Дослідження роботи диференційного підсилювача

1. Зібрати схему установки для дослідження роботи диференційного підсилювача (рис.9). Перевірити її працездатність.

2. Підключити осцилограф до точки А схеми і потенціометром R1 встановити вхідну напругу лівого плеча диференційного підсилювача рівною нулю U _вх₁=0.

3. Підключити осцилограф до точки В схеми і виміряти вхідну напругу U _вх₂ правого плеча диференційного підсилювача.

4. Підключити осцилограф до точки D схеми і виміряти вихідну напругу U _вих₂правого плеча підсилювача. Визначити коефіцієнт підсилення k_u при несиметричному виході:

. (6)

5. Підключити осцилограф до точки С диференційного підсилювача і виміряти вихідну напругу лівого плеча диференційного підсилювача. Впевнитись у тому, що вихідні напруги лівого і правого плеча однакові U _вих₁= U _вих₂.

6. Осцилографом виміряти вихідну напругу U_вих₁₂ при симетричному виході між точками С і D схеми. Визначити коефіцієнт підсилення при симетричному виході:

. (7)

Порівняти коефіцієнти підсилення при симетричному і несиметричному виходах.

7. Змінюючи потенціометром R1 вхідну напругу U _вх₁ лівого плеча диференційного підсилювача, впевнитись, що при будь-якому його положенні вихідні напруги кожного плеча одинакові, а напруга між двома плечами рівна їх сумі.

8. Змінюючи положення ручки потенціометра R1 від мінімального до максимального положення, записати декілька значень напруг U_вх₁, U_вх₂ та U_вих₁₂. Дані занести в таблицю 2.

Побудувати залежність U_вих₁₂=f(U_вх₁-U_вх₂).

9. Зробити висновки.

3. Моделювання роботи основних типів підсилюючих каскадів на ПК

1. Синтезувати RC-, двотактний та диференційний каскад на ПК, використовуючи пакет прикладних програм PCAD або WORKBENCH.

2. Дослідити часові залежності сигналів на входах і виходах цих каскадів.

3. Зробити висновки.

Лабораторна робота № 10

Операційні підсилювачі

Мета роботи: ознайомлення з основними параметрами та характеристиками операційних підсилювачів (ОП). Дослідження роботи інвертуючого та неінвертуючого підсилювача, суматора на основі ОП.

Теоретичні відомості

1. Загальна характеристика операційних підсилювачів

Операційним називають диференційний підсилювач постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення, виконаний у виді інтегральної мікросхеми. Термін операційний означає, що даний підсилювач може виконувати математичні операції. Термін диференційний означає, що такий підсилювач підсилює різницю вхідних сигналів. Тому операційний підсилювач має два входи і один вихід (див.рис.1). Один із входів називають неінвертуючим, так як вихідний сигнал знаходиться у фазі з вхідним. Другий вхід називають інвертуючим, так як вихідний сигнал знаходиться у протифазі з вхідним. Інвертуючий вхід ОП позначають знаком інверсії (рис.1). Операційний підсилювач складається з диференціального каскаду на вході, підсилювача напруги та вихідного каскаду, призначеного для підсилення потужності вихідного сигналу. Для живлення ОП використовують два різнополярних джерела живлення E1 та E2.

Ідеальний операційний підсилювач характеризується такими параметрами:

- нескінченно великий коефіцієнт підсилення k_u=¥;

- нескінченно великий вхідний опір R_вх=¥;

- нульовий вихідний опір R_вих=0.

Реальні операційні підсилювачі мають коефіцієнт підсилення k_u=10³-10⁶, вхідний опір складає сотні - тисячі кілоом, а вихідний - десятки-сотні ом. Інтегральні ОП є універсальними. Вони можуть виконувати не тільки математичні операції, але і застосовуватись в різних генеруючих, підсилюючих та перетворюючих сигнали пристроях. Результуючі характеристики пристроїв, побудованих на операційних підсилювачах, повністю визначаються параметрами зовнішніх зворотних зв¢язків.

2. Зворотні зв¢язки у підсилювачах

Зворотнім зв ¢ язком називають передачу частини енергії вихідного сигналу на вхід підсилювача. Якщо сигнал зворотнього зв¢язку (ЗЗ) співпадає за фазою з вхідним сигналом, то такий зворотній зв¢язок називається додатнім. Якщо сигнал зворотнього зв¢язку знаходиться в протифазі з вхідним сигналом, то такий зворотній зв¢язок називається від ¢ ємним. Розрізняють зворотні зв¢язки за напругою, коли на вхід підсилювача передається частина вихідної напруги, та за струмом, коли на вхід підсилювача передається частина вихідного струму. Окрім цього, в залежності від способу подачі частини вихідного сигналу на вхід підсилювача, розрізняють послідовний та паралельний зворотній зв¢язок. При послідовному ЗЗ частина вихідного сигналу подається послідовно з вхідним сигналом, а при паралельному - паралельно.

Розглянемо структурну схему підсилювача зі зворотнім зв¢язком (див.рис.2). Підсилювач без ЗЗ характеризується коефіцієнтом підсилення k_u. Через коло зворотнього зв¢язку на вхід підсилювача подається частина вихідного сигналу

. (1)

Коефіцієнт β називається коефіцієнтом передачі кола зворотнього зв¢язку, або, для простоти - коефіцієнтом зворотнього зв ¢ язку. Як видно з рис.2, на вході підсилювача буде діяти вхідний сигнал

. (2)

Цей сигнал буде підсилений в k_u раз:

. (3)

Коефіцієнт підсилення підсилювача зі зворотнім зв¢язком буде

. (4)

Звідси

. (5)

При цьому вважається, що при додатньому β зворотній зв¢язок є додатнім, а при від¢ємному β - від¢ємним. З виразу (5) слідує, що при β=0 (зворотній зв¢язок відсутній) коефіцієнт підсилення k=k_u. Збільшення коефіцієнта β при додатньому ЗЗ збільшує коефіцієнт підсилення каскаду, який при βk_u=1 стає рівним нескінченності. Збільшення коефіцієнта β при від¢ємному зворотньому зв¢язку зменшує коефіцієнт підсилення каскаду, який при β=-1 (100%-й від¢ємний зворотній зв¢язок) стає рівним одиниці (вважається, що k_u>>1).

Додатній зворотній зв¢язок, що збільшує коефіцієнт підсилення, реалізується в генераторах електричних сигналів. У підсилювачах використовують тільки від¢ємний ЗЗ. Хоча коефіцієнт підсилення зменшується, однак при цьому покращуються всі основні експлуатаційні параметри підсилювача: збільшується температурна стабільність, зменшуються нелінійні спотворення та коефіцієнт гармонік, розширюється смуга підсилюваних частот, збільшується вхідний опір і зменшується вихідний. Ведення в підсилювач додатнього зворотнього зв¢язку погіршує ці параметри.

Слід відмітити, що в загальному випадку коефіцієнт зворотнього зв¢язку β є комплексною величиною, що означає його частотну залежність. Введення частотозалежного ЗЗ дозволяє коректувати АЧХ підсилювачів, будувати активні фільтри та генератори гармонічних сигналів.

3. Інвертуючі та неінвертуючі підсилювачі

Для випадку від¢ємного зворотнього зв¢язку коефіцієнт β є від¢ємним. Тому вираз (5) запишемо у виді

. (6)

Розділимо чисельник і знаменник даного співвідношення на k_u:

. (7)

При досить великому коефіцієнті підсилення k_u, що має місце у випадку операційного підсилювача, першим доданком у знаменнику виразу (7) можна знехтувати в силу його малості. Тоді отримуємо:

. (8)

Це означає, що коефіцієнт підсилення каскаду зі зворотнім зв¢язком k вже не залежить від коефіцієнта підсилення самого каскаду k_u, а визначається тільки коефіцієнтом β, тобто властивостями самого зворотнього зв ¢ язку ! Це дозволяє на основі операційних підсилювачів будувати каскади з заданим коефіцієнтом підсилення.

Схема інвертуючого підсилювача на основі ОП наведена на рис.3 (виводи живлення операційного підсилювача для спрощення не показані). Вхідний сигнал подається на інвертуючий вхід. Резистори R1 та R2 утворюють коло від¢ємного зворотнього зв¢язку, через яке частина вихідного сигналу подається на інвертуючий вхід. Коефіцієнт передачі ЗЗ дається виразом

. (9)

Підставляючи співвідношення (9) у (8) отримуємо

. (10)

Вхідний опір такого підсилювача практично рівний опору резистора R1.

Принципова електрична схема неінвертуючого підсилювача наведена на рис.4. Вхідний сигнал подається на неінвертуючий вхід. На інвертуючий вхід подається напруга від¢ємного зворотнього зв¢язку, що знімається з подільника на резисторах R1 та R2. Коефіцієнт передачі напруги такого подільника дається виразом

. (11)

Підставляючи (11) у (8) отримуємо

. (12)

Вхідний опір такого підсилювача є дуже великим і визначається типом застосованих ОП.

Таким чином, на основі ОП можна будувати інвертуючі та неінвертуючі підсилювачі, коефіцієнт підсилення яких визначається виключно опорами резисторів зворотнього зв¢язку і не залежить від типу застосованих ОП.

4. Схеми для виконання математичних операцій на основі ОП

Суматором називають електронний пристрій, призначений для сумування вхідних сигналів. Принципова електрична схема суматора, побудованого на основі операційного підсилювача, наведена на рис.5. Для кожного з входів коефіцієнт підсилення k_і рівний

, , , . . . . (13)

Вихідна напруга такого підсилювача дається виразом

. (14)

Знак "-" показує, що вихідна напруга має протилежний до суми вхідних напруг знак, так як вхідні сигнали подаються на інвертуючий вхід операційного підсилювача.

При всіх одинакових опорах схеми R1= R2= R3= ××× = R _n = R_ЗЗ отримуємо

, (15)

тобто вихідна напруга рівна сумі вхідних, але має протилежний знак.

Інтегратор призначений для часового інтегрування вхідного сигналу (рис.6). Коло зворотнього зв¢язку такого підсилювача представляє собою інтегруючу ланку. Вихідна напруга інтегруючого підсилювача пропорційна інтегралу вхідної напруги

. (16)

Принципова електрична схема диференціатора представлена на рис.7. Коло від¢ємного зворотнього зв¢язку представляє собою диференціюючу ланку. Вихідна напруга диференціюючого підсилювача пропорційна диференціалу вхідного сигналу:

. (17)

Для виконання операцій логарифмування та антилогарифмування застосовують операційні підсилювачі, в яких роль опорів від¢ємного зворотнього зв¢язку виконують напівпровідникові діоди (див.рис.8), так як їх вольт-амперна характеристика має експоненціальну залежність. Вихідна напруга логарифмуючого підсилювача (рис.8а) пропорційна логарифму вхідного сигналу:

, (18)

де коефіцієнти k₁ та k₂ залежать від типу застосованого діода. Вихідна напруга антилогарифмуючого підсилювача (рис.8б) змінюється за законом

. (19)

Таким чином, на основі ОП можна побудувати не тільки підсилювачі сигналів, але і схеми, що виконують математичні операції над вхідними аналоговими сигналами. Похибка виконання математичних операцій буде тим меншою, чим більше реальні параметри операційних підсилювачів будуть наближатись до параметрів ідеальних ОП.

Резюме

1. Операційні підсилювачі мають великий коефіцієнт підсилення, великий вхідний опір і малий вихідний опір.

2. При подачі сигналу на неінвертуючий вхід операційного підсилювача, вихідний сигнал буде співпадати за фазою з вхідним. При подачі сигналу на інвертуючий вхід операційного підсилювача, вихідний сигнал буде знаходитись в протифазі з вхідним.

2. Додатній зворотний зв ¢ язок збільшує коефіцієнт підсилення каскаду, а від ¢ ємний - зменшує.

3. В підсилювачах електричних сигналів використовують від ¢ ємний зворотній зв ¢ язок, а в генераторах - додатній.

4. На основі операційних підсилювачів можна побудувати схеми, що виконують математичні операції над вхідними сигналами.

Порядок виконання роботи

1. Дослідження роботи інвертуючого підсилювача

1. Зібрати схему установки для дослідження роботи інвертуючого підсилювача (рис.9). В якості генератора використати вмонтований в лабораторний пристрій К4822-2 генератор гармонічних сигналів. Включити живлення установки та генератора і перевірити працездатність схеми.

2. Під¢єднати осцилограф до точки А схеми і виміряти величину вхідної напруги U_вх. Під¢єднати осцилограф до точки В схеми і виміряти величину вихідної напруги U_вих. Визначити коефіцієнт підсилення інвертуючого підсилювача:

. (20)

Примітка . Так як для визначення коефіцієнта підсилення береться відношення вхідних і вихідних сигналів, то в якості U _вх і U _вих можна брати не дійсні, а амплітудні значення, що значно спрощує їх визначення за осцилографом.

3. При незмінному опорі R2=3,3 кОм, послідовно змінюючи опір R1 на вказані в таблиці 1 значення, визначити коефіцієнт підсилення каскаду. Дані занести в таблицю 1.

2. Дослідження роботи неінвертуючого підсилювача

1. Зібрати схему установки для дослідження роботи неінвертуючого підсилювача (рис.10). Включити живлення установки та генератора і перевірити працездатність схеми.

2. Під¢єднати осцилограф до точки А схеми і виміряти величину вхідної напруги U_вх. Під¢єднати осцилограф до точки В схеми і виміряти величину вихідної напруги U_вих. Використовуючи співвідношення (20) визначити коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача.

4. Визначити теоретичні коефіцієнти підсилення інвертуючого та неінвертуючого підсилювачів для різних величин опорів R1:

- для інвертуючого: ;

- для неінвертуючого: .

Дані занести в таблицю 1. Порівняти експериментально визначені та теоретично обраховані коефіцієнти підсилення інвертуючого та неінвертуючого підсилювачів. Пояснити можливі розбіжності.

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 283; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!