Дослідження інтегральних операційних підсилювачів і їхніх типових застосувань

Вкажіть переваги застосування підсилювачів у інтегральному виконанні (у вигляді ІМС).

Поясніть призначення НЗЗ, що застосовані у досліджуваних підсилювачах.

Наведіть схему двокаскадного підсилювача низької частоти, поясніть призначення елементів, покажіть шлях протікання струмів (постійних і змінних).

Поясніть, як забезпечується температурна стабілізація режиму спокою досліджуваних підсилюючих каскадів і як впливають елементи температурної стабілізації на АЧХ.

Поясніть призначення конденсаторів міжкаскадного зв'язку і їхній вплив на АЧХ підсилювача.

Поясніть, що таке динамічний діапазон і смуга пропускання підсилювача та як впливає НЗЗ на ці параметри.

Поясніть причини виникнення частотних викривлень в області вищих частот.

Поясніть причини виникнення частотних викривлень в області нижчих частот.

Вкажіть, у яких режимах працює транзистор підсилювача у його режимах, що відповідають різним ділянкам амплітудної характеристики.

Поясніть причину появи нелінійних викривлень.

Вкажіть області застосування підсилювачів змінного струму, їхні основні параметри й характеристики.

Контрольні запитання

ЛІТЕРАТУРА

1. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник / За ред. А.Г. Соскова - К.: Каравела, 2006. - 384 с. - розділ 3.

2. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб. / За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. - К.: Каравела, 2004. - 432 с. (та інші видання цього посібника) – розділ 3.

3. Руденко В.С., Сенько В.И., Трифонюк В.В. Основы промышленной електроники. – К.: Вища школа, 1985, с. 97-117, 123-128.

4. Забродин Ю. С. Промышленная електроника. – М.: Высш. школа, 1982, с. 87-104, 112-120, 131-136.

5. Горбачов Г.И., Чаплыгин Е.Е. Промышленная електроника. – М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 49-58, 89-92, 95-98.

6. Красько А.С., Скачко К.Г. Промышленная електроника. – Минск: Вышейшая школа, 1984, с. 99-124.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3

1. МЕТА РОБОТИ

1) Дослідження властивостей і характеристик операційних підсилювачів (ОП).

2) Дослідження типових аналогових пристроїв на ОП.

2. УСТАТКУВАННЯ

1) Стенд лабораторний № 1, 3.

2) Вольтметр цифровий В7-27.

3) Мультиметр ВР-11.

4) Осцилограф С1-93 (С1-83).

3. ЗМІСТ РОБОТИ

1) Дослідити властивості і передатні характеристики ОП.

2) Дослідити будову і роботу типових аналогових пристроїв на ОП: інвертуючого підсилювача, неінвертуючого підсилювача, підсилювача-віднімача, інвертуючого інтегратора, диференціатора.

4. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

4.1. Ознайомитись з робочим місцем і приладами.

4.2. Ввімкнути прилади і живлення стенда лабораторного. Тумблер у середній частині лицьової панелі стенда лабораторного (між мнемосхемами) встановити у праве положення.

4.3. Дослідження властивостей і характеристик ОП

4.3.1. Дослідження властивостей і характеристик ОП робити за допомогою схеми, приведеної на рис. 3.1 (верхня мнемосхема на правій половині стенда лабораторного).

До клем Х1 і „ ” підімкнути цифровий вольтметр у режимі вимірювання напруги постійного струму на межі „ -100 mV ”, а до клем Х2 і „ ” – мультиметр у тому ж режимі на межі вимірювання „ -20 V ”.

4.3.1.1. Зняти передатну характеристику ОП для інвертуючого вмикання, U_вих = f(U_вх), для чого перемикач SА1 встановити у натиснуте положення (світиться сигнальна лампа „ Инв. вкл.”).

Рис. 3.1 – Схема для дослідження ОП

Обертаючи ручку резистора R₁ за годинниковою стрілкою з крайнього лівого положення, задавати необхідні значення U_вх за цифровим вольтметром і фіксувати за мультиметром відповідні значення U_вих. Стежити за правильністю полярності подаваної на вхід мультиметра напруги.

Результати вимірів занести в табл. 3.1.

Таблиця 3.1 – Результати зняття передатної характеристики ОП

Uвх, мВ	-50	-40	-35	-30	-25	-20	-15	-10	-5		Вмикання ОП
Uвих, В											інв.
										неінв.

Продовження табл. 3.1

Uвх, мВ										Вмикання ОП
Uвих, В										інв.
									неінв.

4.3.1.2. Зняти передатну характеристику ОП для неінвертуючого вмикання, для чого перемикач SА1 встановити у ненатиснуте положення (світиться сигнальна лампа „ Неинв. вкл. ”). Далі методика аналогічна наведеній у пп. 4.3.1.1.

4.4. Дослідження типових аналогових пристроїв на ОП

Рис. 3.2 – Схема для дослідження типових аналогових пристроїв на ОП

4.4.1. Дослідження пристроїв на ОП виконується за допомогою схеми, наведеної на рис. 3.2 (нижня мнемосхема на правій половині лицьової панелі стенда лабораторного).

4.4.2. Зібрати схему інвертуючого підсилювача, для чого перемикачі SА2, SА6 і SА7 встановити у натиснуте положення, а інші у ненатиснуте.

Задати цифровому вольтметру режим вимірювання напруги змінного струму на межі „ ~100 m V ” (вхід „ 300 V ”, вимірювальний кабель екранований) і підмкнути його до клем Х2 і „ ”. Зафіксувати результат вимірювання вхідної напруги підсилювача.

Задати межу вимірювання вольтметра „ ~10 V ”, підімкнути його до клем Х4 і „^”. Зафіксувати результат вимірювання вихідної напруги підсилювача. Визначити коефіцієнт підсилення за напругою

Відімкнути вольтметр від досліджуваної схеми.

Підімкнути кабель першого каналу осцилографа до клем Х2 і „^”, а другого – до клем Х4 і „^”. Органи керування осцилографа встановити у положення, що забезпечують спостереження стійкого, зручного для вимірів зображення. Зарисувати осцилограми вхідної і вихідної напруг підсилювача (зверніть увагу на те, що вхідна і вихідна напруги інвертуючого підсилювача знаходяться у протифазі).

4.4.3. Зібрати схему неінвертуючого підсилювача, для чого перемикачі SА4 і SА6 встановити у натиснуте положення, а інші – у ненатиснуте.

Далі повторити операції за пп. 4.4.2 (зверніть увагу на те, що вхідна і вихідна напруги неінвертуючого підсилювача синфазні).

4.4.4. Зібрати схему підсилювача-віднімача, для чого перемикачі SА2 і SА6 встановити у натиснуте положення, а інші – у ненатиснуте. Заміряти значення вхідних і вихідних напруг, підмикаючи цифровий вольтметр по черзі до клем: X1 і „^”– U_вх1 (межа вимірювання „ ~100 m V ”); Х3 і „^”– U_вх2 (межа вимірювання та ж сама); Х4 і „^”– U_вих (межа вимірювання „ ~10 V ”).

Визначити коефіцієнт передачі підсилювача-віднімача

4.4.5. Зібрати схему інвертуючого інтегратора, для чого перемикачі SА1, SА5 і SА7 встановити у натиснуте положення, а всі інші – у ненатиснуте.

Підімкнути кабель першого каналу осцилографа до клем Х3 і „^”, а другого – до клем Х4 і „^”.

Зарисувати осцилограми вхідної напруги (за формою близька до прямокутної) і вихідної (пилкоподібна).

Підімкнути кабель другого каналу осцилографа до клем Х5 і „^” та зарисувати осцилограму вихідної напруги диференціатора, переконавшись, що за формою вона збігається з вхідною напругою інтегратора.

4.5. Вимкнути прилади і живлення стенда лабораторного.

Навести порядок на робочому місці.

4.6. Обробка результатів експериментів

4.6.1. за даними табл. 3.1 побудувати передатні характеристики ОП і визначити за ними:

1) граничні значення вихідної напруги: ;

2) напругу зсуву (зміщення) нуля U_зм0;

3) коефіцієнти підсилення ОП за обома входами: як

4.6.2. За осцилограмами зробити висновки про співвідношення фаз вхідної і вихідної напруг інвертуючого і неінвертуючого підсилювачів, інвертуючого інтегратора. Визначити постійну інтегрування інтегратора.

5. ПОЯСНЕННЯ ДО РОБОТИ

ОП – це підсилювачі постійного струму з великим коефіцієнтом підсилення, що мають диференціальний вхід і один вихід. Виконуються ОП, в основному, у виді інтегральних мікросхем. Свою назву вони отримали завдяки своєму первинному застосуванню: для моделювання математичних операцій в аналогових обчислювальних машинах.

Властивості ОП близькі до властивостей ідеального диференціального підсилювача: симетрія входів, підсилення у широкому діапазоні частот, починаючи від постійного струму, нульова напруга на виході за відсутності сигналу на вході, великий коефіцієнт підсилення (в ідеалі – нескінченний), великий вхідний і малий вихідний опори (в ідеалі – нескінченний і рівний нулю, відповідно), великий динамічний діапазон.

Рис. 3.3 – Схема вмикання ОП типу 140УД7

Як показано на типовій схемі вмикання рис. 3.3, живлення ОП DА здійснюється від двох різнополярних джерел з однаковими абсолютними значеннями е.р.с. Е₁ і Е₂. До входів ОП прикла-дається вхідна напруга U_вх на фоні синфазної U_сф. При цьому ОП підсилює лише U_вх.

При подачі на неінвертуючий вхід нульового потенціалу, підсилювач є інвертуючим – вхідна і вихідна його напруги при цьому мають різні знаки (у випадку гармонійного сигналу вхідна і вихідна напруги знаходяться у протифазі).

При подачі нульового потенціалу на інвертуючий вхід, підсилювач стає неінвертуючим – знаки вхідної і вихідної напруг співпадають (у випадку гармонійного сигналу – вхідна і вихідна напруги синфазні).

Рис. 3.4 - Передатні характеристики ОП

Найважливішими характеристиками ОП є передатні характеристики, що являють собою залежність вихідної напруги ОП від вхідної за кожним із входів при нульовій напрузі на іншому. Ці характеристики представляють у вигляді двох кривих, що відносяться відповідно до інвертуючого і неінвертуючого входів, як показано на рис. 3.4.

За передатною характеристикою можна визначити наступні параметри ОП:

U_{вих max} – граничне значення вихідної напруги;

К₁, К₂ – коефіцієнти підсилення за входами ОП (К₁» К₂ = К_U);

U_зм0 – напруга зсуву (зміщення) нуля.

За однакових значень е.р.с. джерел живлення граничні значення напруг також однакові і близькі до е.р.с. джерел живлення.

Коефіцієнт підсилення ОП

Його значення залежить від типу ОП, і може складати від декількох тисяч до декількох десятків тисяч і більше.

Напруга зсуву нуля U_зм0 визначається як напруга, яку необхідно подати на вхід ОП, щоб U_вих = 0.

Іншими важливими параметрами ОП є вхідний опір, вхідні струми зсуву, різниця і дрейф вхідних струмів зсуву, вихідний опір, частотна смуга пропускання ОП та ін.

Розглянемо деякі типові аналогові пристрої, виконані на ОП.

При аналізі роботи цих пристроїв будемо вважати ОП за ідеальний, тобто:

1) К_U = ¥ (реально – десятки і сотні тисяч);

2) R_вх = ¥ за кожним входом (реально – сотні кілоом);

3) R_вих = 0 (реально – менш за 100 Ом).

При цьому будемо враховувати, що у ідеального ОП, якщо він працює у лінійному режимі (на пологій частині передатної характеристики), потенціали обох входів однакові. Тобто його U_вх = 0.

Дійсно, якщо К _U = ¥, то за будь-якого значення вихідної напруги U_вих, виявляється, що вхідна напруга .

Отже, маємо: у лінійному режимі ОП так керує зовнішнім НЗЗ, що напруга між його входами дорівнює нулю.

Реально ця напруга трохи відрізняється від нуля, бо К _U все ж таки менший за безкінечність. Однак для багатьох застосувань сучасні ОП можна вважати за ідеальні. При цьому похибки, зумовлені неврахуванням реальних параметрів, складають долі відсотка.

1) Інвертуючий підсилювач

Рис. 3.5 - Інвертуючий підсилювач на ОП

Інвертуючий підсилювач, схема якого наведена на рис. 3.5 (джерела живлення тут не показані), змінює знак вихідної напруги відносно вхідної.

У ОП, охопленого НЗЗ, у лінійному (підсилювальному) режимі різницю напруг між входами вважаємо рівною нулю: U₀ = 0. Виходячи з цього, потенціал інвертуючого входу (точка а) дорівнює потенціалу неінвертуючого, підімкненого до нульової точки. Тоді вхідний струм підсилювача становить

(3.1)

Це значить, що джерелом вхідного сигналу цей пристрій сприймається як резистор R₁ – вхідний опір інвертуючого підсилювача дорівнює опорові резистора R₁.

Оскільки у ОП R_вх = ¥, то струм I_вх, що втікає в точку а, витікати з неї може тільки через R_ЗЗ у вихід ОП і далі в одне з джерел живлення.

Отже . (3.2)

Щоб забезпечити протікання такого струму через R_ЗЗ, на виході ОП повинна бути напруга

(3.3)

З урахуванням виразів (3.1) – (3.3) знайдемо значення коефіцієнта підсилення інвертуючого підсилювача

(3.4)

2) Неінвертуючий підсилювач

Схема неінвертуючого підсилювача наведена на рис. 3.6.

Рис. 3.6 - Неінвертуючий підсилювач на ОП

Виходячи з викладених вище міркувань, при U₀ = 0 напруга, що прикладена до R₁, дорівнює U_вх, а через R₁ протікає струм

. (3.5)

Це значить, що . (3.6)

Отже, щоб забезпечити протікання струму I_ЗЗ через резистори R₁ і R_ЗЗ, на виході ОП повинна бути напруга

(3.7)

З урахуванням (3.5) – (3.7) коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача на ОП

(3.8)

Рис. 3.7- Повторювач напруги

Якщо задати R_ЗЗ = 0, а R₁ = ¥, то одержимо повторювач напруги – рис. 3.7. Він великий вхідний опір і малий вихідний і використовується для узгодження джерел сигналу, що мають великий опір з низько-омними навантаженнями.

3) Підсилювач-віднімач

Схема підсилювача-віднімача наведена на рис. 3.8.

Рис. 3.8 - Підсилювач-віднімач

Якщо у цій схемі прийняти, що U_вх1 = 0 (тобто припустимо, що верхній вхід під’єднано до точки „^”), схема зводиться до неінвертуючого підсилювача (див. рис. 3.6), на вхід якого сигнал U ^/_{вх 2} подається через дільник R₂, R₃.

Тоді (3.9) З урахуванням (3.8) одержимо

(3.10)

Якщо тепер прийняти U_вх2 = 0 (до точки „^” під’єднано нижній вхід підсилювача), то схема зводиться до інвертуючого підсилювача (див. рис. 3.5). Наявність резисторів R₂ і R₃ не впливає на нульовий потенціал неінвертуючого входу ОП (маємо вхід, підімкнений до нульової точки через провідник з опором R₃ /R₂ + R₃).

Тоді відповідно до (3.4) (3.11)

За одночасної дії обох вхідних сигналів

(3.12)

Якщо задати ; (3.13)

, (3.14)

то отримаємо . (3.15)

4) Інвертуючий інтегратор

Схема інвертуючого інтегратора на ОП наведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9 – Інвертуючий інтегратор

Як видно, вона відрізняється від схеми інвертуючого підсилювача, (див. рис. 3.5) тим, що замість R_ЗЗ ввімкнено конденсатор С.

Згідно з (3.1) і (3.2)

(3.16)

(3.17)

Оскільки конденсатор ввімкнено між виходом ОП і точкою а, що має нульовий потенціал, то

(3.18)

де – постійна інтегрування.

Якщо до входу пристрою прикласти постійну напругу, то

. (3.19)

тобто конденсатор заряджається струмом постійного значення, і напруга на ньому змінюється лінійно:

. (3.20)

Це є рівняння прямої, що починається з нуля.

Отже у даному разі на виході інтегратора маємо напругу, що лінійно змінюється. Така його властивість використовується в генераторах пилкоподібної напруги.

5) Диференціатор

Схема диференціатора наведена на рис. 3.10.

Рис. 3.10 - Диференціатор

Відомо, що

(3.21)

Оскільки ,

то (3.22)

Тоді (3.23)

Якщо вхідна напруга диференціатора змінюється лінійно , то згідно з (3.23) вихідна напруга матиме постійне значення.

На закінчення зазначимо, що, при роботі підсилювачів на ОП у лінійному режимі і за наявності глибокого НЗЗ, ОП за своїми параметрами істотно наближається до ідеального, бо різко зростає його вхідний опір і зменшується вихідний.

Перше, наприклад, пояснюється тим, що через малу різницю потенціалів між входами (U₀ ® 0) незначні і вхідні струми.

З іншого боку, з теорії зворотних зв’язків відомо, що якщо коефіцієнт зворотного зв’язку

(3.24)

то (3.25)

, (3.26)

де R_вхЗЗ і R_вихЗЗ – вхідний і вихідний опори підсилювача, охопленого НЗЗ.

Розглянуті схеми на ОП є основою для побудови найрізноманітніших пристроїв аналогової техніки: підсилювачів, суматорів, активних фільтрів, генераторів і т.п.

Дата добавления: 2015-07-02