Практическая работа №2 Анализ усилительного каскада на операционном усилителе

Цель работы: выполнить расчет усилительного каскада на операционном усилителе.

Задания для выполнения:

1. Определить коэффициент усиления по напряжению на средних частотах.

2. Определить входное R_вх и выходное R_вых сопротивления.

3. Оценить полосу пропускания на уровне 3 дБ.

4. Оценить возможную ошибку смещения нуля и дрейф нулевого уровня на выходе операционного усилителя в диапазоне температур (20…50) °С.

Характеристики и параметры операционного усилителя приведены на рисунке 2.2.1.

Рисунок 2.2.1 Характеристики ОУ

- r_вх=100кОм – входное сопротивление;

- r_вых=100кОм - выходное сопротивление;

- U_см≤5мВ – напряжение смеещения;

- δU_см≤50 мкВ/К – дрейф напряжения смещения;

- I_вх ≤ 5мкА – входной ток;

- ∆ I_вх ≤ 1мкА – разность входных токов;

- δI_вх≤50 нА/К – дрейф входного тока;

- δI_вх≤10 нА/К – дрейф разности входных токов;

- r_cф=100 Мом – входное сопротивление для синфазного сигнала.

Варианты для выполнения практических заданий

Пример выполнения практической работы №2

Вариант анализируемой схемы усилителя приведен на рисунке 2.2.2, здесь входной сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Конденсатор С1 влияет на перадачу в схеме на выход постоянной и переменной составляющих Uвх с разными коэффициентами усиления.

Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе R₂ и поданную на инвертирующий вход.

Полное входное сопротивление всей схемы оказывается высоким, так как единственным путем для тока между входом и землей является высокое полное входное сопротивление операционного усилителя.

С выхода усилителя

Рисунок 2.2.2 – Схема анализируемого усилителя

1) Схема является повторителем напряжения на постоянном токе, а переменная составляющая Uвх для неинвертирующего операционного усилителя усиливается в .

2) Входное сопротивление каскада определяется по формуле , где - глубина отрицательной обратной связи;

β– коэффициент передачи по цепи обратной связи;

Коэффициент усиления без ОС(K₀)–коэффициент усиления разностного сигнала ОУ в отсутствии ООС и соответствует максимальному значению на АЧХ.

Находится из соотношения

K₀, дБ = 20lg K₀

K0	1	10	100	1000	10000	100000
K0, дБ	0	20	40	60	80	100

.

.

3) Нижняя рабочая частота при М_н = 3 дБ

Верхняя рабочая частота при Мв = 3 дБ

, где f1 = 1 МГц – частота единичного усиления.

4) Ошибка смещения нуля .

Выражение можно упростить.т.к. R₃=R₂

Дрейф выходного напряжения

Практическая работа №3 Решение задач по усилителям

Примеры решения задач

1. Определите коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, а также новые значения нижней f´_н и верхней f^´_в граничных частот и полосу пропускания усилителя, при условии, что коэффициент усиления RС – усилителя на средних частотах К_ср = 100, а нижняя граничная частота полосы пропускания равна f_н=200 Гц, верхняя f_в = 30 кГц. К усилителю подключена цепочка отрицательной обратной связи с β=0,1.

Решение

1. Нижняя частота усилителя с отрицательной обратной связью определяется по формуле:

2. Верхняя частота усилителя с отрицательной обратной связью определяется по формуле:

3 Полоса пропускания усилителя определяется по формуле:

4 Коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью определяется по формуле

Ответ: Коэффициент усилителя с отрицательной обратной связью К_оос = 9, полоса пропускания усилителя отрицательной обратной связи ∆F= 332982 Гц, f^´´_в = 330 кГц, f^´´_н = 18 Гц.

2. Во сколько раз уменьшается коэффициент усиления усилителя К_u=200, если охватить усилитель последовательной ООС по напряжению в виде четырехполюсника R₁= 1 кОм и R₂=19 кОм, приведенного на рисунке 2.3.1.

-

Рисунок 2.3.1 – Усилитель с последовательной ООС по напряжению

Решение

1 Коэффициент передачи четырехполюсника определяется по формуле

2 Коэффициент усиления усилителя с последовательной ООС по напряжению определяется по формуле

3 Используя формулу, приведенную ниже, определить, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления усилителя с обратной связью

Ответ: Коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью уменьшается в 11 раз

3. Определить коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи на рисунке 2.3.1, чтобы нелинейные искажения составляли 1%, если изначально нелинейные искажения на выходе усилителя напряжения Кu = 500 составляет К_г = 11%? Какова будет верхняя граничная частота полосы пропускания, если без ООС она была равна 8 кГц ?

Решение:

1 Коэффициент передачи усилителя с отрицательной обратной связью определяется по формуле

2 Верхняя граничная частота усилителя с отрицательной обратной связью

Ответ: Коэффициент передачи усилителя с отрицательной обратной связью равен 0,02, верхняя граничная частота усилителя равна 88 кГц.

Задачи для самостоятельного решения.

1. Чему равно входное напряжение U_вх, необходимое для получения выходного напряжения U_вых = 25 В в схеме усилителя на рисунке 2.3.1, если коэффициент усиления усилителя без ОС К=200, а сопротивления резисторов в цепи обратной связи R₁=10 кОм, R₂=0,5 кОм?

2. Чему равно выходное напряжение и коэффициент усиления усилителя с последовательной обратной связью на рисунке 2.3.1, если на вход усилителя одновременно с входным сигналом U_BX=0,2В поступает напряжение обратной связи U_oc=0,lВ, действующее в противофазе с входным, а коэффициент усиления усилителя без обратной связи К_u=10?

3. Какой по величине необходимо подать сигнал на вход усилителя, охваченного отрицательной обратной связью с β=0,05, для того, чтобы получить на выходе усилителя сигнал U_вых=2 В, если К_u=10?

4. Чему равно напряжение обратной связи U_ос, если при подключении последовательной отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи β=0,2 на рисунке 2.4.1 выходное напряжение усилителя стало равным 2 В?

5. Определить напряжение обратной связи U_oc, если при подключении цепи отрицательной последовательной обратной связи коэффициент усиления усилителя (К_u= 10) уменьшился в два раза, а выходное напряжение стало равным 3 В.

6. Определить входной ток I_вх, входное напряжение U_BX и коэффициент усиления К_осусилителя (рисунок 2.4.1), работающего от генератора напряжения Е_г=0,6 В с внутренним сопротивлением R_г=0,5 кОм. Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя без обратной связи К_u=100, R_вх=0,5 кОм. Выходное напряжение U_вх = 10 В.

7. Для каскада усилителя, охваченного ООС (рисунок 2.3.1), определить значения:

а) U, U_oc и К_ос если U_вх=0,16В, К_u=30, U_выX= 1,2 В;

б) U_BX, U_ocи К_ос, если К_u=40, β=0,02, U_вых=5 В;

в) U_вых, U, U_0с и К_ос ,если U_вх=5В, К_u=20, β=1. Вывести расчетные формулы .

8. Чему равны U_BbIX, U, U_ос и К_ос, если К_u=60, β=0,07, если на вход каскада усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, на рисунк е2.4.1, поступает сигнал U_BX=1 В?

9. Абсолютное изменение коэффициента усиления усилителя с К_u=100 составляет ±10%. Определить, с каким коэффициентом передачи необходимо подключить цепь отрицательной обратной связи, чтобы изменения коэффициента усиления К_ос не превышало 1% ; рассчитать также значение Кос после подключения цепи отрицательной обратной связи.

Примечание: нужно воспользоваться формулой

10. Определить входное и выходное сопротивления трехкаскадного усилителя, охваченного цепью последовательной ООС по напряжению с коэффициентом передачи β =0,01. Коэффициент усиления каскадов K_u1 = 12, К_u2 =8, К_u3 =5. Входное и выходное сопротивления усилителя без обратной связи R_вх = 500 Ом,R_вых = 58 Ом.

Примечание: Следует воспользоваться формулами .