Лабораторная работа №2. Аналоговые цепи на основе операционного усилителя
advertisement
Лабораторная работа №2. Аналоговые цепи на основе операционного усилителя Цель работы. Изучить работу операционного усилителя в схемах усиления, ограничения, преобразования и генерации аналоговых сигналов. Теоретические сведения. Операционные усилители. Устройство и принцип действия. Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование, логарифмирование или потенцирование, преобразование их формы и др. Все эти операции ОУ выполняет с помощью цепей положительной и отрицательной обратной связи (ОС). В состав цепей ОС могут входить сопротивления, емкости и индуктивности, диоды, стабилитроны, транзисторы и некоторые другие электронные элементы. Поскольку все операции, выполняемые при помощи ОУ, могут иметь нормированную погрешность, то к его характеристикам предъявляются определенные требования. Требования эти в основном сводятся к тому, чтобы ОУ как можно ближе соответствовал идеальному источнику напряжения, управляемому напряжением, с бесконечно большим коэффициентом усиления. А это значит, что входное сопротивление ОУ должно быть равно бесконечности, следовательно, входной ток должен быть равен нулю. Выходное сопротивление должно быть равно нулю, следовательно, нагрузка не должна влиять на выходное напряжение. Частотный диапазон усиливаемых сигналов должен простираться от постоянного напряжения до очень высокой частоты. Поскольку коэффициент усиления ОУ очень велик, то при конечном значении выходного напряжения, напряжение на его входе близко к нулю. Входная цепь ОУ обычно выполняется по дифференциальной схеме, а это значит, что входные сигналы можно подавать на любой из двух входов, один из которых изменяет полярность выходного напряжения и поэтому называется инвертирующим, а другой не изменяет полярности выходного напряжения и называется — неинвертирующим. Условное схематическое обозначение дифференциального операционного усилителя приведено на рис. 1а. Инвертирующий вход можно отмечать кружочком или писать около него знак минус (-). Неинвертирующий вход или совсем не отмечается, или около него пишется знак плюс (+). Два вывода ОУ используются для подачи на него напряжения питания +ЕПИТ1 и –ЕПИТ2 от двух источников. Положительное и отрицательное напряжения питания обычно имеют одну и ту же величину, а их общий вывод одновременно является общим выводом для входных и выходного сигналов (в дальнейшем выводы питания изображаться не будут). +ЕПИТ1- –ЕПИТ2+ а) б) Рис. 1. Графические символы ОУ на функциональных (а) и принципиальных (б) схемах. Если один из двух входов ОУ соединить с общим выводом, то можно получить два ОУ с одним входом. Один из которых будет инвертирующим (рис.2а), а другой — неинвертирующим (рис.2б). Выходное напряжение для дифференциального усилителя определяется по формуле UВЫХ = (UВХ + - UВХ- ) К0 , где К0— коэффициент усиления ОУ. Для инвертирующего ОУ выходное напряжение равно UВЫХ = - UВХ- К0, а для неинвертирующего UВЫХ = UВХ +* К0. Разностное напряжение (UВХ + - UВХ-)— называют дифференциальным входным сигналом. По сути дела, это напряжение приложено между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.Если оба входа ОУ соединить вместе, то получившаяся схема будет иметь только один вход, а приложенный к нему сигнал называют синфазным UСФ = UВХ + = UВХ- Для синфазного сигнала в соответствии с формулой выходное напряжение должно быть равно нулю, однако в .реальных усилителях этого не происходит и выходной сигнал присутствует, хотя и имеет малое значение. Схемы подачи на входы ОУ дифференциального и синфазного сигналов приведены на рис. 2в и 2г. - - UВХ- + + UВХ+ а) UВХ- б) UСФ UВХ+ - + + в) г) Рис. 2. Инвертирующее (а), неинвертирующее (б), дифференциальное (в) и синфазное (г) включение ОУ. Основные характеристики операционных усилителей можно разделить на две группы: статические и динамические. К статическим относятся характеристики, определяющие работу ОУ в установившемся режиме: коэффициент усиления на постоянном напряжении K(0) = ΔUВЫХ/ΔUВХ; напряжение смещения нулевого уровня есм — это напряжение, которое нужно приложить к входу ОУ, чтобы сделать UВЫХ= 0; входные токи iвх+ и iвх-_ — это токи, протекающие через входные цепи ОУ; разность входных токов Δ iвх = iвх+ - iвх-; температурный коэффициент напряжения смещения нулевого уровня Δесм/ΔТ; температурный коэффициент разности входных токов Δ iвх / ΔТ; коэффициент ослабления синфазного сигнала Косс — это отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала К диф / Ксф = Косс; максимальный выходной ток Iвых.макс. Динамические характеристики ОУ описываются обычно двумя параметрами: предельной частотой (частотой единичного усиления) fпр=f1 и максимальной скоростью нарастания выходного напряжения VUвыхmax . Параметры динамического режима во многом зависят от цепей частотной коррекции, которая осуществляется с помощью RС-цепей, подключаемых к соответствующим зажимам ОУ. Основное назначение коррекции — предотвращать возникновение автоколебаний в ОУ при охвате его цепью отрицательной обратной связи. Причина возникновения автоколебаний кроется в том, что в самом ОУ и в цепях обратной связи имеются фазовые сдвиги, вследствие чего отрицательная обратная связь на некоторой частоте превращается в положительную. Цепи коррекции снижают коэффициент усиления на частоте, на которой фазовый сдвиг в замкнутом контуре составляет 360°. Иногда используют цепи коррекции, которые уменьшают фазовый сдвиг на тех частотах, на которых коэффициент усиления в замкнутом контуре больше единицы. Такую коррекцию называют опережающей, так как она обеспечивает опережение по фазе. Корректирующие цепи обычно рекомендуются предприятием изготовителем и приводятся в справочных руководствах. В то же время имеется большое количество ОУ с внутренней коррекцией. Внутренняя коррекция упрощает использование ОУ, но не позволяет полно реализовать его динамические свойства. Классификация ОУ. В соответствии с ГОСТ 4.465-86, все ОУ делятся на следующий группы по совокупности их параметров: универсальные, или общего применения (К(0) = 103... 105,fпр =1,0... 10Мгц, есм > 0,5 Мв); прецизионные, или инструментальные (К(0)>0,5-106, еал<0,5мВ); быстродействующие (VUвыхmax > 20 В/мкс, f пр > 1 5 МГц); микромощные (I потр < 1 мА). В таблице приведены сравнительные данные для некоторых типов ОУ из различных групп. Следует отметить, что прецизионные ОУ имеют весьма малые значения напряжения смещения нулевого уровня и его температурного коэффициента, кроме того, они отличаются большим значением коэффициента усиления, что приближает их к идеальным ОУ. В свою очередь быстродействующие усилители отличаются широкой полосой пропускания и высокой скоростью нарастания выходного напряжения. Микромощные усилители отличаются высокой экономичностью. Они могут работать при напряжении питания от 1,5 В и потреблять ток 10...1ОООмкА. Операционные усилители продолжают совершенствоваться; появляются новые типы, обладающие некоторыми особыми свойствами. Так, например, появились ОУ с внутренней гальванической развязкой входа и выхода. С этой целью в них введен оптрон, с помощью которого входные и выходные цепи ОУ оказываются разделенными. Сравнительные характеристики ОУ Тип ОУ Группа K(0)х103 есм, мкВ Δесм/ΔТ, мкВ/К Δ iвх, нА Косс, fпр , МГц VUвыхmax , dB В/мкс К140УД7 Универсальные 50 4000 6,00 50 70 0,8 10,0 К140УД24 Прецизионные 1000 5 0,05 10-2 120 2,0 2,5 10 2000 10,00 10 100 >50,0 75,0 10 5000 5,00 5-10-4 70 154УД2 Быстродействующие К1423УД1 Микромощные 0,05,..1,4 1,6...10-2 Применение ОУ. Инвертирующие и неинвертирующие усилители. Схема инвертирующего усилителя приведена на рис.3а. На инвертирующий вход ОУ в этой схеме подается сигнал, определяемый суммой входного и выходного напряжений и делителем на сопротивлениях R1 и R2. Так как неинвертирующий вход ОУ соединен с общим выводом, a U ДИФ 0, то напряжение на инвертирующем входе также будет равно нулю. В результате для схемы рис.3а можно записать уравнение U ВХ / R1 = - U ВЫХ / R2, откуда находим коэффициент усиления усилителя: К U = U ВЫХ /U ВХ = - R2 / R1. Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис.3б. В этой схеме входной сигнал подается непосредственно на неинвертирующий вход ОУ, а к инвертирующему входу подводится напряжение обратной связи с выхода ОУ. Поскольку напряжение между входами равно нулю, то на инвертирующем входе также будет напряжение U ВХ = U ВЫХ (R1/(R1+R2)). Таким образом, коэффициент усиления определяется формулой K = 1 + (R2/R1).В частном случае, при R2 = 0 и любом значении R1, (кроме нуля) получаем повторитель напряжения с коэффициентом передачи К= 1. R2 R2 R1 R1 - - UВХUВЫХ + UВХ- UВЫХ + а) б) Рис. 3. Схема инвертирующего (а) и неинвертирующего усилителей (б) на ОУ. Схемы интеграторов тока и напряжения приведены на рис. 4. Для схемы интегратора тока (рис. 4а) можно записать уравнения: i ВХ = -i C , U c = (1/C) i C dt, откуда получаем значение выходного напряжения U ВЫХ = U с = (1/C) i C dt. Аналогично, можно записать для интегратора напряжения (рис. 4б) значение выходного напряжения, если учесть, что iВХ=UВХ/R, то U ВЫХ = (1/RC) U ВХ dt. Если на входе интегратора напряжения действует прямоугольный импульс амплитудой UМАКС , то U ВЫХ = - (U ВХ/RC)t. С UC C R ic - UВХ- iВХ UВЫХ + UВЫХ + а) б) Рис. 4. Схема интегратора тока (а) и интегратора напряжения (б) на ОУ Кроме линейных элементов в цепи обратной связи ОУ могут быть включены различные нелинейные элементы: диоды, стабилитроны, транзисторы и др. Амплитудные ограничители на ОУ могут быть построены только на использовании свойства ОУ, ограничивать сигнал при достижении уровня близкого к величине источника питания (рис. 5). Но чаще, амплитудные ограничители выполняются по схеме рис.6, в которой используется инвертирующий усилитель, в цепи обратной связи которого включены встречно стабилитроны VD1 и VD2. UВЫХ UВЫХМАКС ЕПИТ UВХ - UВЫХМАКС - ЕПИТ Рис. 5. Передаточная (амплитудная) характеристика ОУ. VD1 VD2 R2 R1 - UВХ+ UВЫХ Рис. 6. Двухсторонний ограничитель. Напряжение стабилизации встречно включенных стабилитронов определяет пределы ограничения выходного напряжения. При отрицательном входном напряжении UВХ напряжение ограничения определяется напряжением стабилизации VD1 и падением напряжения на прямосмещенном стабилитроне VD2, при положительном — наоборот. При наличии двух стабилитронов схема называется двухсторонним ограничителем, при наличии одного — односторонним. Односторонние ограничители используются также при согласовании аналогового устройства на ОУ с цифровыми схемами. В этом случае напряжение стабилизации стабилитрона выбирается равным напряжению сигнала логической единицы. Мультивибратор на ОУ состоит из триггера Шмитта (триггер с гистерезисом), охваченного обратной связью через фильтр нижних частот (рис. 7). R2 R1 + UВЫХ C R Рис. 7. Автоколебательный мультивибратор на ОУ. Изменение потенциала на инвертирующем входе происходит постепенно, по мере заряда емкости. Напряжение на емкости стремится к уровню UВЫХ МАКС . При достижении уровня UC равного или немного большего уровня напряжения, установленного на неинвертирующем входе, происходит переключение ОУ в противоположное предельное значение (-UВЫХ МАКС ). Уровень напряжения на неинвертирующем входе равен U+ = * UВЫХ МАКС , где = R1/(R1+R2). Из условия достижения экспонентой уровня, соответствующего равенству напяржений на входе, определяется длительность формируемых на выходе импульсов tИ1 = tИ2 = RC ln((1+)/(1-)) = RCln(1+(2*R1/R2)). Период колебаний T = 2*tИ1 = 2* tИ2 . Схема симметрична при равенстве напряжений источников питания ЕПИТ1 и ЕПИТ2 . ОУ в мультивибраторе работает в режиме ограничения при формировании импульса и в режиме усиления при переключении в противоположное состояние по выходу. Для введения несимметрии можно: либо подключить потенциал к левому по схеме (рис. 6) выводу резистора R1, либо ввести в схему два различных резистора R, подключаемых через противоположно включенные диоды, либо использовать источники питания с разными уровнями напряжения. Программа работы и методические указания по ее выполнению. В работе исследуются схемы инвертирующего усилителя, ограничителя, интегратора и мультивибратора. Инвертирующий усилитель (рис.8). В лабораторной работе измеряется коэффициент усиления и передаточная характеристика Uвых=f(Uвх) на средних частотах, амплитудно-частотная характеристика Кu=Ф(f). 1. Рассчитать коэффициент усиления для усилителя (рис. 8).Построить теоретическую передаточную характеристику усилителя. 2. Измерить коэффициент усиления усилителя; снять передаточную характеристику. Для измерения коэффициента усиления установить на выходе генератора синусоидальных сигналов ГЗ-102 выходной сигнал частотой f=1000 Гц и амплитудой 0,1 В. Измерить с помощью осциллографа С1-68 сигнал на выходе усилителя. Зарисовать форму входного и выходного сигнала усилителя, измерить периоды и амплитуды сигналов. Сравнить полученное значение Кu с расчетным. Для снятия передаточной характеристики подключить вход усилителя к делителю задающему регулируемое напряжение ( точка 1 на схеме ). Регулируя резистор R2 и измеряя входной и выходной уровни напряжения построить зависимость Uвых=f(Uвх) . На характеристике отметить участки усилительного (линейного) режима и участки ограничения. 3. Измерить амплитудно-частотную характеристику усилителя (рис. 8). Амплитудно-частотную характеристику измерить подавая на вход усилителя сигнал переменной частоты амплитудой 0,1 В с выхода ГЗ-102. Изменяя частоту от минимальной до максимальной и поддерживая постоянной амплитуду сигнала на входе усилителя измерить амплитуду сигнала на выходе и построить зависимость Кu=Ф(f). 4. Исследовать работу ограничителя (рис. 9). Схему ограничителя получить на основе инвертирующего усилителя подключив параллельно резистору R5 диодный ограничитель на основе стабилотрона (VД 1 - VД5 ). Подать на вход усилителя с ГЗ-102 синусоидальный сигнал частотой 1000Гц и амплитудой 1 В. Используя осциллограф определить и зарисовать диаграммы входного и выходного сигналов; определить уровни ограничения положительной и отрицательной волны. Построить передаточную характеристику ограничителя Uвых=f(Uвх) . Если необходимо, произвести измерения используя выходное регулируемое напряжение с делителя R1-R2-R3. 5. Исследовать работу интегратора (рис. 10). Интегратор преобразует входной прямоугольный импульс в линейно-изменяющееся напряжение. В работе, задавая на вход интегратора прямоугольный импульс положительной полярности с генератора Г5-54 амплитудой 1 В и длительностью 10 мкс, измерить с помощью осциллографа сигнал на выходе интегратора. Зарисовать входной и выходной сигналы; измерить амплитуду и времена линейного нарастания и восстановления для выходного сигнала. Задать на вход импульс отрицательной полярности и наблюдать на выходе изменения сигнала. Задать на входе сигнал большей амплитуды (3-5 В) и измерить измененный выходной сигнал. Повторить измерения для входного сигнала с длительностью 30 мкс и амплитудой 1 В. 6. Исследовать работу мультивибратора (рис. 11). Автоколебательный симметричный мультивибратор на операционном усилителе предназначен для получения прямоугольных импульсов чередующейся положительной и отрицательной полярностей равной длительности. В работе необходимо измерить с помощью осциллографа сигналы на обоих входах операционного усилителя и на выходе мультивибратора. Зарисовать осциллограммы и измерить амплитуды и времена сигналов. Рис.8. Инвертирующий усилитель. KU = -R5/R4. Рис. 9. Ограничитель. VD1 – VD4 кремниевые диоды Д220. VD5 – стабилотрон с напряжением стабилизации 6,8 В. Uогр = Uстаб+2еод Рис. 10. Интегратор. Расчетные соотношения для интегратора: Ц R1 C1 ; UВХ инт R1 C1 (1 K 0 ) ; восст R разр C1 ; Е tраб U вых ( t ) U вых ( t ) t U вых .макс . Е t раб R1 C1 ; Et ;0 t t p ; R1 C1 E tp R1 C1 exp( t ); t t p ; 1 Рис. 11. Мультивибратор. Расчетные соотношения для мультивибратора: t u1 t u 2 C1 R1 ln 1 ; 1 R3 ; R3 R5 T 2 t u1 ; Отчет должен содержать: Исследуемые схемы, их характеристики и краткое описание, расчеты параметров и характеристик. Экспериментальные результаты: осциллограммы сигналов, измеряемых в работе; характеристики и параметры, рассчитанные по измерениям. Сравнение рассчитанных и измеренных результатов, выводы по работе. Контрольные вопросы. 1. Перечислите свойства идеального ОУ. Чем вызвана необходимость обеспечения каждого из этих свойств? 2. Почему в усилительных схемах не используется ОУ без цепей ООС? 3. Изобразите во временной связи графики напряжения для инвертирующего и не инвертирующего входов ОУ в схеме мультивибратора. 4. Вывести формулу для коэффициента усиления инвертирующего и не инвертирующего усилителей. 5. Построить передаточную характеристику Uвых =f(UBX) для инвертирующего усилителя на ОУ, если коэффициент усиления К =10 и напряжение источников питания +10В и -10В 6. Как изменится передаточная характеристика не инвертирующего усилителя на ОУ, если источники питания будут несимметричные (например +12В и -3В)? 7. Построить амплитудно-частотную характеристику усилителя с К=10, если он собран на ОУ с К0=2000 и f1 = 8МГц. Характеристику построить в логарифмическом масштабе. 8. Постройте график выходного напряжения интегратора, если в момент времени t0 к входу приложено синусоидальное напряжение, a Uвых (t0) = 0. 9. Как изменится график выходного напряжения интегратора, если отсоединить разрядный резистор Rдоп , подключаемый параллельно емкости? 10. Какое влияние оказывает амплитуда входного импульса на параметры выходного сигнала интегратора? 11. Почему зависимость выходного напряжения интегратора от времени во время действия входного импульса линейная, а в паузе экспоненциальная? 12. В каком режиме используется ОУ в интеграторе? Почему? 13. Как изменится период генерируемых мультивибратором импульсов, если коэффициент уменьшать? Увеличивать? Что будет, если .=0?, если =1? 14. Какое влияние окажет несимметрия источников питания на работу мультивибратора? 15. Перечислите способы, с помощью которых можно изменить соотношение длительностей положительных и отрицательных импульсов мультивибратора? ЛИТЕРАТУРА. 1. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: КОРОНА принт, 1998. – 400с. 2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. – М.: Мир, 1982. – 512 с. 3. Курс лекций.
