають різної швидкості направленого руху. Розглянемо більш детально течію вязкого газу по трубці радіуса . Припустимо що потік ламінарний що газ при невеликих тисках нестисливий що течія всановилась і що газ повністю змочує стінки трубки тобто швидкість газу біля стінок трубки дорівнює нулеві.
22845. Визначення вологості повітря 1.2 MB
  Атмосферне повітря має в своєму складі деяку кількість водяної пари що обумовлює вологість повітря. Абсолютною вологістю називається кількість водяної пари що знаходиться в одиниці об'єму повітря. З рівняння стану ідеального газу густину повітря при нормальних умовах можна представити так: пов= 1 позначення загально прийняті.
22846. Визначення коефіцієнта об’ємного розширення рідини 545 KB
  Залежність обєму рідини від температури виражається рівнянням: а при невеликій точності можна обмежитися виразом: де обєм рідини при температурі 0C температурний коефіцієнт обємного розширення рідини. Прямим способом вимірювати обєм рідини при різних температурах для визначення важко бо при цьому змінюється і обєм посудини в якій знаходиться рідина. Французькі вчені Дюлонг і Пті запропонували спосіб визначення коефіцієнта обємного розширення рідини при якому відпадає необхідність вимірювання обєму рідини.
22847. ОДЕРЖАННЯ І ВИМІРЮВАННЯ ВИСОКОГО ВАКУУМУ 5.3 MB
  Різного роду вакуумні насоси з застосуванням деяких додаткових прийомів дозволяють одержувати тиски домм. Області тисків в яких найбільш раціонально застосовуються вакуумні насоси прийнятих в даний час типів показані на рис. Вакуумні насоси що застосовуються для відкачки газу поділяють на два класи: а форвакуумні насоси які починають працювати з атмосферного тиску і викидають відкачуваний газ прямо в атмосферу. Форвакуумні насоси створюють розрідження порядку мм.
22848. ТЕПЛОВЕ РОЗШИРЕННЯ ТВЕРДОГО ТІЛА 340.5 KB
  Дійсно сили що тримають атоми у вузлах ґратки малі і тому достатньо вже теплової енергії самих атомів аби змістити їх з положення рівноваги. До поняття про коливання атомів твердого тіла можна дійти шляхом аналізу природи міжатомних сил. Положення рівноваги атомів визначається з умови рівності сил притягання і відштовхування діючих на атом. Якщо змінюється відстань тільки відносно одного з атомів то енергію Wx треба...
22849. ВИЗНАЧЕННЯ СЕРЕДНЬОГО ЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОТИ ВИПАРОВУВАННЯ РІДИНИ 120 KB
  ВИЗНАЧЕННЯ СЕРЕДНЬОГО ЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОТИ ВИПАРОВУВАННЯ РІДИНИ. Випаровування це процес зміни агрегатного стану речовини перехід речовини із конденсованого стану в газоподібний. Кількість теплоти яку необхідно надати рідині при ізотермічному утворенні одиниці маси пари називають теплотою випаровування. Для визначення середнього значення теплоти випаровування води в даній роботі використовується метод який грунтується на використанні рівняння КлапейронаКлаузіуса.
22850. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТУ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ПОВІТРЯ 182 KB
  Через довiльну коаксiальну поверхню радiуса y за одиницю часу пройде кiлькiсть теплоти 5 де l довжина дротини.Розділивши в виразі 5 змінні одержимо 6 де внутрішній радiус трубки температура дослiджуваного газу повiтря бiля внутрішньої поверхнi трубки а радiус дротини температура дротини. Зі співвідношення 6 випливає що 7 Таким чином для визначення коефіцієнта теплопровідності треба знати кiлькiсть теплоти яка щосекунди...
22851. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ТВЕРДИХ ТІЛ 111 KB
  Кількість теплоти Q що переноситься через поверхню площею S за час при градієнті температур визначається як: 1 де коефіцієнт теплопровідності середовища. Таким чином значення коефіцієнта теплопровідності матеріалу можна знайти безпосередньо якщо користуватись формулою 1. для визначення коефіцієнта теплопровідності твердих тіл.