71739

Изучение операционных усилителей

Лабораторная работа

Физика

Цель работы: ознакомление с принципами построения усилителей электрических сигналов на базе операционного усилителя ОУ выполненного на интегральной микросхеме. Коэффициент усиления усилителя. Обратная связь в электронных усилителях.

Русский

2014-11-11

162.5 KB

0 чел.

200

IV. Медицинская электроника

Лабораторная работа №19

Изучение операционных усилителей

Цель работы: ознакомление с принципами построения усилителей электрических сигналов на базе операционного усилителя (ОУ), выполненного на интегральной микросхеме.

Приборы и принадлежности: лабораторный макет, двухканальный электронный осциллограф, генератор звуковых частот, соединительные провода.

Литература

  1.  [1], §§ 22.1, 22.2, 22.3, 22.5.

Вопросы входного контроля

  1.  Назначение и структура электронных усилителей.
  2.  Коэффициент усиления усилителя.
  3.  Амплитудная характеристика. Нелинейные искажения.
  4.  Частотная характеристика. Линейные искажения.
  5.  Особенности усилителей биопотенциалов.
  6.  Обратная связь в электронных усилителях. Коэффициент усиления с учетом обратной связи. Стабильность усиления при наличии ООС.

  1.  Введение

Для усиления биопотенциалов широко применяются операционные усилители, выполненные на аналоговых интегральных микросхемах. Кроме того, аналоговые микросхемы применяются в таких медицинских аппаратах, как электрокардиограф, лазерные установки для физиотерапии и др.

В настоящей работе изучаются усилители с отрицательной обратной связью (ООС), построенные на аналоговой микросхеме КМ551УД2Б. В зависимости от вида цепи ООС можно получить усилители с различными свойствами. В частности, в данной лабораторной работе изучаются усилители напряжения, а также дифференцирующий и интегрирующий усилители.

Общие сведения об усилителях и их основные характеристики следует изучить по учебнику.

  1.  Основные свойства операционных усилителей (ОУ)

Операционные усилители  наиболее просто реализуются в виде интегральных аналоговых  микросхем, представляющих собой усилители постоянного тока. Свойства ОУ обеспечиваются соответствующим видом цепи внешней ( не интегральной) отрицательной обратной связи (ООС) и зависят от основных параметров микросхемы. Характерными особенностями ОУ на АМС являются:

  1.  Коэффициент усиления по напряжению без ООС высокий (обычно более 20000).
  2.  Входной ток микросхемы практически равен нулю. Это означает высокое входное сопротивление ОУ, что весьма важно для усилителей биопотенциалов. Например, при измерении мембранного потенциала используют микроэлектроды, сопротивление которых составляет десятки МОм. Для того, чтобы падение напряжения на микроэлектродах было незначительным, входное сопротивление усилителя должно быть в десятки раз выше.
  3.  ОУ имеет два дифференциальных входа. В таких усилителях выходное напряжение пропорционально разности напряжений, эта разность очень мала (несколько мВ), т.е. напряжения на дифференциальных входах ОУ  практически равны.

На электрических принципиальных схемах ОУ часто обозначается в виде треугольника следующим образом:

Рис. 1.

Если вход "-" соединить с точкой нулевого потенциала, а на вход "+" подать положительное напряжение, то напряжение на выходе ОУ будет также положительное. В случае "зануления" входа "+", при действии положительного напряжения на входе "-", выходное напряжение окажется отрицательным. Таким образом, при подаче сигнала на инвертирующий вход ОУ фаза выходного сигнала изменяется на 180 градусов, усилитель в этом случае называется инвертирующим.

1.2. Инвертирующий усилитель

Схема инвертирующего усилителя показана на рис.2.

Рис. 2.

Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ, а неинвертирующий вход соединяется с точкой нулевого потенциала. Будем считать, что потенциал точки А равен 0, т.к. разность напряжений между входами ОУ близка к нулю. Поэтому токи, текущие через резисторы R1 и Rос (I1 и I2), соответственно равны Uвх/R1 и Uвых/Rос.  С учетом практического отсутствия входного тока самой микросхемы, их сумма, согласно первого закона Кирхгофа, равна нулю:   

                        

Отсюда, коэффициент усиления инвертирующего усилителя К равен:

.

Отрицательный знак К показывает, что выходное напряжение по знаку всегда противоположно входному, поэтому усилитель называется инвертирующим.

Входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя существенно меньше, чем собственное входное сопротивление ОУ. Его значение можно оценить, если считать потенциал точки А равным нулю. В этом случае Rвх=R1.

  1.  Неинвертирующий усилитель

Если в качестве цепи обратной связи ОУ использовать простейший делитель напряжения и производить операцию вычитания напряжений с помощью дифференциальных входов ОУ, то получим схему неинвертирующего усилителя (рис.3).

Рис. 3.

Поскольку напряжения на дифференциальных  входах примерно равны, то Uвх=Uос. Напряжение Uос  является частью выходного- напряжения:

Отсюда, коэффициент усиления  равен:

Входное сопротивление схемы равно входному сопротивлению ОУ, то есть весьма велико.

Важным частным случаем неинвертирующего усилителя является такая схема включения ОУ, в которой Rос=0. Из формулы (2) получим для этой схемы К=1. Такая схема называется повторителем (рис. 4). Она используется в качестве преобразователя сопротивлений, например, в усилителях биопотенциалов клетки, когда входное сопротивление усилителя должно быть высоким.

Рис. 4.

1.4. Интегрирующий усилитель

Схема интегрирующего усилителя приведена на рис. 5.

Рис. 5.

Так как точку А можно считать точкой нулевого потенциала, то на конденсаторе С действует напряжение Uвых, т.е. Uс=Uвых. Ток, протекающий через резистор R, равен I1=Uвх/R. Пренебрегая малым входным током самой микросхемы, можно считать токи I1 и I2 равными. Током I2 заряжается конденсатор С. Выразим этот ток.

Известно, что заряд q, накапливаемый на обкладках конденсатора равен:

Ток, протекающий через конденсатор:

Как видно из рис. 5, ток I2  = -I1, а ток Ic = I2. Подставляя значения этих токов, получим:

Интегрируя последнее выражение, получим:

Выражение (4) показывает, что выходное напряжение интегрирующего усилителя пропорционально интегралу входного напряжения.

  1.  Дифференцирующий усилитель

Обратная связь в дифференцирующем усилителе осуществляется через резистор R (рис.6).

Рис. 6.

Принимая потенциал точки А равным нулю, имеем: Uc=Uвх.

Ток Iс равен . С другой стороны, . Выразим напряжение Uвых:

Таким образом, выходное напряжение в дифференцирующем усилителе пропорционально производной входного сигнала по времени.

  1.  Описание лабораторной установки

Для питания микросхемы требуется источник двухполярного напряжения +12В и –12В, который подключается к лабораторному макету при помощи клемм К13 (рис.7). Присоединение элементов цепи ООС производится при помощи гнезд Х16. Измерительные приборы подключаются к соответствующим гнездам «Вход» и «Выход» (см. рис. 7).

Рис. 7. Схема соединений лабораторной установки:

1 – операционный усилитель,

2 – генератор сигналов ГРН-1,

3 – вольтметр Ф-584,

4 – электронный осциллограф С1-79,

5 – мультиметр.

3. Порядок выполнения работы

  1.  Изучение инвертирующего усилителя

3.1.1.При помощи мультиметра измерить сопротивления резисторов цепи ООС.

3.1.2. Рассчитать коэффициент усиления.

3.1.3. Собрать схему инвертирующего усилителя и подключить измерительные приборы согласно схеме рис.7.

  1.  Установить частоту генератора, равную 1000Гц. Изменяя величину входного напряжения от 0,1В до 0,5В с интервалом 0,05В, измерить выходное напряжение. Результаты опыта занести в табл.1. Для каждого значения входного напряжения рассчитать коэффициент усиления К. Результаты расчетов занести в табл.1.

Таблица 1

Uвх, В

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

Uвых, В

К

При входном напряжении 0,2В снять осциллограммы входного и выходного напряжений. Объяснить полученные осциллограммы.

  1.  Используя данные табл.1, построить амплитудную характеристику усилителя.
    1.  Для входного напряжения 0,2В вычислить коэффициент усиления. Сравнить теоретическое и опытное значения коэффициентов усиления.
      1.  Установить входное напряжение, равное 0,1В. Поддерживая его постоянным, снять амплитудно-частотную характеристику. Значения частот задавать согласно таблицы, прилагающейся к рабочему макету. Коэффициент частотных искажений М, равный К(f)/К0, рассчитать по формуле:

где Uвых0 – выходное напряжение при частоте сигнала 1000Гц.

Результаты измерений и расчетов занести в табл.2.

Таблица 2

f, Гц

lg f

Uвых, В

М

100

2

200

2.3

400

2,6

800

2,9

1000

3

2000

3,3

3000

3.48

4000

3,6

5000

3,7

6000

3,78

  1.  Используя данные табл.2, построить амплитудно-частотную характеристику М(lgf).

  1.  Изучение неинвертирующего усилителя

3.2.1. Собрать схему неинвертирующего усилителя.

3.2.2. Установить частоту входного сигнала, равную 1000Гц, а амплитуду – 0,2В. Измерить выходное напряжение и вычислить коэффициент усиления. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений.

3.2.3. Собрать схему повторителя.

  1.  Выполнить опыт согласно п. 3.2.2.

  1.  Изучение дифференцирующего усилителя

3.3.1. Собрать схему дифференцирующего усилителя.

3.3.2. Установить частоту входного сигнала 5000Гц.

3.3.3. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений.

  1.  Показать, что выходное напряжение пропорционально производной входного напряжения.

  1.  Изучение интегрирующего усилителя

3.4.1. Собрать схему интегрирующего усилителя.

3.4.2. Выполнить опыт согласно п.п. 3.3.3.

3.4.3. Показать, что выходное напряжение пропорционально интегралу входного напряжения.

Вопросы выходного контроля

  1.  Как построить неинвертирующий усилитель на базе ОУ? Как рассчитать его коэффициент усиления?
  2.  То же для инвертирующего усилителя?
  3.  То же для дифференцирующего усилителя?
  4.  То же для интегрирующего усилителя?
  5.  Как построить на лабораторном макете неинвертирующий усилитель?
  6.  То же инвертирующий усилитель?
  7.  То же дифференцирующий усилитель?
  8.  То же интегрирующий усилитель?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34026. Проблема рационализма и сенсуализма начала 19 в. (сравнить Декарта и Локка) 30 KB
  разуме в центре работы теория познания Всякое познание это сближение с опытом. Он создаёт психологическую теорию познания. Что является самым главным в процессе познания По Декарту: чувства делятся на пришедшие из вне врожденные обнаруживаются нами самими. считает что элементы познания возникают только из чувственного опыта.
34027. Томас Гоббс 26.5 KB
  Власть проистекает из инстинкта самосохранения. Власть становится результатом конвенции разумного решения. Появляется общественная власть. Договор может быть расторгнут если власть не может больше защищать.
34028. Французское Просвещение (Вольтер, Руссо) 31 KB
  Крупнейшими мыслителями и идеологами этой эпохи стали Вольтер Дидро Гольбах Гельвеций Ламетри Руссо и др. Своим метким пером он поражал старое отжившее свой век его сатира и насмешка были убийственны для феодальной камарильи смех Вольтера разрушил больше чем плач Руссо. Мировоззренческая система Жан Жака Руссо завоевала огромную популярность еще при жизни он был признанным властителем дум большинства французов второй половины XVIII века.
34029. Философия Канта 27 KB
  Основные достижения Канта теория познания гносеология и этика. Основные положения идеи теории познания. Кант ставит вопрос о диалектике познания говоря о двух понятиях: субъект и объект познания эти понятия составляют диалектическую противоположность противоречие познания. Суть этой диалектики: ведущим началом источником познания является не объект а субъект познания.
34030. Философия Фейербаха. Антропологический материализм Фейербаха 28.5 KB
  С точки зрения Фейербаха идеализм есть не что иное как рационализированная религия а философия и религия по самому их существу считал Фейербах противоположны друг другу. Религия и близкая к ней по духу идеалистическая философия возникают по мнению Фейербаха из отчуждения человеческой сущности посредством приписывания богу тех атрибутов которые в действительности принадлежат самому человеку. Материализм Фейербаха характеризуется как антропологический так как в центре внимания Фейербаха не отвлеченное понятие материи а человек как...
34031. К.Маркс (1818 - 1883) 45 KB
  Маркс первоначально занимался философским творчеством. Несмотря на то что Маркс не создал целостного философского учения он привнес много новых идей в различные разделы философского знания и по сути дела заложил основы качественно нового мировоззрения. В гносеологии Маркс развивал идеи немецкой классики об активном характере познающего субъекта. Практику Маркс определяет как целенаправленную материальнопреобразующую деятельность общественного субъекта.
34032. Позитивизм и его разновидности 26.5 KB
  Таким образом получается что произвести соединение умов в едином общении принципов и через это доставить твердую основу для социальной реорганизации и для действительно нормального порядка вещей и составляет назначение позитивизма. Для позитивизма в соответствии с его же принципом не существует других настоящих наук кроме естествознания изучающего явления внешнего мира. Если вдуматься в суть позитивизма во всех его разновидностях то следует сказать: это реальность развития философской мысли. Словом эта тенденция усиления связи...
34033. Волюнтаризм Шопенгауэра 25.5 KB
  Интеллект утомляется а воля неутомима. Реальна только одна космически громадная воля которая проявляется во всем течении событий Вселенной: мир только зеркало этого воления выступающее как представление. Мир по Шопенгауэру нелеп а вся история мира это история бессмысленной флуктуации волевых искр когда воля вынуждена пожирать самое себя так как кроме нее ничего нет и она к тому же голодная и жестокая постоянно ткущая паутину страдания. Он подверг критике ошибочную позицию сторонников крайнего рационализма согласно которому...
34034. Философия экзистенцизма 33.5 KB
  Экзистенциализм Философия существования. изолированный одинокий индивид все интересы которого сосредоточены на нем же самом на его собственном ненадежном и бренном существовании. Экзистенциальные проблемы это такие пробл которые возникают из самого факта сущ человека. Для Э имеет значение только его собственное сущ и его движение к небытию.