Описание лабораторного стенда

Входное сопротивление

‑ обусловленно схемой входного ДК и режимом его работы. Например, если во входном ДК по схеме ОЭ стоят составные «супербета» транзисторы, из которых первый работает в микрорежиме, то  может доходить до сотен Ом.

Выходное сопротивление

‑ обусловлено сопротивлением выходного эмиттерного повторителя и составляет для ОУ десятки и сотни Ом.

Максимальное выходное напряжение

‑ обусловлено напряжением насыщения выходных транзисторов и близко к , то есть может составлять от 3 до 15 В.

Максимальный выходной ток

‑ определяется максимальным выходным током транзисторов эмиттерных повторителей.

К этим параметрам можно добавить максимальный потребляемый ток и суммарную потребляемую мощность.

Частотные параметры ОУ

‑ обусловлены наличием паразитных емкостей, а также зависимостью параметров транзисторов от частоты. АЧХ ОУ на рисунке 6.8.

Частота среза

‑ частота с которой начинается спад амплитудной характеристики.

Граничная частота ‑ частота, на которой коэффициент передачи  уменьшается в  раз по определению граничной частоты.

Частота единичного усиления – частота, на которой = 1.

Более точно можно было бы рассмотреть комплексный коэффициент передачи и его модуль.

Полоса пропускания

‑ оценивают по .

Использование ОУ основано на теории, предполагающей идеализацию операционного усилителя. Идеализация позволяет считать, что , , . Очевидно, что при  построение, например, линейных устройств без цепей отрицательной обратной связи невозможно. С другой стороны, наличие инвертирующего и неинвертирующего входов дает возможность включать ОУ в схемы как инвертирующее устройство, так и устройство без инверсии. Рассмотрим эти включения.

В связи с тем, что идеальный ОУ имеет , использование его в линейных цепях без цепей отрицательной обратной связи, ограничивающих , не представляется возможным.

Использование ОУ основано на теории, предполагающей идеализацию операционного усилителя. Идеализация позволяет считать, что , , . Очевидно, что при  построение, например, линейных устройств без цепей отрицательной обратной связи невозможно. С другой стороны, наличие инвертирующего и неинвертирующего входов дает возможность включать ОУ в схемы как инвертирующее устройство, так и устройство без инверсии. Рассмотрим эти включения.

В связи с тем, что идеальный ОУ имеет , использование его в линейных цепях без цепей отрицательной обратной связи, ограничивающих , не представляется возможным.

Неинвертирующее включение ОУ

 

                а                                                  б

Принципиальная (а) и эквивалентная (б)
схемы неинвертирующего включения ОУ

 

Сигнал от генератора поступает на ОУ и далее на выход – . Одновременно он поступает на делитель  и с него на инвертирующий вход. Этот сигнал обратной связи усиливается и инвертируется ОУ и в противофазе складывается с сигналом, поступившим на неинвертирующий вход. Таким образом, мы имеем дело с четырехполюсником (ОУ), охваченным цепью ООС (последовательная ООС по напряжению), со всеми вытекающими последствиями (см. рис. 6.9б). Роль четырехполюсника ОС выполняет делитель .

 

; ; .

 

Если , то .

 

ООС влияет на входное сопротивление, увеличивая его в  раз, и в такое же количество уменьшая выходное сопротивление:

 

;

 

.

 

Учитывая синфазные составляющие сигнала, получаем, что коэффициент усиления ОУ с учетом коэффициента ослабления синфазных сигналов :

 

.

 

При .

Вместо резистора  можно взять импеданс :

 

.

 

В этом случае получается частотнозависимая передаточная функция усилителя. Возможны и другие варианты.

Инвертирующее включение

В случае инвертирующего включения ОУ  пересчитываем на вход .

 

      а                                                                    б

Принципиальная (а) и эквивалентная (б)
схемы инвертирующего включения ОУ

 

;

 

;

 

.

 

Выносим  из знаменателя: .

Подставим в .

Так как ,

.

 

Знак "–" в последнем выражении означает инверсию фазы входного сигнала.

С учетом коэффициента ослабления синфазных сигналов :

.

 

 или, более точно, .

 

.

Вместо резисторов  можно взять импеданс  или любые другие комбинации активных и реактивных элементов.

На рисунке видно, что имеет место несимметричное включение по входу и выходу. Для простоты все служебные цепи (питание, балансировка, коррекция, защита) не приводятся. Найдем коэффициент передачи по напряжению

.

 

Напряжение сигнала  подется на неинвертирующий вход. С выхода ОУ на инвертирующий вход поступает сигнал ОС. Он подается на делитель , а снимается с R.

Напряжение обратной связи

.

Здесь точнее надо брать модуль коэффициента передачи цепи обратной связи

.

Воспользуемся свойством входов ОУ (виртуальный ноль). Можно записать, что

.

 

И тогда

.

 

Например, при R = 1 кОм, = 10 кОм, = 11.

Операционный усилитель (ОУ) является базовым радиотехническим компонентом, обладающим большим усилением (в том числе, и усилением постоянной составляющей), дифференциальным построением усилительного тракта, большим входным  и малым выходным сопротивлениями. Для используемого в лабораторном макете ОУ

≈ 10⁵, > 10⁷ Ом,  < 500 Ом.

Дифференциальный усилитель (ДУ) - это усилитель с двумя входами, относительно которых коэффициенты передачи и  равны по величине и противоположны по знаку. ДУ, у которого указанные условия выполняются, является идеальным. Один из входов ДУ называется не инвертирующим, другой - инвертирующим. Усиление сигнала (рис.1), поступающего на инвертирующий вход, происходит с изменением (инверсией) знака на противоположный.

Во входных сигналах ,  _- ДУ различают дифференциальную (разностную)  и синфазную (общую) составляющие

              =  -  ;  = (  - ).                 (1)

Для характеристики передаточных свойств ДУ вводят следующие параметры:  и — коэффициенты передачи усилителя по неинвертирующему и инвертирующему входам;  и — коэффициенты передачи дифференциальной и синфазной составляющих сигнала:

; = — ; = + .    (2)

В идеальном ДУ , =0, = .

В реальных ДУ , 0, в результате чего ДУ чувствителен не только к дифференциальной, но и синфазной составляющей сигнала.

Количественная оценка качества усилителя как дифференциального производится с помощью коэффициента относительного ослабления синфазного сигнала / .

Интегральный ОУ является усилителем постоянного тока (УПТ). На работу схемы УПТ могут повлиять источники статической ошибки, вызывающие отклонения режимов работы на постоянном токе от ожидаемых. Такие источники, даже при отсутствии входных сигналов, вызывают появление на выходе ОУ постоянного потенциала . Действие источников статической ошибки характеризуют с помощью одного эквивалентного генератора ЭДС , включенного последовательно с неинверти-рующим входом (рис.2). При номинальных условиях работы ОУ оценка предельных значений и осуществляется по формулам

+ ; = ош,

где  - напряжение , характеризующее возможные пределные отклонения нулевой точки статической амплитудной характеристики ОУ (рис.3); ,  - полные сопротивления на постоянном токе цепей, подключаемых к неинвертирующему и инвертирующему входам; , постоянные составляющие входных токов по неинвертирующему и инвертирующему входам; ош - коэффициент передачи схемы на постоянном токе относительно неинвертирующего входа.

 

Все устройства с ОУ можно разделить на три разновидности. К первой разновидности относятся схемы с глубокими отрицательными обратными связями (ООС). Ко второй - устройства, в которыхОУ используется без обратной связи. К третьей - схемы на ОУ с положительной обратной связью (ПОС).

В схемах с глубокой ООС требуемые передаточные свойства устройств на ОУ задаются цепью обратной связи. В некоторых пределах эти свойства не зависят от параметров самого операционного усилителя.

В устройствах с ООС различают три основных способа включения ОУ в схему устройства. Это инвертирующее включение (рис.4,а), неинвертирующее включение (рис.4,6) и комбинированное включение (рис.4,в).

Во всех схемах рис.4 в условиях глубокой ООС ( ) можно пренебречь сигнальными значениями  и , считая = 0 и = 0, при этом  =  . Соотношение = 0 вытекает из того, что  = / , где  и . В условиях глубокой ООС приближение =0 применимо, даже и при значениях сопротивления = 0, так как сигнальная разность потенциалов на этом сопротивлении  = 0. Соотношения  =  и  = 0 являются основополагающими при приближенных методах анализа свойств схем, организуемых на базе операционных усилителей с глубокими ООС.

При частотно-независимом характере сопротивлений и ( = R1, = ) передаточные свойства схем рис.4 не зависят от частоты в широком частотном диапазоне. Такие усилители называются масштабными. В схеме сумматора (рис.5,а)

                            

где /

В этой схеме источники сигналов объединены в общей точке «а», имеющей нулевой потенциал ( ), в результате чего отсутствует взаимное влияние источников сигнала друг на друга.

Схема дифференциального усилителя с  = R2/R1 изображена на рис.5,6. Она организована на основе комбинированного включения ОУ и отличается от последнего наличием дополнительного делителя R3, R4 в цепи неинвертирующего входа. В случае, когда R4 R1 = R3 R2,  =  и ДУ по своим свойствам близок к идеальному (К_с=0).

На рис.5,в приведена схема инвертирующего масштабного усилителя с трехполюсным элементом в цепи обратной связи.

 

                  В ней = (R2R1+ R2R4 + R\R4)/R1R3                            (3)

В ряде случаев не требуется усиление постоянной составляющей, в результате чего в устройства могут быть введены разделительные конденсаторы . Примеры таких масштабных усилителей переменного сигнала приведены на рис.6.

Включение в схему на ОУ конденсатора не отражается на если для всех час­тотных составляющих сигнала выполняется условие (1/ ) « R2. Введение в схему до­полнительных конденсаторов вызывает снижение коэффициента передачи ош напря­жения U ош вх, вследствие чего влияние этого напряжения на режим работы схемы уменьшается.

Для схемы рис.6,а _ош = 1, а для схемы рис.6,б _om =1 + .    

Нелинейные по передаточным свойствам устройства организуются на основе схе­мы УПТ рис.4,а за счет использования в ней нелинейных по вольтамперным характери­стикам двухполюсников.

Основной характеристикой нелинейного элемента (НЭ) является его вольтамперная характеристика (ВАХ). Различают прямую и обратную В АХ. Первая представляет зависимость тока  от напряжения , вторая зависимость  напряжения от тока .

В схемах рис.4,а роль НЭ обычно выполняет один из двух входящих в схему двух­полюсников. При включении НЭ вместо двухполюсника Zl (Zf линейный резистор Rf) характер зависимости от  совпадает с точностью до постоянного множителя с прямой ВАХ НЭ. Эту схему называют схемой прямого нелинейного функционального преобразования. В схемах, где нелинейным элементом является двухполюсник (  линейный резистор R1), зависимость  от  совпадает по своему характеру с обрат­ной ВАХ НЭ. Эту схему называют схемой обратного нелинейного преобразования.

Часто в качестве НЭ в устройствах нелинейного функционального преобразования используют диоды. В них, в условиях прямосмещенного р-n - перехода относительно больших значениях тока ( >> ) и напряжения ( >> ) прямая ВАХ имеет экспо­ненциальный (потенцирующий) характер, а обратная - логарифмический;

= (  - 1) ; = m m ,

где  - ток насыщения обратного смещения р-n -перехода;  температурный по­тенциал ( 0,026 В); m - конструктивно-технологическая постоянная (m = 1.. .3).

 

 

В схеме рис.7,а в условиях, когда >>1 ( >>0.026 В),

 

                              = ,                                              (4)

где  = ,  = m ,

а, в схеме рис.7,6 при >> 1 ( >>0.026 В),

                                     = ( ).                                 (5)

Точность выполнения операций потенцирования и логарифмирования может ока­заться пониженной как при больших, так и при малых значениях тока . Это связано с тем, что при больших значениях тока диод теряет нелинейные свойства, так как нели­нейное динамическое сопротивление  ( = m ) его р-n -перехода становится мень­ше омического сопротивления линейного по ВАХ кристалла. При малых в формиро­вании выходных сигналов существенную роль играют паразитные дополнительные токи, которые, в первую очередь, обусловлены источниками возможных статических погреш­ностей, тем, что 0 и 0. В результате действия указанных факторов реальные передаточные свойства схем рис.7 соответствуют ожидаемым (4) и (5) лишь в ограни­ченном диапазоне, границы которого можно определить по протяженности линейной части графиков зависимостей представленных в полулогарифмическом масштабе. При этом для потенцирующей схемы логарифмический масштаб следует ис­пользовать по оси , а для логарифмирующей - по оси . При изображенных на рис.7 полярностях включения диодов нелинейному пеобразованию подвергаются поло­жительные по входу сигналы.

Устройства фильтрации на ОУ организуются в соответствии со схемами рис.4 за счет использования в них частотно-зависимых по сопротивлению двухполюсников Z1 и Zf. В схеме рис.8,а сопротивление Z1 обратно пропорционально частоте, в результате че­го в ней происходит пропорциональный частоте рост значения Kf. Такой амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) обладают устройства дифференцирования, в резуль­тате чего в схеме

   ;         (6) 

где .

 

 

В реальных устройствах дифференцирования, собранных в соответствии со схемой рис.8,а, последовательно с конденсатором  обычно оказывается включен резистор , в качестве которого выступает внутреннее сопротивление источника сигнала. В результате пропорциональный частоте рост коэффициента передачи ограничен частотами , мень­шими частоты , где , при этом ход амплитудно-частотной характеристики, в отличие от (6) определяется формулой

(7)

 

На рис.9 приведены графики функции (7), которые являются логарифмическими амплитудно-частотными характеристиками (ЛАЧХ) дифференцирующего устройства рис.8,а.

В устройствах рис.8,б  уменьшается пропорционально частоте. Такой АЧХ обладают интегрирующие устройства, поэтому для схемы рис.8,б справедливы соотношения:

 

,

 

где .

Интегратор рис.8,6 является устройством с разомкнутой обратной связью на по­стоянном токе. В нем возможно недопустимо большое влияние статической ошибки . Уменьшение влияния ошибки в ряде случаев достигается введением в схему до­полнительного резистора , снижающее возможное предельное значение статической погрешности на выходе до величины .

 

 

Введение в схему дополнительного резистора  ограничивает частотный диапазон интегратора снизу частотой , при этом его АЧХ отличается от ожидаемой (8) и определяется соотношением

,

где .

На рис.10 приведен график функции (9), который является ЛАЧХ схемы рис.8,6 для случая, когда  с, . В области повышенных частот  при  АЧХ устройства рис.8,6 по существу совпадает с АЧХ (8) идеального интегратора даже при наличии в схеме резистора , при этом

.

 

Аналоговое звено с АЧХ вида (9) называется простейшим инерционным звеном или же фильтром нижних частот (ФНЧ) первого порядка. Паразитные емкости в реаль­ных схемах совместно с ненулевыми по сопротивлению источниками сигнальных токов образуют такие ФНЧ на пути прохождения сигналов. Фильтрующее действие указанных цепей ощутимо в высокочастотной области, особенно на частотах . ФНЧ такого типа присутствуют и в самом операционном усилителе (ОУ), в результате чего в схемах на ОУ возникают частотные искажения даже в схемах с чисто резистивными частотно-независимыми цепями обратной связи, например, в масштабных усилителях и схемах рис.5. В них частотная независимость коэффициента усиления наблюдается лишь в ог­раниченной частотной области , где - граничная частота масштабного усилителя, организованного на ОУ с собственной граничной частотой , - постоянная времени основного по инерционности звена ОУ. В области частот , где  гра­ничная частота второго по инерционности звена ОУ, наблюдается постоянство площади усиления . Сказанное иллюстрирует ход графиков рис.11, на котором приведе­ны ЛАЧХ масштабного усилителя рис.5,в для ряда значений , определяемых соотно­шениями (3), где  значение  на частотах, где не сказывается влияние инерционных свойств ОУ.

Введение в состав рис.5,в конденсатора , как показано на рис.6,6, хотя и снижает коэффициент передачи  до значения , но вызывает спад ампли­тудно-частотной характеристики в области низких частот. Частота, на которой в низко­частотной области спад характеристики составляет - 3 дБ (Kf уменьшается в  раз), . Графики ЛАЧХ с учетом низкочастотных искажений отмечены на рис.11 пунктирными линиями.

При сближении с , а также в условиях, когда , амплитудно-частотная характеристика масштабного усилителя имеет квазирезонансный характер (график 1 на рис.11).

Амплитудно-частотными характеристиками, подобными изображенным на рис.11, обладает и схема рис.6,а, за исключением того, что в ней при , , а не к .

Операционный усилитель находит широкое применение при построении различных схем генерирования и обработки сигналов. К таким схемам относятся генераторы синусоидальных, прямоугольных, треугольных, пилообразных и более сложных по форме сигналов, ждущие мультивибраторы, компараторы, дискриминаторы амплитуды, формирователи импульсов и ряд других.

Схемы, в которых ОУ не охвачен ООС, используются в качестве компараторов - устройств сравнения двух сигналов.

Аналоговые компараторы

Компаратор сравнивает напряжение сигнала на одном входе с опорным напряжением, поданным на его другой вход. При этом на выходе компаратора отрабатывается двоичный уровень напряжения, значение которого позволяет судить о том, больше или меньше напряжение исследуемого сигнала по отношению к опорному.В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель, на один из входов которого подан входной сигнал, а на другой - опорное напряжение

Из передаточной характеристики ОУ (см. рис. 6.8) легко видеть, что если напряжение входного сигнала превосходит опорное напряжение, то на выходе ОУ устанавливается низкий уровень U^-_нас, определяемый отрицательным напряжением насыщения, в противном случае - высокий уровень U⁺_нас равный положительному напряжению насыщения. Операционный усилитель входит в насыщение всякий раз, когда разностный сигнал на его входах (V_д = E_вх-Е_оп) по модулю превосходит некоторую величину

,

где К₀ ‑ коэффициент усиления ОУ. Такой компаратор фактически определяет моменты равенства сигналов (Е_вх±ε^±) и Е_оп. При больших коэффициентах усиления ОУ величиной ε^± можно пренебречь. Так, если К₀ = 10⁵, U^±_нас = ±10 В, то ε^± = ±10/10⁵ = ±100 мкВ.

 

 

 

На рисунке приведены входной сигнал, постоянное опорное напряжение и отрабатываемый анализируемым компаратором выходной сигнал. На интервалах времени, когда U_вх>E_оп  выходной сигнал равен U^-_нас. При U_вх<E_оп  напряжение на выходе компаратора положительно и равно U⁺_нас. Переход U_вых из одного состояния в другое определяет моменты равенства входного и опорного напряжений. Кроме того, этот переход показывает, в каком направлении Е_вх пересекает уровень опорного напряжения. Так, изменение U_вых от U^-_нас до U⁺_нас говорит о том, что входной сигнал пересекает уровень опорного напряжения, уменьшаясь по величине.

В качестве компаратора может применяться и ОУ, на неинвертирующий вход которого подается исследуемый сигнал, а на инвертирующий - опорный. Выход такого компаратора будет в состоянии U⁺_нас когда Е_вх>Е_оп, и в состоянии U^-_нас, если Е_вх<Е_оп. Переход же из состояния U^-_нас в состояние U⁺_нас происходит всякий раз, когда входной сигнал пересекает уровень опорного напряжения, увеличиваясь по величине.

В реальных схемах компараторов порог срабатывания отличается от значения Е_оп задаваемого источником опорного напряжения. Это отличие определяется суммарной величиной, слагаемыми которой являются найденная из (6.1) величина ε^± а также ошибки, возникающие за счет конечных входных токов ОУ, напряжения смещения, нуля е_см0, синфазного сигнала, приведенного ко входу усилителя DU_c. Особенно велика абсолютная погрешность, вносимая синфазным входным сигналом, у компаратора однополярных сигналов при больших Е_оп.

 

Схема (а) компаратора с положительной обратной связью и его передаточная характеристика (б)

 

Рассмотренные компараторы обладают следующим существенным недостатком. В реальных ситуациях на входе компаратора действует, не только полезный сигнал, но и некоторый шум, который является, например, следствием неизбежных наводок на подводящих проводах. На рисунке напряжение шумов условно изображено в виде генератора напряжения Е_ш, включенного последовательно с генератором полезного сигнала Е_вх Непосредственно на вход ОУ воздействует теперь суммарный сигнал. Хотя амплитуда помех существенно ниже амплитуды полезного сигнала, при приближении Е_вх к опорному напряжению будет наблюдаться многократное переключение компаратора, если только частота шума значительно превосходит частоту полезного сигнала.

 

 

Входные сигналы компаратора при воздействии помех (а) и возникающие ложные срабатывания (б)

 

В приведенной на рисунке (б) ситуации наблюдается четыре ложных срабатывания компаратора, вызванных наличием напряжения шума. С целью увеличения помехоустойчивости компаратора на ОУ в последнем реализуется положительная обратная связь (ПОС), которая осуществляется путем подачи на неинвертирующий вход некоторой части напряжения U_вых. В предыдущих схемах компаратора уровень опорного напряжения предполагался фиксированным. В схеме компаратора с ПОС значение опорного напряжения, воздействующего непосредственно на неинвертирующий вход ОУ, зависит от состояния последнего. Если выход операционного усилителя находится в состоянии U⁺_нас, то переключение компаратора в состояние U^-_нас происходит при достижении входным напряжением некоторого значения U_ср, называемого порогом срабатывания. Его величина определяется из соотношения

                              

Переключение компаратора из состояния U^-_нас в состояние U⁺_нас происходит лишь при уменьшении напряжения входного сигнала до величины U_отп, называемой порогом отпускания. Значение порога отпускания определяется выражением

                                              

в котором предполагается, что U^-_нас<0. На основании приведенных формул  легко определить зону гистерезиса

Очевидно, что зона гистерезиса определяет величину помехоустойчивости схемы, поскольку возврат компаратора в предыдущее состояние произойдет только в том случае, если сигнал уменьшится на величину U_г. В схемах компараторов с ПОС при значительных уровнях помех отсутствуют ложные срабатывания.

 

 

 Отработка выходного напряжения компаратором с ПОС при наличии помех

 

Наряду с повышением помехоустойчивости компаратора положительная обратная связь приводит к увеличению скорости его переключения за счет возникновения регенеративного процесса. Пусть, например, Е_вх<U_ср. Тогда дифференциальный сигнал на входе ОУ V_д<0 (V_д = Е_вх-U_ср) и U_вых = U⁺_нас. Если теперь Е_вх станет несколько больше U_ср, то дифференциальный сигнал изменит знак (V_д станет больше 0) и ОУ начнет переключаться в противоположное состояние. Теперь часть U_вых, подаваемая на вход ОУ, станет меньшей, вследствие чего V_д еще больше возрастет, что приведет к еще большему изменению и т.д. Благодаря ПОС в схеме как только начинает изменяться U_вых возникает регенеративный процесс. В итоге схема переключается в состояние U_вых = U^-_нас. По аналогии можно пояснить переход компаратора из состояния, U^-_нас в состояние U⁺_нас.

Хотя компараторы легко реализуются на одном ОУ, в интегральной схемотехнике часто используются и специально разработанные микросхемы компараторов, которые по сравнению с компараторами на ОУ имеют ряд преимуществ. Прежде всего, они характеризуются существенно большей скоростью переключения. Это достигается благодаря специальным схемотехническим приемам, обеспечивающим быстрый выход каскада из режима насыщения. Кроме того, выходной сигнал компаратора изменяется в пределах, позволяющих непосредственно управлять логическими элементами.

Выходной сигнал идеального компаратора принима­ет только два значения, одно из которых  принимается за сигнал логической едини­цы, другое  соответствует крайним значениям питающих ОУ напряжений  и .

Процедура сравнения в идеальном компараторе описывается соотношениями:

если ;

если ;

если  компаратор находится в состоянии переключения.

Введение в схему компаратора положительной обратной связи (рис.12) придает компаратору свойства гистерезиса при переключении. Переключение в таком компара­торе из состояния  в  осуществляется при положительном значении , равном , где , так как при этих значениях  выполняются условия указанно­го переключения  и . Для переключения компаратора из состояния  в  сигнал  должен быть отрицательным и по величине равным .

 

Мультивибраторы

Операционные усилители удобно использовать при построении мультивибраторов, работающих как в ждущем, так и в автоколебательном режимах.

На рисунке приведена схема генератора сигналов прямоугольной формы (автоколебательного мультивибратора), который реализован на основе компаратора на ОУ с положительной обратной связью. Пороги срабатывания U_ср и отпускания U_отп такого компаратора соответственно равны

;                                   (*)

.                                       (**)

Операционный усилитель в этой схеме охвачен отрицательной обратной связью, реализованной с помощью пассивной интегрирующей RС-цепи.

 

 

Направления токов автоколебательного мультивибратора для полупериодов t₁ (a) и t₂ (б)

 

Работа схемы сводится к следующему. Когда U_вых = U⁺_нас (рис. а), происходит заряд конденсатора С с постоянной времени t=RС. До тех пор, пока напряжение на конденсаторе V_C остается ниже порога срабатывания компаратора U_cp, определяемого из (6.4), на его выходе сохраняется значение U⁺_нас. Как только V_C сравнивается с порогом срабатывания U_cр, происходит переброс компаратора в состояние U_вых = U^-_нас. На неинвертирующем входе ОУ устанавливается отрицательное напряжение, равное порогу отпускания, определяемому из (**). С этого момента начинается перезаряд конденсатора (с той же постоянной времени) который стремится к величине U^-_нас (рис. б). Начальное напряжение на конденсаторе равно порогу срабатывания U_ср. При достижении теперь напряжением V_C величины порога отпускания U_отп компаратор возвращается в первоначальное состояние (рис. а), причем напряжение на конденсаторе равно U_отп. Конденсатор вновь будет перезаряжаться, стремясь к величине U⁺_нас. При достижении им порога U_ср опять произойдет перерос компаратора, и т.д.

Проиллюстрируем работу мультивибратора в течение одного периода с помощью временной диаграммы. На рисунке штрихпунктирной линией обозначен сигнал U⁺ на неинвертирующем входе ОУ (сигнал ПОС), сплошной линией - сигнал на инвертирующем входе U^-, который совпадает с напряжением на конденсаторе V_C, а также выходной сигнал мультивибратора. Период колебаний мультивибратора задается величиной Т = t₁+t₂.

 

 Формы напряжений на входах ОУ
и выходе мультивибратора

 

Интервал t₁ (t₂) определяется временем перезарядка конденсатора с постоянной времени t=RC от значения U_отп до U_ср (U_ср до U_отп). Эти величины нетрудно найти, воспользовавшись решением дифференциального уравнения

                                       

при соответствующих начальных условиях:

    .                          

 

Положив в (2) для полупериода t₁ значения Е = U⁺_нас,Vc(0) = U_отп, t = t₁, V_c(t₁) = U_cp, а для полупериода t₂ - E = U^-_нас, t = t₂, V_c(0) = U_cp, V_c(t₂) = U_отп, получим уравнения относительно t₁ и t₂, из которых последние легко получить в виде

;

.

Если U⁺_нас = -U^-_нас, то t₁ = t₂ и период

 

T = 2RC ln(1+2 R₁ / R₂).

 

Значения R₁ и R₂ можно выбрать из соотношения R₂ = (е-1)R₁/2 (R₂~0,86/R₁). Тогда T = 2RС.

Ждущий мультивибратор (часто его называют одновибратором) под действием входного сигнала запуска генерирует одиночный импульс заданной длительности. Схемы одновибраторов на основе ОУ могут быть получены из соответствующих схем автоколебательных мультивибраторов. Для этого необходимо последний «затормозить» в одном из его квазиустойчивых состояний, а также организовать цепь запуска.

Ждущий мультивибратор

На рисунке диод Д1 ограничивает возможность заряда конденсатора при U_вых = U⁺_нас. В этом случае напряжение на конденсаторе возрастает лишь до величины, определяемой падением напряжения на прямо смещенном диоде Д1 (~0,6 В). Если напряжение на неинвертирующем входе V⁺, передаваемое по цепи ЦОС, превосходит падение напряжения на диоде Д1, то схема будет находиться (сколь угодно долго) в устойчивом состоянии U_вых = U⁺_нас. Это так называемый ждущий режим одновибратора.

Цепь запуска одновибратора, состоящая из дифференцирующей R_вхC_вх-цепи и диода Д2, предназначена для подачи входных сигналов произвольной длительности с целью перевода одновибратора в квазиустойчивое состояние. На выходе дифференцирующей цепи по переднему и заднему фронту запускающего сигнала формируются короткие разнополярные сигналы. Назначение диода Д2 — пропускать на неинвертирующий вход ОУ лишь импульсы отрицательной полярности, которые и осуществляют переброс одновибратора. Если амплитуда входного сигнала превосходит величину порога срабатывания компаратора U_ср, то последний перебрасывается в противоположное (квазиустойчивое) состояние, так как напряжение на входе «+» ОУ станет ниже напряжения на его входе, «‑».

 

С этого момента ждущий мультивибратор будет находиться в режиме выдержки. По цепи ПОС на входе «+» ОУ теперь установится отрицательное напряжение, определяющее порог отпускания компаратора. Диод Д1 в этом состоянии не влияет на процессы в схеме, поскольку он оказывается включенным в обратном направлении. Конденсатор С разряжается до 0 В и стремится далее перезарядиться до отрицательного напряжения U^-_нас. Как и в схеме автоколебательного мультивибратора, когда напряжение на конденсаторе по абсолютной величине станет чуть больше порога отпускания компаратора, ОУ переключится в состояние U_вых = U⁺_нас. По цепи ПОС на входе «+» установится порог U_cp, а конденсатор С снова перезарядится лишь до напряжения, определяемого напряжением прямосмещенного диода Д1. Ждущий мультивибратор вернется в исходное устойчивое состояние.

Длительность выходного импульса t ждущего мультивибратора можно определить, если положить в выражении (6.7) t = t, Е = U^–_нас, V_c(t) = R₁/(R₁+R₂), V_c(0) = V_c0. Тогда

,                   

где V_c0 ‑ падение напряжения на прямосмещенном диоде Д1 в ждущем режиме одновибратора.

Предположим теперь, что V_c0 ~0, а отношение сопротивлений R₁/R₂ выбрано достаточно малым (R₁<<R₂). Разложив при таких предположениях логарифмический член выражения t = R×C×R₁/R₂. Рассмотренная схема одновибратора по переднему фронту запускающего отрицательного импульса (либо по заднему фронту положительного импульса) генерировала сигнал отрицательной полярности. Чтобы получить ждущий мультивибратор, генерирующий положительный импульс по переднему фронту положительного запускающего импульса (либо по заднему фронту отрицательного импульса), достаточно изменить лишь полярность включения диодов Д1 и Д2.

На рис.13 представлена схема автогенератора-мультивибратора, вырабатывающего последовательность прямоугольных импульсов скважностью два и амплитудой . Ос­новным звеном такого генератора является компаратор с ПОС. В процессе работы схемы происходит периодический перезаряд конденсатора  через резистор  до значений сиг­нала . Условия переключения компаратора  выполняются периодически, в ре­зультате чего напряжение на выходе компаратора периодически изменяется от  до  и обратно. В случае, когда , длительность одного цикла переключения (дли­тельность генерируемых импульсов) определяется соотношением

                               (10)

 

Неинвертирующий сумматор

 

 

                а                                                  б

 

 Неинвертирующий сумматор,

а)  кОм; б) полная схема входной цепи

 

Сигнал от генераторов поступает на неинвертирующий вход ОУ, поэтому коэффициент передачи операционного усилителя с цепью ООС будет:

 

.

 

Поскольку входное сопротивление ОУ близко к бесконечности, получается, что сигнал, например с первого генератора, поступает на резистивный делитель , а снимается на входе с цепочки . Пренебрегая сопротивлениями источников, получим коэффициент передачи делителя по первому сигналу:

 

.

 

Аналогично находится коэффициент передачи по второму сигналу:

 

.

 

Общий коэффициент передачи сигнала на выходе по первому генератору , по второму: .

По принципу суперпозиции линейных цепей сигнал на выходе равен сумме входных сигналов.

Если входное сопротивление ОУ сравнимо с  и , то коэффициент передачи, например по первому сигналу, будет:

 

,

 

.

 

По такой же схеме может быть построен неинвертирующий сумматор-усилитель. Для этого следует увеличить отношение резисторов .

Дифференциальный усилитель

Коэффициент усиления по инвертирующему входу , по неинвертирующему – . Так как на неинвертирующем входе сигнал снимается с резистивного делителя , имеющего коэффициент передачи , то общий коэффициент передачи усилителя получается равным:

,

то есть мы получаем равенство коэффициентов усиления по обоим входам.

 

Дифференциальный усилитель,

 кОм,  кОм.

 

Резонансный усилитель

В резонансных усилителях используются так называемые «минимально-фазовые цепи», т.е. цепи, на частоте настройки которых имеются равный нулю коэффициент передачи и нулевой фазовый сдвиг.

При построении резонансных усилителей в качестве цепи, определяющей АЧХ, применяют двойной Т-мост, который включается на выход ОУ. Сигнал с моста поступает на инвертирующий вход, создавая отрицательную обратную связь. Коэффициент ООС определяется коэффициентом передачи моста.

При подходе к некоторой частоте , коэффициент передачи схемы становится равен нулю, а при переходе через , меняет знак фазовый сдвиг коэффициента передачи. Частоту  называют частотой настройки или частотой квазирезонанса. Однако резонансные свойства проявляются только при определенных значениях элементов цепи. Например, на рисунке 6.21а, при , , , , ,  частота квазирезонанса .

На частоте  мост не работает, ООС отсутствует, и общий коэффициент усиления схемы определяется лишь схемой неинвертирующего усилителя:

.

А если частота сигнала сильно отличается от , то коэффициент передачи моста стремится к единице, и мы получаем стопроцентную отрицательную обратную связь. Общий коэффициент передачи схемы в этом случае равен единице.

 

        

 

а                                                                                         б

 

 

в                                                                                г

 

На рисунке (Г) приведена амплитудно-частотная характеристика коэффициента передачи квазирезонансного усилителя.

 

Описание лабораторного стенда

Любая из исследуемых схем может быть построена подключением к выводам операционного усилителя (ОУ) со­ответствующих пассивных элементов с помощью переключателей . Лабораторный стенд помимо исследуемого устройства включает в себя генератор входного сигнала и мультиметр, позволяющий измерять напряжения в контрольных точках каждого из ис­следуемых усилителей.

Показания мультиметра соответствуют среднеквадратическому значению измеряемой величины, в том числе и при измерении несинусоидальных напряжений.

Полярность измеряемого выходного напряжения постоянного тока должна быть определена самостоятельно с помощью осциллографа. Полярность постоянного входного напряжения задается нажатием кнопки "УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ", обеспечивающим зажигание светодиода у значения частоты, имеющего знак "+" или "-".

Для повышения точности измерения предусмотрены три предела шкалы мультиметра. Первый - для диапазона измеряемых напряжений меньше 100 мВ (3 значащих цифры после запятой), второй - для
напряжений до 1 В (2 значащих цифры после запятой) и третий - для напряжений до 10 В. Переключение шкал осуществляется с помощью кнопки "ЗНАЧЕНИЕ", расположенной под индикатором. Превышение допустимых пределов измерения сопровождается высвечиванием на ЖКД надписи "ПЕРЕГРУЗКА". При отсутствии перегрузки необходимо пользоваться шкалой большей точности. Переключение измеряемой величины осуществляется «перелистыванием» страниц ЖКД с помощью кнопок ◄, ►, расположенных под дисплеем.

Подключение мультиметра к необходимой контрольной точке осуществляется с помощью кнопок, расположенных под жидкокристаллическим дисплеем, отображающим измеряемую величину и ее значение. Генератор входного сигнала может формировать сиг­налы следующих видов: синусоидальный, постоянного тока и последовательности прямо­угольных и треугольных импульсов. Частота сигнала может дискретно изменяться с помо­щью соответствующих кнопок, расположенных на лицевой панели лабораторного стенда. Амплитуда сигнала дискретно регулируется с помощью соответствующего аттенюатора. В лабораторном стенде предусмотрена возможность подключения двухлучевого осцилло­графа к необходимым контрольным точкам. При этом с помощью соответствующих кно­пок управления каждый канал осциллографа может независимо подключаться к любой кон­трольной точке.

Управление переключателями  также осуществляется с помощью кнопок управления, расположенных в нижней части лицевой панели стенда, путем однократного нажатия на кнопку и удержания ее в течение 0,5 сек. Текущее положение любого переклю­чателя индицируется зажиганием соответствующего светодиода.

Подключение двухлучевого осциллографа к лабораторному стенду осуществля­ется с помощью соответствующих разъемов, выведенных на заднюю панель стенда.

 

Порядок выполнения работы

1. На постоянном токе исследуйте ход амплитудных характеристик , соответствующих трем вариантам построения масштабных усилителей:

рис.4,а (вкл); ;

рис.4,6  (вкл); ;

рис.4,в  (вкл); .

Снятие амплитудных характеристик производится в пределах . Информация о полярности выходного напряжения может быть получена по показаниям ос­циллографа.

По результатам проведенных измерений построить графики амплитудных харак­теристик, вычислить значения  и сравнить их с ожидаемыми, определяемыми соотно­шениями на рис.4. Вычисление  производить на основе соотношения , где  и - приращения выходного и входного напряжений определенные по любым двум точкам амплитудных характеристик.

 

2. Исследуйте влияние напряжения источника сигнала на входной ток , протекающий по резистору . Для этого в схеме рис.4,в при  (  (выкл), ) измерьте ряд значений падения напряжения на , отвечающих нескольким значениям  и вычислите .

 

3. Исследуйте свойства дифференциального усилителя рис.5,6 (  (вкл), ). Исследование выполнить на постоянном токе в приведенной последова­тельности:

а) вычислите значение коэффициента усиления , предварительно измерив два значения напряжений и  при  ( ) и ;

б) вычислите значение коэффициента усиления , предварительно измерив при  ( ) напряжения и , аналогично п.а) ( );

в) по найденным значениям  и  с помощью (2) определите основные параметры дифференциального усилителя: , и ;

г) при б (  (вкл), ) измерьте значения напряжений , отвечающих двум ненулевым напряжениям и . и определите .

 

4. Исследуйте свойства инвертирующего масштабного усилителя. Для этого опре­делите коэффициент передачи  в схеме рис.4а (  (вкл), ) и сопос­тавьте его с ожидаемым, определенным соотношением (см.рис.4а).

Измерение выполняет­ся на частоте 40 Гц при уровне синусоидального входного сигнала 0.02 - 0.05 В. На этой частоте сопротивлением конденсатора  по сравнению с сопротивлением резистора  можно пренебречь.

 

5. Измерьте значения напряжения ( ), соответствующие различным значениям коэффициента усиления схемы на постоянном токе (при , 3 и 6). Для всех указанных схем вычислите напряжение . Вычисление  осуществите с помощью приведенных на рис.4,6 соотношений. При этом учтите, что на постоянном токе ветви цепи, содержащие конденсаторы, являются ветвями с беско­нечно большим сопротивлением ( ).

 

6. Исследуйте на постоянном токе ход передаточной характеристики  нелинейного устройства потенцирующего типа (рис.7,а) ( ). Из­мерения проводятся в диапазоне входных напряжений -0.2 В ... -0.5 В.

Результаты измерений представьте в виде графика, построенного в полулогариф­мическом масштабе с использованием логарифмического масштаба по оси  и линейно­го - по оси . Здесь же представьте график рассчитанной по (4) зависимости. Значения входящих в (4) независимых параметров  и  вычислите по результатам двух измерений  и  ( , ; , ) с помощью вытекающих из (4) соотношений:

; ,

где  и ,  и  - координаты точек, лежащих на концах линейного участка графика амплитудной характеристики, построенной в полулогарифмическом масштабе.

 

7. Исследуйте на постоянном токе ход передаточной характеристики  нелинейного устройства логарифмирующего типа (рис.7,6) ( ).
Измерения проводятся в диапазоне входных напряжений от минимально возможного до 0.05 В. Результаты измерений представьте в виде графика, построенного в полулогарифмическом масштабе с использованием логарифмического масштаба по оси и линейного - по оси . Здесь же представьте график зависимости, рассчитанной по (5) с использованием найденных в п.6 значений  и .

 

8. При синусоидальном входном сигнале  исследуйте ход АЧХ масштабного усилителя (рис.4,а) ( ) в области частот 0,1 кГц  18 кГц. Для этого при трех вариантах схемного построения (  и 6) снимите зависимость . Результаты измерения представьте в виде логарифмических амплитудно-частотных характеристик (ЛАЧХ) коэффициента усиления подобно графикам рис.11.

 

9. Исследуйте свойства дифференцирующей схемы рис.8,а ( ) и схемы интегратора рис.8,6 ( ). Исследования выполните как путем измерения амплитудно-частотной характеристики (зависимости  от частоты), так и путем наблюдения осциллограмм выходного напряжения при различных формах входного сигнала. Перед измерением АЧХ установите  для дифференцирующей схемы на частоте 18 кГц, а для интегратора - на 10 Гц. Измерьте также значения входных сигналов на указанных частотах. Результаты измерений представьте в виде ЛАЧХ коэффициента усиления, построенных с использованием координатных осей графиков п.8.

 

10. Исследуйте свойства мультивибратора рис.13 (  и 2), измерив значения длительности импульсов , отвечающих значению параметра  схемы рис.13 ( ).
Измерение  осуществите с помощью осциллографа. Измеренные значения сопоставьте со значениями, получающимися на основе соотношения (10).

 

---

Дата добавления: 2021-04-05; просмотров: 61; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!