Лабораторные работы_рус РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Таким образом, выходной сигнал в рассматриваемой схеме представляет собой разность сигналов, действующих на ее входах.

2.1.3.Неинвертирующий усилитель

На этой схеме входной сигнал уже подается на прямой вход ОУ, а напряжение обратной связи на инвертирующий вход.

Рис.3. Неинвертирующий усилитель.

Это напряжение обратной связи относительно земли

U- = Uвых,

где = R1 / (R1 + R2).

Напряжение на выходе усилителя

При к 1 ,

141

Из этого выражения следует, что и для этой схемы коэффициент усиления также определяется только параметрами цепи обратной связи и не зависит от параметров ОУ. В схеме имеет место последовательная обратная связь по напряжению, при которой входное сопротивление Rвх/ = (1+ К) Rвх (порядка десятков и сотен мегаОМ). Выходное сопротивление, наоборот, очень мало и составляет доли Ом. Если сопротивление обратной связи R2 =0, то Uвых - Uвх и неинвертирующий усилитель превращается в повторитель напряжения.

Операционные усилители используют не только для усиления или выполнения разнообразных математических операций (суммирования, дифференцирования, интегрирования и др.), но и и в качестве элементов автогенераторов, импульсных и измерительных устройств, источников питания и т.д. Рассмотрим некоторые примеры такого использования.

2.1.4.Компаратор

Компаратором называется устройство, предназначенное для сравнения входного напряжения с заданным (опорным) напряжением.

Рис. 4. Компаратор напряжений

142

На рис.4а при одинаковых сопротивлениях R, потенциал на инвертирующем входе будет равен полусумме величин U1 и

Еon и будет равен нулю, если U1 = -Eon. В этом случае Uвых = 0 и оба диода заперты. Если теперь увеличить входное напряжение

на величину U1, то потенциал инвертирующего входа станет положительным и на входе появится отрицательное напряжение Uвых. При этом откроется диод D2.

Напряжение на открытом диоде – величина практически постоянная, равная примерно U* 0,7 В (для кремниевого диода). То есть выходное напряжение после отпирания диода (а также принимая во внимание, что U- =0) равно –U* независимо от значения U1. Если U1 0, то отпирается диод D1, выходное напряжение делается равным + U* и тоже не зависит от U1. Из рис.4б видно, что выходное напряжение фиксируется на уровнях U*, причем отпирание диодов происходят при крайне незначительном отклонении напряжения U1 от -Еon. То есть,

составляет единицы микровольт. Например, если К0 =105, то чувствительность ~7 мкВ. Поэтому характеристика компаратора будет иметь ступенчатый характер, при прохождении (и сравнения) меняющегося входного напряжения и фиксации их равенства выходное напряжение ОУ будет скачком меняться от + U* до –U*. Переход Uвых из одного состояния в другое показывает, когда и в каком направлении Uвх пересекает опорный уровень напряжения. В частном случае, когда Еon =0, компаратор называют нуль – индикатором.

Компаратор является простейшим элементом, выполняющим аналого-цифровое преобразование. Он сравнивает два напряжения (входные аналоговые величины) и выдает на выходе сигнал, подчиняющийся законам двоичной логики. Если вместо одиночных диодов D1 и D2 использовать последовательные диодные цепочки, то выходное напряжение будет соответственно больше. Если вообще не включать диоды, то выходные уровни компаратора будут равны + Е и –Е, а

143

отличающиеся от –Еon на величину, большую чувствительности, соответствует нелинейному режиму ОУ.

2.1.5.Избирательные усилители на основе ОУ

Для изменения амплитудно – частотной характеристики усилителя с обратной связью широко применяют частотно – зависимую отрицательную обратную связь. Одним из примеров является избирательный усилитель с отрицательной обратной связью с помощью двойного Т-образного моста (рис.5). Двойной Т-образный мост имеет коэффициент передачи напряжения

Рис5.

144

Вводя расстройку по частоте 2 f 0 и

пренебрегая при малых относительных расстройках

0

единицей в (11) получаем следующее приближенное выражение для коэффициента передачи:

Предполагая коэффициент усиления основного усилителя отрицательным и равным – К0, получаем коэффициент передачи усилителя с двойным Т-образным мостом:

Амплитудно-частотные характеристики двойного Т- образного моста и избирательного усилителя с двойным Т- образным мостом приведены на рис.5. Из рисунка видно, что при частотах входного сигнала , отличных от некоторой частоты 0, коэффициент передачи моста 1 и усилитель оказывается охваченным глубокой отрицательной обратной связью. При этом коэффициент усиления усилителя согласно (13) стремится к единице. По мере приближения частоты входного сигнала к частоте 0 коэффициент передачи моста уменьшается (ослабляется обратная связь), что вызывает увеличение коэффициента усиления ОУ К. На частоте 0 влияние обратной связи полностью исчезает и =0, а К достигает своего максимального значения. Эту частоту

145

называют квазирезонансной. Данные свойства двойного Т- образного моста проявляются при определенных соотношениях

его параметров, например, когда R3 R21 , С3 =2С. При этом

Всхеме на рис.5а резистор R4 защищает от пробоя вход ОУ, а R2 задает требуемый коэффициент усиления К.

Взаключении можно рассмотреть другие варианты схемы

ОУ с обратной связью рис.2а. Если заменить R2 конденсатором С1, то получим схему интегратора. Ток через резистор R1 будет

равен Uвх (напомним, что U- 0). Этот ток заряжает емкость и

R1

создает на нем падение напряжения, одновременно являющееся входным:

На основе интеграторов выполняют генераторы линейно изменяющегося напряжения, например, они используются в качестве генераторов напряжения развертки электроннолучевых осциллографов.

Если заменить сопротивление R1 конденсатором С1, то получим схему дифференциатора. В этом случае Uвх =Uс, а

заряжающий конденсатор ток i С dUв х . Этот ток, не заходя в dt

усилитель, полностью проходит через сопротивление R2, создавая на нем напряжение, являющееся выходным:

146

На рис.5 показано пороговое устройство, работающее аналогично триггеру Шмитта.

Рис.6 Пороговое устройство

Обозначим коэффициент передачи цепи обратной связи:

Из передаточной характеристики видно, что в начальном состоянии выходное напряжение случайно приобретает одно из двух предельных значений: +Е1 или –Е2. Пусть для определенности это будет +Е1. При подаче положительных U1, но меньших U0+, выходное напряжение не измениться, так как разность U1 - U0+ останется отрицательной. U только при U1 U0+ входное напряжение станет близким к нулю, а выходное напряжение начнет уменьшаться. Соответственно начнет уменьшаться потенциал U0 = Uвых, а вместе с ним и входное напряжение. Получается лавинообразный процесс, в результате которого выходное напряжение примет второе устойчивое значение –Е2. Поскольку U1 за время лавинообразного процесса не изменилось и осталось равным U0+, входное напряжение запишется:

Uвх U2 U0 (E1 E2 )

147

Дальнейшее увеличение U1 не влияет на величину U2. Если теперь уменьшить величину U1 до нуля и дальше, то выходное напряжение не изменится до тех пор, пока U1 не станет равным U0+. После этого опять произойдет лавинообразный процесс и выходное напряжение вернется к значению Е1. В отличие от триггера Шмитта передаточная характеристика данной схемы двуполярная (а при равенстве Е1 = Е2 еще и симметричная относительно оси U1).

Пороговое устройство служит основой для построения широкого класса импульсных схем: генераторов прямоугольных и пилообразных колебаний, формирователей и т.д. Аналогичным путем можно строить схемы, выполняющие другие операции.

3.Порядок выполнения работы

3.1.Принадлежности к работе

3.1.2.Лабораторный макет.

3.1.3.Вольтметр универсальный цифровой типа В7 –16А.

3.1.4.Измерительные генераторы синусоидальных сигналов типа Г3-33.

3.1.5.Универсальный осциллограф С1-70.

3.2.Рабочее задание

3.2.1.Исследовать схему инвертирующего ОУ с отрицательной обратной связью. Определить коэффициент усиления К ОУ (при частоте ~ 5кГц) для трех значений R, и сравнить с расчетными значениями. Определить динамический диапазон по входу. Снять амплитудно-частотную характеристику ОУ. Пронаблюдать прохождение прямоугольного импульса (порядка 0,1 мс), зарисовать и объяснить форму выходного импульса.

3.2.2.Собрать схему инвертирующего повторителя и снять ее амплитудно-частотную характеристику.

3.2.3.Исследовать неинвертирующий ОУ, повторив задания, указанные в пунктах 3.2.1. и 3.2.2.

148

3.2.4.Исследовать схему инвертирующего сумматора на ОУ

для двух разных значений Uвх. Использовать два генератора, синхронизованные друг с другом. Произвести сложение и вычитание аналоговых и импульсных сигналов.

3.2.5.Исследовать схему компаратора напряжений в случае,

когда Еon = - 1,5В. Использовать одиночные диоды вместо R2 и последовательную цепочку из двух диодов. Пронаблюдать выходной сигнал, когда вообще отсутствует диоды. Зарисовать осциллограммы.

3.2.6.Собрать схему порогового устройства на ОУ, аналогичное триггеру Шмитта с коэффициентом передачи цепи

обратной связи = 0,1. Зарисовать осциллограммы, измерить длительность импульсов.

3.2.7.Собрать схему избирательного усилителя на ОУ с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи. Снять частотную характеристику и определить квазирезонансную частоту. Сравнить с расчетным значением.

3.2.8.Исследовать схемы интегратора и дифференциатора. Подать на вход прямоугольный сигнал, зарисовать временные диаграммы. Измерить амплитуду, длительность, время нарастания и спада импульса при различных значениях постоянной времени.

4.Отчет

Вотчете проводятся исследуемые схемы, необходимые временные диаграммы, полученные результаты измерений и расчетов в виде графиков и таблиц.

5.Контрольные вопросы

5.1.Дайте определение операционных усилителей.

5.2.В чем заключаются достоинства ОУ, благодаря которым они широко применяются?

5.3.Почему параметры интегральных ОУ значительно превосходят параметры ОУ на дискретных элементах?

5.4.Представьте и определите параметры фундаментальных схем включения ОУ.

149

5.5.Каковы значения основных параметров идеального ОУ?

5.6.Приведите примеры использования многофункциональности ОУ.

5.7.Какие функции выполняет схема компаратора?

5.8.Представьте схему ОУ с двойным Т-образным мостом. Чему равна квазирезонансная частота моста?

6.Литература

6.1.Основы радиоэлектроники. Под ред. Г.Д.Петрухина, МАИ.-

М., 1993.- 416 с.

6.2.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. Лаборатория базовых знаний, М., 2000.- 488 с.

6.3.Манаев В.И. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и связь,

1990.-512 с.

6.4.Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. М.: Высшая школа, 1988.- 464 с.

6.5.Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы. М.: Лайт ЛТД, 2000.- 415 с.

6.6.Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники. М.: Высшая школа, 2000.- 399 с.

150