Цель: закрепление теоретических знаний по теме «Операционные усилители» и приобретение практических навыков расчета параметров операционного усилителя и снятия амплитудно-частотных характеристик с помощью осциллографа.
Задачи: ознакомиться с принципом построения операционного усилителя, сформировать умение рассчитывать параметры элементов схемы, снятия амплитудно-чстотных характеристик, умение пользоваться справочной литературой, научить студентов применять теоретические знания на практике, организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество
Материалы, оборудование, ТСО, программное обеспечение: ПО Multisim 17, ПК, рабочая тетрадь по электронной технике
Литература, информационное обеспечение:
1. Москатов Е.А. Основы электронной техники. Учебное пособие - Ростов н/Д.: Феникс, 2014.
2. Вайсбурд Ф.И., Панаев Г.А., Савельев Б.И. Электронные приборы и усилители. Учебник - М.: Либрком, 2010.
3. Горшков Б.И., Горшков А.В. Электронная техника - М.: Академия, 2010.
Порядок выполнения практической работы:
Краткие сведения:
Многокаскадный УПТ с дифференциальным входом и несимметричным выходом называют операционным усилителем (ОУ). Операционным усилитель был назван потому, что он использовался в аналоговых вычислительных машинах (еще в ламповом варианте) для выполнения операций масштабирования, суммирования и интегрирования. Пример построения ОУ приведен на рисунке 1. Транзисторы в диодном включении обозначены на схеме как диоды. ОУ содержит входной дифференциальный усилительный каскад на транзисторах VT1, VT2 с генератором тока VT5, получающим смещение с делителя R1, VD1 и динамической нагрузкой в виде "токового зеркала" на транзисторах VT3, VT4. Через согласующий эмиттерный повторитель VT6 сигнал поступает на выходной каскад в виде усилителя напряжения VT7 (схема с ОЭ) с динамической нагрузкой VT8 и усилитель тока на транзисторах VT9, VT10, получающий смещение с диодов VD2, VD3 для работы в режиме АВ.
Рисунок1 - Вариант принципиальной схемы ОУ
Приведенное схемное решение характерно для интегральной технологии изготовления операционных усилителей. Применение транзисторных структур в качестве динамических нагрузок не только повышает коэффициент усиления каскадов, но и уменьшает площадь, которую они занимают на поверхности кристалла по сравнению с резистивной нагрузкой.
Для повышения входного сопротивления ОУ входной каскад переводят в режим микротоков. Он дает усиление порядка ста. Основное усиление по напряжению (порядка нескольких тысяч) дает каскад на транзисторе VT7. Корректирующий конденсатор Скорр делает постоянную времени каскада на транзисторе VT7 много большей постоянных времени других каскадов, что обеспечивает возможность охвата ОУ отрицательной обратной связью большой глубины без потери устойчивости усилителя.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
В линейных устройствах ОУ используются с глубокой ООС. При этом параметры схем на ОУ практически полностью определяются видом и характеристиками элементов, включенных в цепь обратной связи. ОУ стали самыми универсальными и массовыми элементами аналоговой схемотехники. Такая многофункциональность и гибкость при использовании лишь нескольких типов микросхем ОУ достигается применением самых разнообразных внешних цепей обратной связи, включающих линейные, нелинейные, пороговые, частотно-зависимые и другие элементы.
На рисунке 2 приведена схема включения сдвоенного ОУ с внутренней цепью частотной коррекции, выполненного на микросхеме К14ОУД20. Показана цепь балансировки нуля, с помощью которой устраняется начальный сдвиг нулевого уровня на выходе операционного усилителя. Без балансировки при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе устройств, построенных на ОУ, иногда может составлять единицы вольт
.
Рисунок 2 – Схема включения сдвоенного ОУ с внутренней цепью частотной коррекции
Условное графическое обозначение ОУ показано на рисунке 3а. На этом же рисунке приведены амплитудная (б) и амплитудно-частотная (в) характеристики ОУ. Операционный усилитель имеет два входа: неинвертирующий (U+) и инвертирующий (U-). Уровни положительного и отрицательного ограничения приближаются по величине к напряжениям двухполярного источника питания. Возможное смещение амплитудной характеристики относительно начала координат характеризует напряжение смещения Uсм. Амплитудно-частотная характеристика ОУ в области верхних частот вплоть до частоты единичного усиления f1 спадает с таким наклоном, при котором во сколько раз изменяется частота (например, в 10 раз, т.е. на декаду), во столько же раз изменяется коэффициент усиления по напряжению К (также в 10 раз, т.е. на 20 дБ в логарифмическом масштабе).
Рисунок 3 - Основные характеристики ОУ
При практическом применении операционных усилителей разработчиков интересует не столько принципиальная схема ОУ, сколько схема включения и основные параметры (в скобках приведены для К14ОУД20):
1) коэффициент усиления по напряжению (К = 25000);
2) входное сопротивление (Rвх- сотни килоом);
3) выходное сопротивление (Rвых- сотни ом);
4) напряжение смещения (Uсм = 1мВ);
5) входной ток (Iвх = 100 нА);
6) коэффициент подавления синфазного сигнала (Mсф = 70 дБ);
7) частота единичного усиления (f1 = 0,5 МГц);
8) напряжение питания (±E=5−20 В);
9) дрейф напряжения смещения δ U см = 2 мкВ/С°.
Рисунок 4 - Типовые схемы включения ОУ: а) инвертирующее; б) неинвертирующее
Упрощенный анализ устройств на ОУ будем проводить для идеального операционного усилителя, т.е. имеющего К=∞, Rвх=∞, Rвых=0, Uсм=0, Iвх =0, Мсф=∞. По мере совершенствования схемотехники и технологии изготовления ОУ их характеристики все больше приближаются к идеальным т.к. К®∞.
Получим основные соотношения для типовых включений ОУ. В практических схемах в качестве Z1 и Z2 могут использоваться резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, а также двухполюсники, составленные из их последовательного или параллельного соединения. Потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов идеального ОУ можно считать одинаковыми.
При инвертирующем включении (рисунок 4а) через элемент Z1 течет ток I1=Uвх/Z1.Точно такой же ток течет и через Z2, т.к. Rвх=¥. Таким образом
Uвых=–Iос*Z2=–Uвх*Z2/Z1, а
Кос=–Z2/Z1. (11.14)
При неинвертирующем включении (рисунок 4б) по цепи ОС течет ток
Iос=Uвх/Z1 и Uвых=I1*Z1+Iос*Z2=Uвх[(Z1+Z2)/Z1,
откуда
Кос=1+Z2/Z1. (11.15)
На основе операционных усилителей путем введения внешних цепей обратной связи (в том числе и частотно-зависимых) строится большое число электронных устройств, осуществляющих эффективное преобразование электрических сигналов и широко используемых в измерительной технике. Их передаточные свойства описываются в первом приближении соотношениями (11.14) и (11.15). Для оценки погрешностей измерительных устройств приходится учитывать влияние реальных параметров применямых ОУ. Точность измерительных устройств сильно зависит и от класса точности элементов, используемых в цепи ООС операционного усилителя.
Вопросы допуска :
1 Какие усилители называют операционными?
2 Перечислите основные параметры ОУ.
3 Какие виды ОУ вам известны?
4 Какие требования предъявляют к входным каскадам ОУ?
5 Какие требования предъявляют к выходным каскадам ОУ?
Содержание отчета :
1 Название и цель работы.
2 Принципиальная схема.
Рисунок - Схема инвертирующего усилителя на основе ОУ
Рисунок - Схема неинвертирующего усилителя на основе ОУ.
Рисунок- Схема сумматора
Рисунок - Схема вычитающего (дифференциального) усилителя
3 Таблица измерений
| Измеряемые величины | Численные значения | Коэффициент усиления, К |
| U1 (вход) | ||
| U2 (выход) |
4 Расчетная часть
Порядок выполнения :
Активизировать программу Multisim. Включить режим моделирования
Записать в таблицу измерений показания входного и выходного вольтметров.
Наблюдать осциллограммы напряжений на входе и выходе.
Выключить режим моделирование кнопкой
Расчетная часть :
Рассчитать коэффициент усиления схемы и сравнить с экспериментальными данными.
Рассмотрим схему инвертирующего усилителя, из которой видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению.
Так как i = 0 , то i1 = i2.
Предположим, что усилитель работает в режиме усиления, тогда
u диф = 0.
В соответствии с этим:
U вх Uвых Ros
I1 = ––––––; I2 = ––––––, тогда Uвых = - Uвх –––––.
R1 Ros R1
Таким образом, инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным:
Ros
Кu = - -------
R1
Для уменьшения влияния входных токов ОУ на выходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резистор, номинал которого рассчитывается по формуле:
R1 * Ros
R3 = R1||Ros = –––––––––;
R1 + Ros
Выходное сопротивление усилителя, охваченного обратной связью равно:
Rвых
Rвых ос = ---------------------
R1
1 + K -----------
R1 + Ros
Контрольные вопросы :
1 Какие ОУ частного применения вы знаете?
2 Для чего предназначен инвертирующий усилитель?
3 Какую функцию выполняет неинвертирующий усилитель?
4 Как осуществляется сложение двух или более входных сигналов, и какой усилитель позволяет осуществить эту операцию?
5 Поясните назначение и принцип действия вычитающего ОУ.
Виды контроля (Оценка):
Лабраторные работы оцениваются следующим образом:
оценка «5» ставится, если:
- работа выполнена самостоятельно в объеме 100 % и получен верный ответ или иное требуемое представление результата работы;
- нет нарушений в оформлении работы;
- правильно выполнено свыше 95 % работы.
- правильно даны ответы на вопросы допуска и контрольные вопросы
оценка «4» ставится, если:
- работа выполнена самостоятельно в объеме 100 % (допускаются небольшие математические ошибки, не влияющие на конечный результат;
- незначительные нарушения в оформлении практической работы, исправления;
- правильно выполнено свыше 85 % работы;
- правильно даны ответы на вопросы допуска и контрольные вопросы (допускается 1-2 не точности в ответах)
оценка «3» ставится, если:
- работа выполнена в объеме 100 %, но допущены ошибки, приводящие к неверному конечному результату.
- правильно даны ответы на вопросы допуска и контрольные вопросы (допускается 1-2 не точности в ответах)
оценка «2» ставится, если:
- допущены существенные ошибки, показавшие, что студент не владеет обязательными знаниями, умениями, необходимыми для выполнения работы, или значительная часть работы выполнена не самостоятельно;
- грубые нарушения в оформлении практической работы;
- даны ответы не на все вопросы допуска и контрольные вопросы
Лабораторная работа №12
«Исследование схемы ОУ с частотно-зависимой ОС»
Продолжительность проведения – 2 часа
Дата: 2019-02-25, просмотров: 287.
