Схемы с ОУ, охваченным обратной связью
Лабораторная работа
Исследование УПТ на операционных усилителях
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: состоит в ознакомлении с характеристиками и параметрами операционных усилителей и исследовании их применения в качестве линейных устройств.
Общие сведения
Операционным усилителем называют усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. Усилитель постоянного тока (УПТ) – электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток). На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких особых ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области высоких частот. Таким образом, термин УПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе. В подавляющем большинстве случаев УПТ является усилителем не только тока, но и напряжения.
ОУ предназначен для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: усиление и ослабление, сложение и вычитание, интегрирование и дифференцирование, логарифмирование и потенцирование, фильтрация и другие. ОУ в цифровой электронике используется реже. Операции ОУ выполняет за счет вариации цепей положительной и отрицательной обратной связи. Данные цепи могут включать сопротивления, емкости и другие элементы. На элементы накладывается требование приближать параметры ОУ к идеальному источнику напряжения. Идеальный ОУ обладает следующими свойствами:
|
|
|
- коэффициент передачи ОУ без обратной связи равен бесконечности;
- входной ток равен нулю;
- напряжение смещения и ток смещения нуля на входе ОУ равны нулю;
- входное сопротивление ОУ равно бесконечности;
- выходное сопротивление ОУ равно нулю.
Структурная схема ОУ приведена на рис. 1. Первый блок (1) –дифференциальный усилительный каскад, у ОУ имеются два входа: инвертирующий, обозначается знаком (o) или знаком (-), и неинвертирующий, не отмечается или около него ставят (+). Входные сигналы можно подавать на любой из двух входов.
Второй блок ОУ (2) – усилительный каскад с большим коэффициентом усиления, охваченный емкостной отрицательной обратной связью с целью коррекции частотной характеристики ОУ. На выходе используется усилительный каскад с малым выходным сопротивлением (3). При подаче на инвертирующий и неинвертирующий входы одинаковых сигналов сигнал на выходе будет близок к нулю (в этом состоит смысл подавления синфазной составляющей). Разность сигналов, подаваемых на входы дифференциальная составляющая) будет усиливаться в десятки и сотни тысяч раз.
Каждый из блоков имеет комплексную характеристику, зависящую от частоты. Как правило, модуль коэффициента передачи всех трех блоков уменьшается с ростом частоты, на граничной частоте уменьшается в √ 2раз, фаза изменяется на 45о. 
|
|
|
Рис. 1. Структурная схема операционного усилителя
На рис. 2а и 2б показаны обычно применяемые условные графические обозначения ОУ. Здесь показаны два дополнительных вывода ОУ, которые используются для подачи напряжения питания UП+ и UП–, иногда эти выводы обозначаются как EП+ и EП–. Двухполярное напряжение питания используется для обеспечения работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными сигналами. Оба напряжения обычно имеют одинаковые по модулю значения, а их общий вывод одновременно является общим выводом для входных и выходных сигналов.
Модель идеального ОУ может успешно применяться для вывода математических соотношений, описывающих работу реальных ОУ в различных режимах.
Выходное напряжение ОУ определяется выражением:
Uвых = – А (U(-)–U(+)) = –А(ΔU),
гдеА – коэффициент передачи по напряжению усилителя, не охваченного обратной связью; U(–) - напряжение на инвертирующем входе; U(+) - напряжение на неинвертирующем входе. Следует отметить, что Азависит от частоты, как правило, уменьшается с ростом частоты.
|
|
|
Рис. 2а. Условное обозначение ОУ:
(–) – инвертирующий вход ОУ;
(+) – неинвертирующий вход ОУ;
U(–) – напряжение на инвертирующем входе;
U(+) – напряжение на неинвертирующем входе;
UВЫХ– выходное напряжение ОУ;
UП+- положительное напряжение питания ОУ;
UП–- отрицательное напряжение питания
Рис. 2б. Условное обозначение ОУ по ГОСТ.
Вход (U-), напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180 (противофазно) относительно выходного напряжения называют инвертирующим и обозначают кружком (вход 2). Второй вход (U+) – неинвертирующим, т.к. напряжение на нем и выходное совпадают по фазе (вход 3).
Знак минус перед коэффициентом передачи А показывает, что выходное напряжение отрицательно для ΔU>0. Коэффициент передачи А можно определить как отношение величины выходного напряжения UВЫХ к разности значений входных напряжений ΔU. Коэффициент передачи реальных ОУ на постоянном токе колеблется в пределах от 10 000 до 2 000 000.
Большинство ОУ имеют биполярный выход. Это означает, что выходной сигнал может иметь как положительную, так и отрицательную полярность. Поэтому для нормальной работы ОУ требуются два источника питания.
|
|
|
Обобщённая схема включения изображена на рис.3
Рис.3
Выходное напряжение никогда не может превысить напряжение питания (Е–<UВЫХ<Е+). Как правило, максимальное выходное напряжение ОУ на доли вольта меньше напряжения питания. Это ограничение известно как напряжение ограничения (положительное Uогр+ и отрицательное Uогр–).
Основные характеристики ОУ
К основным характеристикам ОУ относят:
- коэффициент усиления дифференциальной составляющей входного сигнала – КU
- коэффициент ослабления синфазной составляющей входного сигнала – Кос
- входной средний ток
- ток, потребляемый от источников питания
- максимальная рабочая частота
- напряжение питания
- максимальный выходной сигнал
Схемы с ОУ, охваченным обратной связью
При высоком значении коэффициента передачи достаточно трудно управлять усилителем и удерживать его от насыщения. С помощью определенных внешних цепей часть выходного сигнала можно направить обратно на вход, т.е. организовать обратную связь. Применяя отрицательную обратную связь, когда сигнал с выхода усилителя приходит на вход в противофазе с входным сигналом, можно сделать усилитель более стабильным. Обычно схемы включения ОУ с замкнутой цепью ОС имеют коэффициент передачи от 10 до 1 000, т.е. меньше, чем коэффициент передачи ОУ, не охваченного ОС, более чем в тысячу раз. Если обратная связь положительна, усилитель переходит в режим генерирования колебаний, т.е. становится автогенератором.
Задание
Для различных типов усилителей:
1. Рассчитать параметры выходного сигнала
2. Собрать схемы усилителей в программе EWB.
3. С помощью осциллографа зарисовать форму входных и выходных сигналов и измерить параметры выходных сигналов.
4. Результаты расчётов и измерений занести в таблицу.
5. Сделать выводы.
Инвертирующий усилитель
Схема включения ОУ, показанная на рис. 4, применяется на практике чаще всего. Цепь обратной связи в этом случае представляет собой единственный резистор RОС, который служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход. Тот факт, что резистор соединен с инвертирующим входом, указывает на отрицательный характер обратной связи. Входное напряжение (U1) вызывает протекание входного тока i1 через резистор R1. Обратите внимание на то, что входное напряжение ОУ (ΔU) имеет дифференциальный характер, т.к. фактически это разность напряжений на неинвертирующем (+) и инвертирующем (–) входах усилителя. Положительный вход ОУ чаще всего заземляют, соединяют с общей точкой источников питания.
Рис. 4. Принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ
Выходное напряжение будет равно:
Uвых = - (Rос / R1) U1 = - КU*U1,
гдеКU– коэффициент усиления дифференциальной составляющей усилителя, охваченного обратной связью; КU = RОС / R1.
Знак минус в выражении означает, что выходной сигнал имеет полярность противоположную входному сигналу, т.е. инвертирован относительно него, поэтому такой усилитель называют инвертирующим усилителем. Следует обратить внимание, что коэффициент передачи ОУ, охваченного обратной связью, можно регулировать посредством выбора сопротивлений двух резисторов, R1 и RОС и не зависит от параметров ОУ.
Задание 1
1. В программе EWB исследовать схему, представленную на рис. 4.
2. Значения R1=10кОм, Rос=100кОм, Е1=24 В, Е2=-24В
3. На вход подать синусоидальный сигнал от источника переменного напряжения частотой 100 Гц, амплитудой 1в.
4. Зарисовать осциллограммы входного и выходного сигналов.
5. Результаты расчётов и измерений занести в таблицу1.
6. Сделать вывод.
Таблица1
| Амплитуда Uвх, В | Амплитуда Uвых, В | Коэффициент усиления Кус | ||
| Расч. | Измер. | Расч. | Измер. | |
Неинвертирующий усилитель
Неинвертирующий усилитель можно получить путем заземления входного сопротивления R1 в схеме инвертирующего усилителя. При этом входной сигнал должен подаваться на неинвертирующий вход (рис. 5).
 |
Рис. 5. Принципиальная схема неинвертирующего усилителя на ОУ
Напряжение обратной связи снимается с делителя напряжения, который образован резистором обратной связи RОС и резистором R1. Это напряжение U(–) равно:
U(–) = [R1/(R1+RОС)]UВЫХ.
Для идеального ОУ входное дифференциальное напряжение U равно нулю, следовательно, UВХ = U(-) и выражение можно представить в виде:
UВЫХ = (1+RОС/R1)UВХ.
Этим уравнением определяется назначение усилителя – усиливать, не изменяя знака входного сигнала. Коэффициент усиления с контуром обратной связи равен КU = (1+RОС /R1).
Задание 2
1. В программе EWB исследовать схему, представленную на рис. 4.
2. Значения R1=10кОм, Rос=100кОм, Е1=24 В, Е2=-24В
3. На вход подать синусоидальный сигнал от источника переменного напряжениячастотой 100 Гц, амплитудой 1в.
4. Зарисовать осциллограммы входного и выходного сигналов.
5. Результаты расчётов и измерений занести в таблицу1.
6. Сделать вывод.
Таблица2
| Амплитуда Uвх, В | Амплитуда Uвых, В | Коэффициент усиления Кус | ||
| Расч. | Измер. | Расч. | Измер. | |
Дифференциальный усилитель
Дифференциальная схема на основе ОУ (рис. 6) обеспечивает усиление разности сигналов на каждом из дифференциальных входов в RОС/R1 раз. В результате выходное напряжение оказывается равным разности напряжений между двумя входными сигналами, умноженной на коэффициент передачи:
UВЫХ = (RОС/R1)(U2-U1).
Рис. 6. Принципиальная схема дифференциального усилителя на ОУ
Задание 3
1. В программе EWB исследовать схему, представленную на рис. 4.
2. Значения R1,R2=10кОм, Rос=100кОм, Е1=24 В, Е2=-24В
3. На входU1 подать синусоидальный сигнал от источника переменного напряжения частотой 100 Гц, амплитудой 1в, на вход U2 подать прямоугольный сигнал от функционального генератора частотой 100 Гц, амплитудой 1в.
4. Зарисовать осциллограммы входных и выходного сигналов.
5. Измерения и расчёты провести для значений входного сигнала U1=0В, U1=1В, U1=-1В.
6. Результаты расчётов и измерений занести в таблицу1.
7. Сделать вывод.
Таблица3
| Амплитуда Uвх, В | Амплитуда Uвых, В | Коэффициент усиления Кус | |||
| U1 | U2 | Расч. | Измер. | Расч. | Измер. |
| 0 | |||||
| +1 | |||||
| -1 | |||||
Суммирующая схема
Суммирующая схема на основе ОУ это модификация инвертирующей схемы для двух или более входных сигналов. Каждое входное напряжение Ui подается на инвертирующий вход через соответствующий резистор Ri(рис. 7).
Рис. 7. Принципиальная схема сумматора на основе ОУ
Для суммирующей схемы
UВЫХ = – RОС(U1/R1) – RОС(U2/R2).
Если R1 = R2 = R, то уравнение для схемы сумматора имеет вид:
UВЫХ = – RОС /R1 (U1+ U2).
Задание 4
1. В программе EWB исследовать схему, представленную на рис. 4.
2. Значения R1,R2=10кОм, Rос=100кОм, Е1=24 В, Е2=-24В
3. На вход U1 подать синусоидальный сигнал от источника переменного напряжениячастотой 100 Гц, амплитудой 1в, на вход U2 подать синусоидальный сигнал от функционального генераторачастотой 100 Гц, амплитудой 0.5в.
4. Зарисовать осциллограммы входных и выходного сигналов.
5. Результаты расчётов и измерений занести в таблицу1.
6. Сделать вывод.
Таблица4
| Амплитуда Uвх, В | Амплитуда Uвых, В | Коэффициент усиления Кус | |||
| U1 | U2 | Расч. | Измер. | Расч. | Измер. |
Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 47; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!