Лабораторна робота № 6 дослідження електронних пристроїв на операційних підсилювачах

Мета роботи

Дослідити неінвертуючий масштабний, вибірний підсилювачі та LC- генератор на основі операційних підсилювачів.

Основні теоретичні відомості

Підсилювачі - це електронні пристрої для підсилення слабких електричних сигналів (струмів, напруг, потужностей). Операційні підсилювачі (ОП), які використовують при розробці електронних пристроїв виготовляють за інтегральною технологією. Це підсилювачі постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення за напругою (10⁶ ÷ 10⁷). ОП мають також великий вхідний і малий вихідний опори, нульові потенціали на вхідних і вихідних клемах при відсутності вхідних сигналів. Смуга пропускання ОП поширюється від постійного струму до десятків - сотень мегагерц. На їх основі, охопивши відповідними зворотними зв’язками, можна створювати пристрої, які виконують різні операції над вхідними сигналами (підсилення, додавання, віднімання, диференціювання, інтегрування та ін.), а також підсилювачі різного призначення, генератори електричних коливань, детектори. Наявність глибокого від’ємного зворотного зв’язку в пристроях з ОП забезпечує високу стабільність їх характеристик.

Зображення ОП на принципових схемах приведені на рисунку 6.1. ОП має два входи і один спільний вихід. Один із входів (В_Х1) називається інвертуючим і позначається знаком ” мінус ” ( рисунок 6.1, а ), або колом ( рисунок 6.1, б ). Другий вхід (В_Х2) називається неінвертуючим. Він позначається знаком ”плюс” (рисунок 6.1, а), або спеціально не позначається (рисунок 6.1, б).

а)

б)

Рисунок 6.1 – Зображення ОП на принципових схемах

Для забезпечення роботи ОП потрібно два джерела живлення Е_Ж1 і Е_Ж2 різної полярності, які ввімкнені симетрично відносно спільного проводу (_┴). При подачі на інвертуючий вхід сигналу, наприклад, додатнього імпульсу, на виході отримують від’ємний імпульс. Сигнал, який поступає на неінвертуючий вхід, на виході буде без зміни полярності.

Розглянемо деякі схеми електронних пристроїв, робота яких базується на використанні ОП.

Масштабний підсилювач використовується для підсилення в задану кількість разів як змінних, так і постійних електричних сигналів. Схема інвертуючого масштабного підсилювача зображена на рисунку 6.2. В цій схемі неінвертуючий вхід заземлений, підсилювальний сигнал U_вх подається на інвертуючий вхід через резистор R₁. Через резистор R₂ реалізується паралельний відיємний зворотний звיязок за напругою з виходу ОП на його інвертуючий вхід.

Рисунок 6.2 – Схема інвертуючого масштабного підсилювача

Неінвертуючий масштабний підсилювач ( рисунок 6.3.) виконує такі ж самі функції, як і інвертуючий, але фази вхідного та вихідного сигналів співпадають. В цьому підсилювачі використовується послідовний відיємий зворотний зв’язок за напругою. Частина вихідної напруги (напруга зворотнього звיязку U_зз ), яка знімається з резистора R₂, подається на інвертуючий вхід ОП. Вхідний сигнал подається на неінвертуючий вхід відносно спільного проводу.

Рисунок 6.3 – Схема неінвертуючого масштабного підсилювача

Коефіцієнт підсилення К масштабного інвертуючого операційного підсилювача

.

(6.1)

Знак “ мінус ” вказує на те, що вихідний сигнал інвертований до вхідного.

Для неінвертуючого підсилювача коефіцієнт підсилення

.

(6.2)

Якщо R₂ = 0, тоді К = 1. в цьому випадку отримаємо так званий повторювач напруги.

При використанні у схемах, приведених на рисунках 6.2 і 6.3, замість резистора R₂ паралельного коливного контуру отримаємо вибірний підсилювач. В ньому відбувається підсилення електричних сигналів тільки в області частот близьких до резонансної частоти ω₀ коливного контуру (рисунок 6.4, а). Це пов’язане з тим, що на резонансній частоті опір паралельного коливного контуру, що замінює у виразах (6.1), (6.2) опір резистора R₂, максимальний, а отже, коефіцієнт підсилення підсилювача також буде мати максимальне значення. При відхиленні частоти підсилювального сигналу від резонансної опір коливного контуру, а отже, коефіцієнт підсилення підсилювача зменшується. Залежність коефіцієнта підсилення вибірного підсилювача від частоти (амплітудно - частотна характеристика) зображена на рисунку 6.4, б.

a)

б)

Рисунок 6.4 – Схема вибірного підсилювача (а) та його амплітудно - частотна характеристика (б)

Якщо ОП охопити частотно - залежним додатним зворотним зв’язком, тоді отримують генератор синусоїдних коливань. В схемі, що приведена на рисунку 6.5, коло додатного зворотного зв’язку включає резистор R₃ і паралельний коливний контур. На резонансній частоті ω₀ = 1 / опір коливного контуру максимальний і має суто активний характер. Тому на частоті ω₀ виникнуть коливання і коефіцієнт зворотного зв’язку буде максимальним. Для стабілізації режиму роботи генератора вводять додаткове коло від’ємного зворотного зв’язку (резистори R₁ і R₂), наявність якого дозволяє отримати близьку до синусоїди форму вихідної напруги.

Порядок виконання роботи

1 Дослідити неінвертуючий масштабний підсилювач.

Зібрати схему підсилювача згідно з рисунком 6.6. До входу підיєднати звуковий генератор (ЗГ), а до виходу – електронний осцилограф (ЕО).

Рисунок 6.5 – Схема генератора синусоїдних коливань

Вхідну напругу встановити 30 мВ з частотою сигналу 1000 Гц. Коефіцієнт підсилення К визначити як відношення амплітуд вихідної та вхідної напруг, які вимірюються з допомогою осцилографа та електронного вольтметра. Дослідження провести при різних значеннях опору R₂ на виході ОП.

Рисунок 6.6 – Схема масштабного підсилювача

Отримані результати записати в таблицю 6.1 і порівняти з теоретичними значеннями коефіцієнта підсилення К_Т, які вираховуються за формулою (6.2).

Таблиця 6.1 - Результати досліджень

f _вх = 1000 Гц U_вх = 30 мВ

R2, кОм	10	100	200	380
Uвих, мВ
К
КТ

2 Дослідити вибірний підсилювач.

Зібрати схему вибірного підсилювача згідно з рисунком 6.7. В коло зворотного зв’язку ввімкнути паралельний LC – контур. До входу схеми підיєднати звуковий генератор (ЗГ) і подати напругу 30 мВ, а до виходу підיєднати осцилограф (ЕО). Плавно збільшуючи частоту генератора від 1кГц, отримати максимальну величину вихідного сигналу, що буде відповідати налаштуванню підсилювача на резонансну частоту f_0.

Визначити коефіцієнт підсилення підсилювача на резонансній частоті. Далі, змінюючи плавно частоту генератора вище і нижче від резонансної частоти, визначити граничні частоти смуги пропускання підсилювача f₁ і f₂ (рисунок 6.4, б), на яких амплітуда вихідного сигналу складає 1/ ≈ 0,707 від амплітуди при резонансній частоті f₀.

Рисунок 6.7 – Схема вибірного підсилювача

Визначити добротність підсилювача ( коливного контуру):

Q = = .

(6.3)

Результати дослідів і розрахунків записати в таблицю 6.2

Таблиця 6.2 - Результати досліджень

f, кГц	Uвих, мВ	Q
f 0
f1
f2

3 Дослідити LC – генератор.

Зібрати схему для дослідження LC – генератора (рисунок 6.8).

В схемі є два види зворотних зв’язків – додатний (з резистора R₂ і коливного контуру на неінвертуючий вхід) і від’ємний (з резистора R₃ на інвертуючий вхід). Після підיєднання схеми до джерела живлення в ній встановляться коливання, які можна спостерігати на екрані осцилографа.

Використовуючи калібровку розгортки осцилографа за тривалістю, визначити період і частоту коливань генератора.

Спостерігати зміни форми генерованих коливань при вимиканні кола від’ємного зворотного зв’язку. Зобразити осцилограми генерованих коливань.

Рисунок 6.8 – Схема дослідження LC – генератора

Обробка результатів досліджень

1 Для неінвертуючого масштабного підсилювача при частоті 1000 Гц вирахувати значення його коефіцієнта підсилення при різних значеннях опору резистора R₂ і порівняти отримані результати з теоретичними.

2 Для вибірного підсилювача за отриманими даними вирахувати смугу пропускання, резонансу частоту і добротність коливного контуру.

3 Для генератора синусоїдних коливань визначити частоту генерації. привести форму вихідної напруги при ввімкненому та вимкненому колі зворотного зв’язку.

Контрольні запитання

1.Який підсилювач називається операційним?

2.Як зображають ОП на принципових схемах?

3.Приведіть схему інвертуючого масштабного операційного підсилювача.

4.Як визначається коефіцієнт підсилення інвертуючого ОП?

5.Приведіть схему неінвертуючого масштабного ОП?

6.Як визначається коефіцієнт підсилення неінвертуючого ОП?

7.Приведіть амплітудно-частотну характеристику вибірного підсилювача.

8.Як визначається добротність контуру вибірного підсилювача?

9.При яких умовах можна отримати на основі ОП генератор синусоїдних коливань?

10.Як визначають резонансну частоту коливного контуру?

Перелік рекомендованих джерел

1 Будіщев М.С. Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка. – Львів: Афіша, 2001. – 424 с.

2 Основы промышленной электроники. / Под ред. В.Г.Герасимова. -М.: Висшая школа, 1986. –334 с.

3 Пантюшин В.С. Сборник задач по электротехнике. - М.: 1973 .

4 Герасимов В.Г., Князьков О.М. и др. Основы промышленной электроники: Учебник для вузов. – М.: Высш. школа, 1978. – 336 с.

5 Сборник задач по электротехнике и основам электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1987. –260 с.

75