Вход

Исследование усилительных каскадов

Курсовая работа по экономике и финансам
Дата добавления: 16 января 2010
Язык курсовой: Русский
Word, rtf, 5.2 Мб
Курсовую можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ОУ - операционный усилитель, ООС - отрицательная обратная связь, КООС - коэффициент ослабления синфазного сигнала ( Fs ) , К - коэффициент усиления по напряжению ОУ без обратной связи, К – - коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя на ОУ, К + - коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего ус и лителя на ОУ, «– » - инвертирующий вход ОУ, «+» - неинвертирующий вход ОУ, R вх . оу , R вх . ус , - входное сопротивление ОУ и усилительного каскада на ОУ, соответственно, R вых . оу , R вых.оу - выходное сопротивление ОУ и усилительного каскада на ОУ, соответственно, U см - входное напряжение смещения ОУ, см1,2 - токи смещения инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ, соответственно, р - разностный входной ток ОУ, см - средний ток смещения ОУ. 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью настоящей работы является: 1. изучение основных параметров ОУ и их влияния на характеристики усилителя на ОУ; 2. изучение схемотехники усилительных устройств на ОУ; 3. выработка навыков экспериментальной работы с ОУ на интеграл ь ных микросхемах. 2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 2.1 Изучить основные параметры ОУ и методики их определения (по д разделы 3.1 , 3.2 , Приложение 1). 2.2 Изучить принципиальные схемы инвертирующего, неинвертиру ю щего, дифференциального усилителей на ОУ и принципиальную схему лабораторного макета (подразделы 3,2,4). 2.3 Уяснить назначение всех элементов на лицевой панели лабораторн о го макета (раздел 4). 2.4 Найти ответы на все контрольные вопросы (раздел 6). 2.5 Заготовить отчет о лабораторной работе, внеся в него все необход и мые данные, кроме экспериментальных (раздел 5). 3. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с ди ф ференциальным входом, имеющий большой, но нестабильный коэффициент усиления по напряжению К>>1 (К=10 4 ...10 6 ), большое входное ( R вх =0.1...100 МОм) и малое выходное ( R вх =50...400 МОм) сопротивления. В линейных усилителях применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления К по напряжению до 1...10 3 , но одновременно с этим стабилизирует К, увеличивает R вх.ус и умен ь шается R вых.ус. Применение ОУ в усилителях без цепей ООС недопустимо . 3.1. Основные параметры ОУ. Параметры ОУ можно условно разделить на две группы: к первой гру п пе относятся параметры, характерные для всех линейных усилительных устройств: 1) коэффициент усиления по напряжению без обратной связи - К; 2) входное сопротивление R вх.оу и входная емкость C вх.оу ; 3) выходное сопротивление R вых.оу ; 4) переходная характеристика (ПХ) и амплитудночастотная характер и стика (АЧХ); 5) напряжение питания (обычно 15 В), ток потребления и мощность, рассеиваемая ОУ без нагрузки. Ко второй группе относят параметры, учитывающие специфику ОУ, как дифференциального усилителя, имеющего два входа - инвертирующий (вход «– ») и неинвертирующий (вход«+»). Рис. 3.1. При подаче сигнала на вход «– » выходное напряжение противофазно входному, при подаче сигнала на вход «+» фазы входного и выходного напряжений совпадают. Ко второй группе параметров ОУ относятся: 1) входное напряжение смещения U см ; 2) входной ток смещения см (входной ток по входу «– » - см1 , входной ток по входу «+» - см2 ); 3) разность входных токов смещения р = см1 – см2 ; 4) коэффициент ослабления синфазных сигналов F s оу , характеризу ю щий способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам ОУ одновременно. Входное напряжение смещения U см определяется, как напряжение, к о торое требуется приложить между входами «– » и «+» ОУ (см. рис. 3.1) с тем, чтобы обеспечить U вых =0. В идеальном случае при нулевом дифференциал ь ном входном напряжение на выходе ОУ напряжение U вых =0, реально имее т ся U вых 0, возникающее из-за разбаланса входного дифференциального ка с када. Когда обеспечено U вых =0 путем подачи на вход усилителя U см, гов о рят, что в усилителе установлен нуль, или он сбалансирован. Установка нуля усилителя на ОУ может быть выполнена подачей соответствующих сигн а лов как на вход «+», так и на вход «– ». ОУ в первом (входном) дифференциальном каскаде содержит транз и сторы (биполярные или полевые). Этим транзисторам, как приборам, упра в ляемым током, для базового смещения необходим определенный ток. П о этому во всех усилителях на ОУ должны быть предусмотрены цепи протек а ния постоянных токов смещения см , в противном случае усилитель будет неработоспособен . Входной ток смещения см , приводимый в справочных данных на ОУ, определяется как средний ток смещения см =( см1 – см2 )/2, (3.1) отличие во входных токах смещения характеризуется справочными п а раметром р.= см1– см2. (3.1а) Влияние параметров U см , см , р на работу усилительного каскада на ОУ зависит от схемы включения ОУ в усилителе. 3.2 Схемы включения ОУ Основными схемами включения ОУ являются инвертирующая, неи н вертирующая, дифференциальная схемы. Инвертирующее включение ОУ Схема инвертирующего включения ОУ представлена на рис. 3.2. Рис. 3.2 Рис 3.3 Сопротивление отрицательной обратной связи R ос , включенное с выхода усилителя на инвертирующий вход «– », образует цепь параллельной обра т ной связи по напряжению. Коэффициенты усиления инвертирующего усил и теля: K _ = _ ___ KR ос_____________________ R 1 (Rос / R 1 + R ос / R вх.оу + 1 + K ) (3.3) где R вх.оу, - дифференциальное входное сопротивление ОУ, К - коэффициент усиления ОУ без ООС. При R вх.оу >> R ос и К >> 1 K _ - R ос / R1. (3.4) Входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется вел и чиной R 1: R вх.ус R1, и так как R 1 относительно мало (от единиц до сотен килоом), то эта схема включения характеризуется малой величиной входного сопротивления. Выходное сопротивление инвертирующего усилителя R вых.ус R вых.оу /(1+К / K _ ), (3.5) где R вых.оу - выходное сопротивление ОУ. Для установки нуля инвертирующего усилителя используется вход «+» (см. рис. 3.3.). Неинвертирующее включение ОУ. Схема неинвертирующего включения ОУ представлена на рис. 3.4. Рис. 3.4 Рис. 3.5 Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя (3.6) При R вх.оу >> R ос и К >> 1 . (3.7) Входное сопротивление неинвертирующего усилителя . При глубокой ООС, когда фактор обратной связи F = ( K / K + ) 1 , R вх.ус R 3 , (3.8) то есть входное сопротивление определяется величиной навесного эл е мента R 3 . Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя R вых.ус R вых.оу / (1+ F ) R вых.оу . (3.9) Для установки нуля неинвертирующего усилителя используется вход «– » (см. рис.3.5). Важным частным вариантом схемы рис.3.4 при R ос = , является схема повторителя напряжения на ОУ, представлена на рис.3.6. Рис.3.6. Повторитель охвачен 100%-й ООС ( F =К 1),имеет единичный коэфф и циент передачи по напряжению и входные и выходные параметры, близкие к параметрам идеального усилителя: K + =1, R вх.ус = ( R вх.оу К) , (3.10) R вых.ус = ( R вых.оу / К) 0. Дифференциальное включение ОУ. Схема дифференциального включения ОУ (рис.3.7) использует инве р тирующий и неинвертирующий входы рис.3.7 Дифферециальный усилитель (ДУ) усиливает дифференциальные вхо д ные сигналы U вх.диф. =( U c 2 – U с1 ), действующие между инвертирующими и н е инвертирующими входами усилителя. ДУ ослабляет синфазные входные сигналы U вх.синф. = U c 2 = U с1 , действующие между входами усилителя и общей точкой («землей»). Ослабление U вх.синф. происходит только в том случае, если модули коэ ф фициентов усиления по инвертирующему (вход 1) и неинвертирующему (вход 2) входами равны. Из формул (3.3) и (3.7) следует, что при одних и тех же элементах R 1 и R ос, в инвертирующем и неинвертирующем усилителях │'a6 K – │'a6 K + . Для их выравнивания в ДУ перед входом «+» включается делитель напряжения R 3 , R 2 с коэффициентом деления R 2/( R 2+ R 3) , обеспечивающий результирующий коэффициент усиления по входу2: (3.11) При обеспечении равенства (3.12) из (3.11) следует, что . В этом случае при подаче на входы 1, 2 сигналов Uc 2 , U с1, напряжение на выходе усилителя равно . (3.13) Из (3.13) следует, что ДУ ослабляет синфазные сигналы U вх.синф.= Uc 2= U с1 так как при этом U вых =( U вх синф К + * )/ F s ус →'3e 0, где F s ус - коэффициент ослабления синфазных сигналов дифференц и альным усилителем на ОУ (сам ОУ имеет коэффициент ослабления синфа з ных сигналов F s ). В идеальном ДУ когда F s и абсолютно точно выпо л няется (3.12), величина F s ус . На практике из-за ограниченности F s р е альных ОУ и неточности выполнения (3.12) наблюдается конечная величина F s ус. . Для ее увеличения при заданном типе ОУ часто применяют вместо ди с кретных сопротивлений R 1 , R 2 , R 3 , R ос интегральные резистивные матрицы сопротивлений, выполненные на одной подложке по одному технологич е скому циклу. Значения сопротивлений резистивных матриц при действии д е стабилизирующих факторов (температура, старение и др.) изменяются по одинаковому закону, при этом условие (3.12) выполняется с высокой точн о стью (с относительной погрешностью 10 -3 …10 -4 ). Это позволяет достигнуть в ДУ на ОУ, работающих в широком диапазоне температур окружающей ср е ды, значения F s ус. , близкие к F s . При использовании в ДУ дискретных сопр о тивлений R 1 , R 2 , R 3 , R ос увеличение F s ус. может быть достигнуто только в узком температурном диапазоне путем подстройки сопротивлений для обе с печения (3.12), (3.13) с требуемой точностью. Дифференциальные сигналы в ДУ, как следует из (3.13), усиливаются с коэффициентом усиления (3.14) 3.4. Влияние напряжения и токов смещения на работу усилителя на ОУ Наличие U см и см приводит к возникновению в усилительном каскаде на этом ОУ выходного напряжения сдвига U вых.сдв при нулевом входном си г нале. Амплитудные характеристики неинвертирующего усилителя при ра з личных U вых.сдв приведены на рис.3.8. Рис.3.8. Видно, что наличие U вых.сдв 0 приводит к погрешности усиления п о лезных сигналов, а так же к изменению динамических диапазонов входных сигналов положительной и отрицательной полярности. Величина U вых.сдв определяется параметрами ОУ и схемой его включения. Порядок оценки U вых.сдв в усилителях на ОУ. 1. В анализируемом усилителе определяют эквивалентное сопротивл е ние R – по постоянному току между входом «– » ОУ и общей точкой («зе м лей») и эквивалентное сопротивление R + по постоянному току между входом «+» ОУ и общей точкой ( R + и R – определяют с учетом сопротивления R с и с точников сигналов по постоянному току). 2. Рассчитывают напряжения, вызываемые см 1 , см 2 на инвертиру ю щем и неинвертирующем входах усилителя U1= см 1 R – , U 2 = см2 R + . 3. Рассчитывают коэффициенты усиления К + и К – на постоянном токе. 4. Рассчитывают U вых.сдв по формуле U вых.сдв = К + U см + К – U 1 + К + U 2 (3.15) Например, для схемы инвертирующего усилителя (рис.3.2) при R c R 1 , R – = R 1 R ос / ( R 1+ R ос ), R + = R 2 , U вых.сдв. R ос [ ( U см + см2 R 2 ) / R 1 - см 1 ] , (3.15а) для схемы неинвертирующего усилителя U вых.сдв. R ос [ ( U см + см2 R с ) / R 1 - см 1 ] , (3.15б) 3.5. Измерение напряжения и токов смещения ОУ Измерение U см Из формул (3.3), (3.7), (3.15) следует, что U см можно определить по в ы ходному напряжению усилителя при R – = R + =0 , то есть путем измерения U вых. В схеме повторителя рис.3.9. при R – =0 . рис.3.9. U см = U вых ( 3.16 ) R + =0 R – =0 . Измерение см 1 и см2 При R +=0 , R – 0 ( см. формулу (3.15) ) U вых = U см – см 1 R – , откуда (3.17) аналогично, при R – =0 , R + 0 , U вых = U см + см2 R + , (3.18) Определив см 1 и см2 , рассчитывают см и р по формулам (3.1) и (3.1а). 4.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ В состав лабораторной установки входят : 1) лабораторный макет ; 2) лабораторный блок питания (типа ТЭС 13) ; 3) универсальный вольтметр (типа В7-15, В7-16). Лабораторный макет содержит : а) усилитель на ОУ (типа К140УД9) с коммутационными элементами, обеспечивающими схем инвертирующего усилителя, повторителя напряжения, не инвертирующего усилителя ; б) дифференциальный усилитель на ОУ с внешними сопротивлениями, выполненными на микросхемной резистивной матрице (типа 301НР1) ; ди ф ференциальный усилитель включается специальным переключателем (Вкл) и расположен в правой нижней части лицевой панели лабораторного макета; в) два встроенных источника регулируемого постоянного напряжения ( U вых = – 1 .5…+1.5В), расположенных на верхней части корпуса лабораторн о го макета ( U 1, U 2); г) встроенное переменное сопротивление (для измерения R вых усилит е ля), выводы которого расположены в левой верхней части лицевой панели лабораторного макета; д) встроенный источник регулируемого постоянного напряжения, пре д назначенного для компенсации напряжения смещения усилителя (с возмо ж ностью грубой и плавной регулировки), расположенный в левой нижней ч а сти лицевой панели лабораторного макета. Питание лабораторного макета осуществляется от источника постоя н ного напряжения Е п =24…30В. Внешний вид лицевой панели с нанесенной на нее принципиальной схемой лабораторного макета представлен на рис.4.1. 5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 5.1. Измерение токов и напряжения смещения. а) Набрать на лабораторном макете схему повторителя напряжения (рис.3.9.), обеспечив R – =0 и R + =0 . Измерить U вых усилительного каскада, U см = U вых . б) Набрать на лабораторном макете схему повторителя напряжения (рис.3.9.), обеспечив R + =0 и R – =1 Мом. Измерить U вых , рассчитать см1 по формуле (3.17), используя значение U см , полученные в пункте а. в) Набрать на лабораторном макете схему повторителя напряжения (рис.3.9.), обеспечив R – =0 и R + =1 Мом. Измерить U вых , рассчитать см2 по формуле (3.18). г) Определить см и р по формулам (3.1) и (3.1а). Занести результаты в таблицу 5.1. Таблица 5.1. тип ОУ U см см1 см2 см р К14ОУД9 5.2. Исследование инвертирующего усилителя а) Набрать на лабораторном макете схему инвертирующего усилителя (рис.3.2), обеспечив R 1 36 кОм, R ос 1 Мом, R 2 1 Мом. Провести измерения R 1 и R ос при помощи универсального вольтметра (с обязательным их отключением в процессе измерения от входа «– » ОУ). Рассчитать К – по формуле (3.3). Определить U вых.сдв. усилителя по формуле (3.15а). Результаты занести в таблицу 5.2. Таблица 5.2. R1 R ос К – U вых.сдв R вх Расчет Эксперимент б) Снять зависимости выходного напряжения усилителя от входного, построить амплитудную характеристику усилителя. В качестве U вх И с пользовать встроенные источники регулированного постоянного напряж е ния ( U 1 , U 2 ). Измерить U вых.сдв. усилителя путем измерения U вых при U вых.сдв =0, сравнить с результатами расчетов по формуле (3.15а). в) Подключить на вход усилителя напряжение, компенсирующее сдвиг нуля (см.рис.3.3.). используя грубую и точную регулировку U см установить U вых =0 с погрешностью 5мВ. Повторно снять амплитудную характеристику усилителя и построить ее на одном графике с АХ, пол у ченной в пункте б). Измерить К – = U вых / U вх , сравнить с расчетом по форм у ле (3.3). г) Измерить R вх при помощи внешнего переменного сопротивления, выводы которого выведены на панель лабораторного макета. Измерения проводить по методике, изложенной в приложении 1. Результат измерения сравнить с R 1, сделать выводы. Занести результаты в таблицу 5.2. результаты измерения К – , U вых.сдв , R вх . Примечание: Номиналы сопротивлений R 1, R 2, R ос могут быть о т личны от указанных в пункте а. и заданны преподавателем из имеющегося набора сопротивлений. 5.3 Исследование неинвертирующего усилителя а) Набрать на лабораторном макете схему неинвертирующего усил и теля (рис.3.4.), обеспечив R 1 100 кОм, R ос 1 Мом, R 3 1 Мом (см. прим е чание в подразделе 5.1). Провести измерения R 1 , R ос как это указанно в подразделе 5.1. Ра с считать К + по формуле (3.7). Определить U вых.сдв усилителя по формуле (3.15б). Результаты занести в таблицу 5.3. Таблица 5.3 R1 R ос К + U вых.сдв R вх Расчет Эксперимент б) Измерить U вых.сдв усилителя путем измерения при U вых при U вх =0. Подключить на вход усилителя напряжение, компенсирующее сдвиг нуля (см.рис.3.5). Используя грубую и точную регулировку U см установить нулевое входное напряжение с погрешностью менее 5мВ. Снять ампл и тудную характеристику усилителя, построить ее на одном графике с АХ инвертирующего усилителя. Измерить К + = U вых / U вх , сравнить с расчетом по формуле (3.7) в) Определить R вх неинвертирующего усилителя по методике изл о женной в приложении 1. Сравнить входное сопротивление инвертирующ е го и неинвертирующего усилителей, сделать выводы. Занести в таблицу 5.3. результаты измерения. 5.4 Исследование дифференциального усилителя. а) Включить схему дифференциального усилителя. Измерить U вых.сдв для чего измерить U вых при подключенных к общей точке («земле») обоих выходов усилителя. б) Используя встроенные источники регулируемого напряжения п о дать на неинвертирующий вход дифференциального усилителя сигнал U с1 =+30…+50 мВ, а на неинвертирующий вход - сигнал U с2 =+50…+100 мВ. Измерить U вых , сравнить его с результатом расчета по формуле (3.13). в) Подключить ко входам дифференциального усилителя сигналы U с1 = U с2 =(2…3)В. Измерить U вых , рассчитать коэффициент ослабления синфазных сигналов усилителем по формуле: где К + определяется по формуле (3.11), Повторить измерения Fs ус при U с1= – (2…3)В. Определить F s ус [дБ]=20 F s ус 5.5 Оформление отчета. Отчет должен содержать: а) схемы инвертирующего, неинвертирующего и дифференц и ального усилителей на ОУ; б) результаты расчетов, измерений, таблицы и графики, требу е мые лабораторными заданиями; в) заключение о соответствии полученных результатов теорет и ческим данным. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Основные параметры ОУ. 2. Инвертирующее включение ОУ. 3. Неинвертирующее включение ОУ. 4. Дифференциальное включение ОУ. 5. Повторители напряжения на ОУ. 6. Схемы установки нуля в инвертирующем и неинвертирующем усилителях. 7. Влияние выходного напряжения сдвига на амплитудную хара к теристику усилителя. 8. Определение выходного напряжения сдвига усилителей на ОУ. 9. Измерение токов и напряжения смещения ОУ. 10. Методика измерения входного сопротивления усилительных каскадов. ЛИТЕРАТУРА 1. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1989, подразделы 7.1, 7.2, 8.2. 2. Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие /Ефимов В.В., Павлов В.Н., Соколов Ю.П. и др.; под редакцией Н.В. Терпугова. - М.: Высш. школа, 1982, §3.2. 3. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. - М.: Мир, 1985, §1.5-1.8, 3.1-3.3. Приложение 1. ИЗМЕРЕНИЕ ВХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯУСИЛИТЕЛЯ ПРИ ПОМОЩИ ИСТОЧНИКА СТАБИЛЬНОГО СИГНАЛА И ИЗВЕСТНОГО ВНЕШНЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Схема для измерения R вх.ус представлена на рис.П.1., где R - известное внешнее сопротивление, U с - напряжение входного сигнала. рис.П.1. При подаче на вход исследуемого усилителя U с при R =0 ( R - короткоз а мкнуто) напряжение на выходе усилителя равно: U 1 = U c K 0 , где K 0 - коэффициент усиления усилителя по напряжению. При включ е нии R 0 напряжение на выходе усилителя уменьшается, так как из-за нал и чия делителя напряжения ( R , R вх.ус ) уменьшается напряжение на выходе ус и лителя пропорционально величине = R вх.ус /( R + R вх.ус ) . При этом напряж е ние на выходе усилителя равно . Из выражения для U 2 и U 1 видно, что , откуда следует: Следовательно, зная R и , можно определить R вх.ус .
© Рефератбанк, 2002 - 2017