203-elektrotehnika-i-elektronika-elektronika-26mb
.pdfЛабораторная работа 7
УСИЛИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
7.1. Цель работы
Изучение основных параметров, схем включения операционных усилителей, их использования для усиления сигналов постоянного и переменного тока.
7.2. Теоретическое введение
Необходимость в средствах для усиления медленно изменяющих- ся сигналов (сигналы от термопар, тензодатчиков, газовых анализа- торов и т.п.) определила разработку устройств – усилителей посто-
янного тока.
Усилители постоянного тока должны иметь большой коэффициент усиления, высокое входное и малое выходное сопротивление, линей- ную амплитудную характеристику, соответствующую уравнению
Uвых = KuUвх ,
равномерную амплитудно-частотную характеристику в диапазоне частот от 0 до десятков килогерц.
Высокие показатели основных параметров операционных усили- телей обусловили их широкое применение в электронных схемах.
Условное графическое обозначение (УГО) операционного усили- теля (ОУ) показано на рис. 7.1. Входы изображают слева, выходы – справа. Выводы, предназначенные для подключения источника пи- тания (+U, –U), цепей компенсации напряжения смещения (NC) и частотной коррекции (FC), изображают в зонах дополнительных по- лей с любой стороны УГО.
Основными параметрами операционных усилителей являются:
1.Коэффициент дифференциального усиления Ku. Его значение для различных типов ОУ может быть в диапазоне значений 103… 106.
2.Частота единичного усиления f1 – верхняя частота, при которой коэффициент усиления равен единице (Ku = 1). Величина f1 у ряда
ОУ достигает 1,5 107 Гц.
51
а |
б |
Рис. 7.1. Условное графическое обозначение операционного усилителя: а – полное; б – упрощенное
3. Напряжение смещения нуля UСМ – разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами, когда напряжения на входах относительно квазизаземленной точки равны нулю. Эта разность потенциалов у операционных усилителей составляет 0,1…5 мВ в зави- симости от их качества.
4. Скорость нарастания выходного напряжения Uвых/ t – отношение приращения напряжения на выходе ОУ к интервалу времени, за которое
наблюдается это приращение. Величина этого параметра составляет
105…106 В/с.
5. Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений МСФ – отношение приращения синфазных входных напряжений к входному напряжению, вызывающих одно и то же приращение выходного напря- жения. Современные ОУ имеют МСФ = 108…1012.
Одной из важных характеристик усилителей является их амплитуд- но-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ). Это – зависимости амплитуды (коэффициента усиления) от час- тоты и угла рассогласования фаз входного и выходного сигналов от частоты соответственно.
Для оценки частотного диапазона усилителя измеряют его АЧХ и определяют верхнюю граничную частоту по уровню 0,707 от макси- мального выходного сигнала, что соответствует спаду коэффициента усиления на –3 дБ.
На рис. 7.2 приведены основные схемы включения ОУ. Усилительные схемы на операционных усилителях называют также
масштабирующими преобразователями. Масштабирующие преобразо- ватели применяются для унификации выходного сигнала первичного измерительного преобразования (ИП) к стандартному уровню для даль- нейшего преобразования в цифровую форму и обработки в микропро- цессорных системах управления или измерения.
52
а |
б |
|
|
в |
г |
Рис. 7.2. Основные схемы включения усилителей: а – инвертирующее включение; б – неинвертирующее включение; в – схема повторителя напряжения; г – дифференциальный каскад
Возможны различные комбинации включения пассивных элемен- тов и их характера, позволяющие реализовать различные функции.
Для анализа работы схем, приведенных на рис. 7.2, воспользуемся основными свойствами идеального операционного усилителя: раз- ность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим вхо- дами равна нулю (Uсм = 0); входные токи смещения равны нулю
( Iвх+ = Iвх− = 0 ).
Коэффициент передачи (коэффициент усиления) таких схем есть отношение выходного напряжения к входному напряжению:
Ku = Uвых .
Uвх
Для усилителя со 100%-ной отрицательной обратной связью (см. рис. 7.2, в) потенциал инвертирующего входа φ– равен потенциалу неинвертирующего входа φ+, который заземлен:
φ– = φ+.
Поэтому напряжение на инвертирующем входе численно равно потенциалу φ+. Так как вход ОУ накоротко соединен с выходом, то выходное напряжение UВЫХ по знаку и величине равно входному
53
напряжению. Следовательно, коэффициент передачи такого уси- лителя равен единице (Ku = 1).
Масштабирующий преобразователь (см. рис. 7.2, в) по-другому называется повторителем. Он повторяет фазу и модуль входного напряжения. При этом он обладает большим входным сопротивлени- ем (малый входной ток) и малым выходным сопротивлением (не- сколько десятков Ом) и часто используется для согласования с ис- точником сигнала и нагрузкой.
В схеме рис. 7.2, а неинвертирующий вход заземлен, поэтому по- тенциал инвертирующего входа равен нулю. Напряжение на R1 равно
UR1 = Uвх – φ– = Uвх,
а на R2
UR2 = Uвых – φ– = Uвых.
Так как входной ток ОУ пренебрежимо мал, то по первому закону Кирхгофа токи в резисторах R1 и R2 равны между собой, т.е.
Uвх = − Uвых ,
R1 R2
из чего следует, что коэффициент передачи для схемы рис. 7.2, а равен
Ku = Uвых = − R2 .
Uвх R1
В схеме (см. рис. 7.2, б) потенциал инвертирующего входа равен потенциалу неинвертирующего входа, т.е. относительно земли к не- му приложено напряжение входа Uвх. Так как через последовательно соединенные резисторы R1 и R2 протекает одинаковый ток, то спра- ведливо равенство
Uвых |
= |
Uвх |
, |
R1 + R2 |
|
R1 |
|
из которого выводится формула для расчета коэффициента передачи для схемы:
Ku = R2 + 1 .
R1
При дифференциальном включении ОУ входные напряжения по-
даются на оба входа через резисторы R1 и R3:
54
U вх = |
Uвых − U1вх |
R |
+ U вх ; |
||||||||||||
|
1 |
|
|
|
R1+ R2 |
1 |
|
1 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
U |
2 |
вх = |
|
U2вх |
|
R , |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
R3 + R4 |
|
|
|
4 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
из этого следует: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
= U |
2 |
|
(R1 + R2 )R4 |
|
− U |
|
R2 |
. |
||||||
вх |
(R |
+ R )R |
вх |
|
|||||||||||
|
|
|
|
1 |
R |
||||||||||
|
|
|
|
|
3 |
4 |
|
1 |
|
|
|
1 |
|
||
Из этого соотношения при равенстве R1 = R3; R2 = R4; U2вх = U1вх = Uвх следует
Ku = Uвых = R2 (U1вх − U2вх ) ,
Uвх R1
где в скобках указана разность напряжений с учетом знака.
К входам операционного усилителя могут быть подключены несколь- ко резисторов. В этом случае выходное напряжение будет суммироваться по входным напряжениям с учетом знака и коэффициента масштабиро- вания. Такие усилители называются сумматорами (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Сумматор на операционном усилителе
При использовании резисторов в качестве масштабирующих элементов схем для идеального операционного усилителя коэффициент передачи не зависит от частоты. В случае использования реактивных элементов (кон- денсаторов, катушек индуктивности) получается частотная зависимость коэффициента передачи.
Изображенные на рис. 7.4 схемы выполняют функции интегра-
тора (рис. 7.4, а) или дифференциатора (рис. 7.4, б) по времени.
55
а |
б |
Рис. 7.4. Интегратор (а) и дифференциатор (б)
Для схемы интегратора из условия равенства токов через резистор R и конденсатор C
uвх / R = −C(duвых / dt) или uвых = − RC1 ∫ uвх dt + const .
Для схемы дифференциатора входной ток i = C(duвх/dt), напряже- ние на выходе
Uвых (t) = RC duвх . dt
Если входное напряжение представляет собой синусоиду вида
Uвх = U0sin (ωt),
то зависимость выходного напряжения от частоты для интегратора будет описываться выражением
uвых |
= |
1 |
∫ |
uвх dt = |
1 |
|
∫ |
U |
0 sin(ωt)dt |
= − |
U0 |
cos(ωt) , |
|||||||
RC |
RC |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ωRC |
|||||||
а комплекс коэффициента передачи |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
= |
1 |
|
= |
|
|
1 |
, f0 |
= |
1 |
|
. |
|
|||
|
|
|
Ku |
jωRC |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
j |
|
f |
|
|
2πRC |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f0 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Аналогично можно получить выражение комплекса коэффициен- та передачи для дифференциатора:
|
= j |
f |
. |
Ku |
f0 |
||
|
|
|
56
Так как интегрирующая цепь, как и дифференцирующая, образо- ваны с использованием реактивного элемента – конденсатора, то ес- тественно, что между входным и выходным напряжениями возникает сдвиг фаз. Эту зависимость отражает фазочастотная характеристика.
7.3.Подготовка к работе
1.Освоить основные положения теоретического введения.
2.Занести в лабораторную тетрадь условные обозначения опера- ционного усилителя.
3.Подготовить таблицы для записи результатов.
4.Начертить в лабораторной тетради схемы проведения эксперимента.
7.4.Порядок выполнения работы
Лабораторная работа выполняется с помощью программы Multisim 9 или Electronic Workbench.
Масштабирующие преобразователи
Задание 1
1.Собрать в рабочем окне схему инвертирующего усилителя, изображенную на рис. 7.5. Операционный усилитель типа LM741.
2.Установить ЭДС источника входного напряжения E = 0,1 В.
Рис. 7.5. Инвертирующий усилитель
57
3.Устанавливая значения R1, R2, и R3, снять показания вольтметра
изаписать их в табл. 7.1.
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 7.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Номер |
|
1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
измерения |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
R1 = 10 кОм |
R1 |
= 10 кОм |
R1 |
= 10 кОм |
R1 |
= 10 кОм |
||
Исходные |
R2 |
= 10 кОм |
R2 |
= 10 кОм |
R2 |
= 10 кОм |
R2 |
= 1 МОм |
|
данные |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
R3 = 10 кОм |
R3 |
= 100 кОм |
R3 |
= 1 МОм |
R3 |
= 1 МОм |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U2, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ku |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R3/R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.Рассчитать коэффициент передачи Ku как отношение выходного напряжения к входному; сравнить это отношение с отношением ве- личин резисторов R3 и R2.
5.Результаты вычислений записать в табл. 7.1.
Задание 2
1.Собрать схему неинвертирующего усилителя, изображенную на рис. 7.6.
2.Установить значения сопротивлений R1 = 90 кОм, R2 = 10 кОм.
3.Соединить вход усилителя с выходом функционального генера- тора. К выходу усилителя подключить осциллограф и измеритель частотных характеристик (ИЧХ) (Боде плоттер).
4.Установить напряжение на выходе генератора равное нулю. Используя осциллограф, провести измерение напряжения на выходе усилителя.
5.Рассчитать величину напряжения смещения, сравнить ее значе- ние со справочными данными (Uсм = Uвых, Ku ос/Ku).
6.Вывести на переднюю панель ИЧХ для снятия амплитудно-
частотной характеристики.
7. Выбрать диапазон измерения по частоте от 10 Гц до 100 МГц. Установить напряжение на выходе генератора 500 мВ, частоту 1 кГц. Подобрать значения отображаемых параметров с тем, чтобы изображение АЧХ и ФЧХ занимали бóльшую часть экрана.
8. Нарисовать АЧХ и ФЧХ характеристики.
58
9. Установить источник напряжения (Piecewise Linear Source) вместо функционального генератора. Щелкнув по иконке источника, ввести значения Time: Voltage:
0 –2
0.12
Рис. 7.6. Неинвертирующий усилитель
10. Нарисовать амплитудную характеристику усилителя.
Задание 3
1. Собрать схему сумматора, изображенную на рис. 7.7. Для под- ключения к усилителю напряжения от источника можно использо- вать отдельные ключи или переключатель (DIPSW) на 4 канала.
Рис. 7.7. Сумматор
59
2. Снять показания вольтметра, последовательно подключая источ- ник ЭДС через кнопки с «весами» 1-2-4-8, и занести их в табл. 7.2.
Таблица 7.2
1 |
2 |
4 |
8 |
1 + 2 |
1 + 4 |
2 + 4 |
1 + 2 + 4 |
1 + 8 |
2 + 8 |
4 + 8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.Заменить идеальный операционный усилитель на LM741.
4.Выполнить эксперименты в соответствии с п. 2.
5.Сделать вывод о влиянии параметров схемы на погрешность суммирования.
Дифференциальный усилитель
Задание 4
1.Собрать схему дифференциального усилителя, изображенную на рис. 7.8.
2.Установить значения резисторов R1 = R3 = 10 кОм, R2 = R4 =
=100 кОм.
3.Установить значения ЭДС на входах E = 0,1 В c полярностью, которая указана на рис. 7.8. Рассчитать выходное напряжение усили-
теля U1расч.
Рис. 7.8. Дифференциальный усилитель
60