Электроника_-_Методички_на_2013_год / 2013 - ELECTRONIKA_LINEAR_LABS_METODA_KAF41_5217

11

K U = UBЫХ =1 + R OC − .

UBХ R −

Амплитудная характеристика масштабного усилителя в неинвертирующем включении выражается соответственно как

		R OC −
UBЫХ = 1	+		UBХ.	(1.2)
		R −

Рис. 1.3. Схема масштабного усилителя в неинвертирующем включении ОУ.

В общем случае, вместо R− и RОС− в схемах масштабных усилителей включают сложные цепи из сопротивлений и реактивных элементов (конденсаторы и индуктивности), тогда в выражение (1.1) следует подставлять соответствующие комплексные сопротивления Z−(jω) и ZОС−(jω) и оперировать формулой для комплексной частотной передаточной характеристики устройства:

W(jω) = − ZOC − (jω),

Z− (jω)

Нужно заметить, что полоса рабочих частот масштабного усилителя на базе

ОУ зависит не только от вида Z−(jω) и ZОС−(jω), но и от свойств самого ОУ. Даже когда в качестве внешних элементов используются активные сопротивления, и

теоретически для идеального ОУ коэффициент усиления не зависит от частоты сигнала (A(ω)=Const), полоса частот реального масштабного усилителя всегда будет ограничена сверху. Причём частотный диапазон масштабного усилителя на ОУ получается тем уже, чем больше значение его коэффициента усиления KU.

В интегрирующем усилителе, который представляет собой масштабный усилитель на ОУ в инвертирующем включении с комплексными сопротивлениями Z−(jω)=R− и ZОС−(jω)=1/jωCОС− (см. рис. 1.4), частотная передаточная характеристика имеет вид

Wi (ω) = −	1	,
	jω R −COC −

12

т. е. для спектров входного и выходного сигналов SBX(jω) и SВЫХ(jω) справедливо соотношение:

SBЫX (jω) = SBX (jω) Wi	(jω) = −	SBX	(jω)
				.
		jω R −COC −

При переходе в область временного описания сигналов посредством обратного преобразования Фурье, происхождение названия рассматриваемого устройства становится очевидным:

	UBЫX (t ) = −	1	t	(τ)dτ.
			∫ UBX
		R −COC − −∞

Рис. 1.4. Схема интегрирующего усилителя на основе ОУ.

Коэффициент пропорциональности между выходным сигналом и интегралом входного сигнала Ki = 1/R−CОС− имеет размерность 1/сек.

Теоретическое выражение для амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), полученное по общей формуле A(ω)=|W(jω)| для интегрирующего усилителя на ОУ приводится к виду

Ai (ω) =	1	,
	ω R −COC −

или для циклической частоты f, измеряемой в герцах,

Ai (f ) =	1	.	(1.3)
	2πf R −COC −

В данной работе зависимость (1.3) исследуется экспериментально.

1.2. Описание лабораторной установки

Электрическая принципиальная схема лабораторного макета приведена на рис. 1.5. Конфигурация исследуемой схемы на основе ОУ К140УД1408 (DA1) задается переключателями S1 – S5: S1 позволяет задавать инвертирующее либо

13

неинвертирующее включение ОУ; переключатель S2 определяет вид цепи обратной связи ZОС−(jω); переключателем S3 можно выбирать тип частотной коррекции ОУ (простая коррекция осуществляется подключением конденсатора C1 между выводами 1 и 8 микросхемы DA1, сложная схема коррекции включает, помимо C1, еще цепь R7 – C4); переключатель S4 управляет подключением резистивного делителя напряжения R8 – R9 в цепи обратной связи ОУ, S5 позволяет задавать различные сопротивления нагрузки.

Рис. 1.5. Схема лабораторного макета.

Номинальные значения элементов схемы: R1=R2=10 кОм, R3=22 кОм,

R4=100 кОм, R7=3 кОм, R8=R9=10 кОм, R10=510 Ом, R11=1 кОм, R12=5.1 кОм; C1=510 пФ, С4=10 пФ, СОС=0.1 мкФ; LОС=360 мкГн.

В разных сочетаниях S1, S2 и S3 на лабораторном макете можно создавать следующие схемы:

-масштабного усилителя на основе ОУ в инвертирующем включении;

-масштабного усилителя на основе ОУ в неинвертирующем включении;

-интегрирующего усилителя;

-фильтра высоких частот.

Для проведения экспериментов используются широкодиапазонный генератор сигналов, вольтметры переменного тока B3-38 и осциллограф.

14

1.3. Порядок выполнения работы

1.Согласовать с преподавателем программу исследований.

2.Включить лабораторную установку и измерительные приборы.

3.Подготовить лабораторную установку к работе, выполнив следующее:

-к клеммам Х1-Х2 макета подключить выход генератора сигналов и вольтметр;

-к клеммам Х3-Х4 подключить осциллограф и второй вольтметр;

-переключатели установить следующим образом: S3 в I, S4 в II, S5 в 3;

-установить на генераторе сигналов режим гармонических колебаний.

4. Снять амплитудную характеристику масштабного усилителя на базе ОУ К140УД1408 в различных схемах включения.

Для этого установить на генераторе сигналов минимальный уровень сигнала и заданное преподавателем в протоколе результатов измерений значение частоты входного сигнала fВХ (если не задано, то установить fВХ = 100 Гц).

Далее, последовательно задавая переключателями S1 и S2 различные конфигурации исследуемой схемы:

а) масштабный усилитель на основе ОУ в инвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=22 кОм (S1 в положении I, S2 в положении 1);

б) масштабный усилитель на основе ОУ в инвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=100 кОм (S1 в положении I, S2 в положении 2);

в) масштабный усилитель на основе ОУ в неинвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=22 кОм (S1 в положении II, S2 в положении 1),

исследовать амплитудную характеристику каждого из устройств. Для этого, следует, изменяя уровень входного напряжения UВХ в диапазоне от 2 мВ до 5 В, измерять напряжение сигнала на выходе UВЫХ. Для измерения UВХ и UВЫХ используются вольтметры B3-38. Результаты измерений заносить в протокол, заполняя ячейки таблицы П1.1.

Форму выходного сигнала следует контролировать по осциллографу и при появлении нелинейных искажений (любые заметные отличия формы сигнала от гармонической функции, например, как показано на рис. 1) нужно обязательно делать пометки в протоколе возле соответствующих значений UВЫХ.

5. Исследовать амплитудно-частотную характеристику масштабного усилителя на базе ОУ К140УД1408 в различных схемах включения.

Установить на генераторе сигналов входное напряжение на середине линейного участка амплитудной характеристики (приблизительно равное половине того значения максимального входного напряжения, при котором ни в одной из исследованных в п. 4 схем не были замечены нелинейные искажения выходного сигнала).

Далее, последовательно задавая переключателями S1, S2 и S3 различные конфигурации исследуемой схемы:

а) масштабный усилитель на основе ОУ в инвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=22 кОм и простой цепью частотной коррекции ОУ (S1 в положении I, S2 в положении 1, S3 в положении I);

15

б) масштабный усилитель на основе ОУ в инвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=22 кОм и сложной цепью частотной коррекции ОУ (S1 в положении I, S2 в положении 1, S3 в положении II);

в) масштабный усилитель на основе ОУ в инвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=100 кОм и простой цепью частотной коррекции ОУ (S1 в положении I, S2 в положении 2, S3 в положении I);

в) масштабный усилитель на основе ОУ в инвертирующем включении с R−=10 кОм и RОС−=100 кОм и сложной цепью частотной коррекции ОУ (S1 в положении I, S2 в положении 2, S3 в положении II),

исследовать амплитудно-частотную характеристику каждого из устройств. Для этого, следует, изменяя частоту входного сигнала fВХ в диапазоне от минимального до максимального значения (в соответствии с возможностями используемого генератора гармонических сигналов), измерять напряжение сигнала на выходе UВЫХ. Значение UВХ следует поддерживать постоянным для каждого устанавливаемого на генераторе значения частоты fВХ. Для контроля UВХ и измерения UВЫХ используются вольтметры B3-38. Результаты измерений заносить в протокол, заполняя столбцы таблицы П1.2, кроме последнего.

6.Исследовать амплитудно-частотную характеристику интегрирующего усилителя на базе ОУ К140УД1408.

Собрать интегрирующий усилитель на ОУ, установив переключатели следующим образом: S1 в положение I, S2 в положение 3, S3 в положение I.

Далее, задавая значения частоты входного сигнала fВХ, приведенные в табл. П1.2, измерять напряжение сигнала на выходе (UВЫХ) и заполнять последний столбец таблицы П1.2. Значение UВХ следует установить таким же, как и в п. 5, и поддерживать его постоянным для каждого устанавливаемого на генераторе сигналов значения частоты fВХ.

7.По окончании работы и/или за 3...4 минуты до конца занятия выключить измерительные приборы, лабораторный макет и подписать протокол измерений у преподавателя.

1.4. Содержание отчета

В отчете по работе должны быть приведены:

1.Формулировка цели работы.

2.Схемы исследуемых устройств (масштабного и интегрирующего усилителей) и комментарии к ним.

3.Таблицы проделанных экспериментальных измерений, данные теоретических расчетов, комментарии к ним.

Таблицу П1.2 из протокола в отчете для каждой схемы включения следует дополнить столбцами с расчетными значениями коэффициента усиления в

децибелах (по формуле KU dB=20 Lg(UВЫХ/UВХ) ), для каждого значения частоты, т. е. привести данные в формате таблицы 1.1 (чтобы не нарушать правильный порядок нумерации, при оформлении отчета следует придерживаться изначально

принятой в нём нумерации таблиц).

16

4. Графики экспериментальных и теоретических зависимостей:

-амплитудные характеристики зависимости UВЫХ от UВХ (по данным табл. П1.1) пара характеристик: экспериментальная и теоретическая на одном графике для каждого масштабного усилителя по отдельности (по обеим осям следует использовать логарифмический масштаб); для масштабного усилителя на основе ОУ в неинвертирующем включении теоретическую характеристику следует строить по формуле (1.2), а для

усилителя на ОУ в инвертирующем

включении по

формуле “ без

знака”,

т.е.

UBЫХ

=

R OC −

UBХ; теоретические

графики

представляют

R −

собой прямые линии и каждую из них можно построить всего по двум

точкам.

Таблица 1.1

вид ОС

RОС−=22 кОм

RОС−=100 кОм

СОС−=

мкФ

коррекция

простая

сложная

...

...

простая

f, Гц

UВЫХ, В

KU dB

UВЫХ, В

KU dB

...

...

...

...

UВЫХ, В

KUi dB

10

20

...

...

2 105

Примечание: R+=

кОм, R−=

кОм.

-графики АЧХ (зависимости KU dB от f) для всех четырех исследованных схем масштабного усилителя на одном графике в полулогарифмическом масштабе (логарифмический масштаб использовать по оси частот);

-графики АЧХ для интегрирующего усилителя: 1) экспериментальная (по

данным KUi dB) и 2) теоретическая (по формуле 20 Lg(Ai(f)), где Ai(f) рассчитывается по (1.3)) обе зависимости на одном графике, в

полулогарифмическом масштабе (логарифмический масштаб использовать по оси частот).

5. Выводы по результатам работы (в письменной форме), в которых следует отразить соответствие теоретических и опытных результатов и проанализировать возможные причины их расхождения, особо отметив те, которые обусловлены неидеальностью используемого операционного усилителя. В частности:

-какова степень соответствия теоретических и экспериментально полученных амплитудных характеристик масштабных усилителей на ОУ, каков динамический диапазон выходного напряжения ОУ;

-насколько велик выигрыш в полосе рабочих частот за счёт использования сложной частотной коррекции вместо простой;

-действительно ли полоса частот масштабного усилителя на ОУ оказывается тем уже, чем больше задан коэффициент усиления;

17

-соответствует ли теоретическая АЧХ интегрирующего усилителя экспериментальной, а если не соответствует, то в чём заключаются эти

отличия и какова их возможная причина.

6. К отчету должен прилагаться оригинал протокола измерений, подписанный преподавателем.

1.5.Контрольные вопросы

1.Какое устройство называют операционным усилителем, чем отличается ОУ от других усилителей?

2.Каким требованиям должен удовлетворять идеальный операционный усилитель и почему?

3.Поясните свойство виртуального нуля ОУ на конкретном примере масштабного усилителя.

4.Перечислите каскады типовой структуры ОУ и сформулируйте требования, которые к ним предъявляются.

5.В частности, как проявляется отличие собственного коэффициента усиления от бесконечности в работе масштабного усилителя?

6.Как сказывается конечное значение входного сопротивления реального ОУ на значении коэффициента усиления масштабного усилителя?

7.Изобразите схему масштабного усилителя. Дайте вывод формулы для его коэффициента усиления.

8.Какими еще параметрами (помимо RВХ, RВЫХ и К0) характеризуется ОУ?

9.Изобразите схему суммирующего усилителя. Выведите выражение, связывающее напряжения на входах с напряжением на выходе.

10.Изобразите схему интегрирующего усилителя на ОУ и выведите выражение для его частотной передаточной характеристики.

11.Какие требования предъявляются к частотным свойствам ОУ?

12.Какой фактор ограничивает максимально допустимые значения номиналов сопротивлений в схеме масштабного усилителя?

13.Какой фактор ограничивает минимально допустимые значения номиналов сопротивлений в схеме масштабного усилителя?

14.Почему значение сопротивления R+ не влияет на коэффициент усиления схем масштабных усилителей?

15.С какой целью в схемы масштабных усилителей вводят сопротивление в цепи неинвертирующего входа (R+)?

16.Поясните смысл термина "частотная коррекция" применительно к ОУ. 17.Выведите формулу для АЧХ схемы на ОУ в инвертирующем включении, когда

в цепи отрицательной обратной связи включена индуктивность.

Библиографический список

1.ДаниловА.А. Прецизионные усилители низкой частоты. М.: Горячая Линия Телеком, 2004. 352 с.

2.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учеб. для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия Телеком, 2005. 768 с.

18

3.	ГальперинМ.В. Электронная техника: Учебник. М.: Форум, Инфра-М,
2003. 303 с.
4.	Степаненко И.П. Основы	микроэлектроники: Учеб.			пособие. М.:
Лаборатория Базовых Знаний, СПб. 2001. 488 с.
5.	Пейтон А.Дж., ВолшВ.	Аналоговая	электроника	на	операционных
усилителях: Пер. с англ. М.: Бином, 1994. 352 с.
6.	Сопряжение датчиков и	устройств	ввода данных	с	компьютерами

IBM PC: Пер. с англ. / Под ред. У. Томпкинса, Дж. Уэбстера. М.: Мир, 1992.

7.Инструментальные усилители. // Компоненты и технологии. 2003, №5.

8.Отечественные быстродействующие ОУ с ОС по току и напряжению.

//Схемотехника. 2006, №1. C. 2 - 3.

9.Высоковольтные rail-to-rail операционные усилители фирмы

Maxim/Dallas. // Схемотехника. 2004, №9. C. 6 - 7.

10.Операционные усилители производственной линейки Burr-Brown от TI.

//Схемотехника. 2004, №7, №8.

19

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 (макет №11)

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Цель работы: практическое исследование свойств низкочастотного избирательного усилителя на основе операционного усилителя с двойным Т- образным фильтром в цепи обратной связи.

2.1. Методические указания по подготовке к работе

В технике нередко требуется осуществить частотную селекцию сигналов, с тем, чтобы заданным образом изменить амплитудные и фазовые соотношения между частотными составляющими спектра исходного сигнала. Устройства такого типа называют фильтрами, а если они обеспечивают помимо частотной фильтрации еще и усиление сигналов, то избирательными усилителями (или активными фильтрами).

Существует 4 функциональных разновидности фильтров, отличающихся видом амплитудно-частотной характеристики (АЧХ):

1)фильтр нижних частот (ФНЧ) пропускает на выход сигналы с частотами

от нуля (постоянная составляющая сигнала) до заданной граничной частоты fВ (называемой частотой среза ФНЧ), все остальные частотные составляющие входного сигнала данный фильтр должен подавлять;

2)фильтр верхних частот (ФВЧ) пропускает на выход сигналы с частотами

от заданной граничной частоты fН (называемой частотой среза ФВЧ) до бесконечности (условно), частотные составляющие от 0 до fН фильтр подавляет;

3)полосовой фильтр (ПФ) пропускает на выход все спектральные

компоненты сигнала только в пределах заданного диапазона частот от fН до fВ (нижняя и верхняя частоты среза ПФ), подавляя все остальные;

4)режекторный (иногда его называют заградительным) фильтр (РФ) подавляет все спектральные компоненты сигнала в пределах заданного диапазона

частот от fН до fВ, все остальные пропускает на выход.

Некоторые варианты применения полосовых усилителей приведены в табл. 2.1.

	Таблица 2.1
Тип	Пример применения
ФНЧ	Сглаживание звукового сигнала на выходе цифроаналогового
	преобразователя цифровых мультимедиа-проигрывателей
ФВЧ	Удаление постоянной составляющей сигнала в электронных
	измерительных приборах переменного тока
ПФ	Каналы эквалайзеров в звуковоспроизводящей аппаратуре
РФ	Устранение помехи, сосредоточенной на определенной частоте (чаще
	всего т. н. “ фона переменного тока” от электрической сети 50 Гц)

Один из возможных путей построения избирательного усилителя является схема, в которой широкополосный операционный усилитель (ОУ) охватывается частотно-зависимой отрицательной обратной связью, как изображено на рис. 2.1.

20

В данной лабораторной работе исследуется полосовой избирательный усилитель (т. е., активный ПФ), усиливающий сигналы только в пределах заданного диапазона частот. В качестве четырехполюсника обратной связи с частотной передаточной характеристикой βОС(jω) в лабораторном макете используется двойной Т-образный мост, схема которого приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.1. Схема избирательного	Рис. 2.2. Схема двойного Т-образного
усилителя на ОУ.	моста.

2Т-мост является полосовым режекторным фильтром, т. е. не пропускает сигналы со своего входа на выход в заданном диапазоне частот. У 2T-моста существует т. н. частота квазирезонанса ω0, на которой модуль частотной передаточной характеристики теоретически равен нулю и сигнал на данной частоте вообще не проходит на выход. На практике эффект полного подавления недостижим, но, тем не менее, можно полагать |βОС(jω0)|≈0.

Работу 2T-моста кратко можно объяснить следующим образом. По сути, он состоит из двух Т-образных звеньев. Одно образовано конденсаторами C1, С2 и резистором R3 (по структуре оно соответствует звену дифференцирующего типа), а второе состоит из резисторов R1, R2 и конденсатора С3 (звено интегрирующего типа). Напряжение на выходе каждого из указанных звеньев, взятое в отдельности, сдвинуто по фазе относительно входного напряжения. Напряжение на выходе звена С1-R3-C2 опережает входное напряжение, а на выходе звена R1- C3-R2 отстает от входного напряжения. На выходе этих звеньев при определенных соотношениях номиналов сопротивлений и емкостей на некоторой частоте ω0 можно получить близкие по амплитуде и противоположные по фазе выходные напряжения. В результате при параллельном соединении выходов звеньев результирующее напряжение на выходе двойного Т-образного моста оказывается минимальным (теоретически нулевым).

Наиболее часто при построении избирательных усилителей применяются симметричные двойные Т-образные мосты, у которых C1=С2=С, СЗ=2С, R1=R2=R, R3=R/2. Частотная передаточная характеристика 2Т-моста в случае, когда источник входного сигнала обладает нулевым внутренним сопротивлением, и мост не нагружен, определяется выражением:

βOC	(jω) =			1 − (ω RC)2	.	(2.1)
			+ 4	jω RC − (ω RC)2
	1