АГЕНСТВО ПОЧТЫ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ РЕСПУБЛИКИ

УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ СВЯЗИ

Кафедра Устройств радиосвязи

Методическое указание к лабораторной работе

Исследование интегрирующего и дифференцирующего усилителей

на базе ОУ

По курсу: Усилительные устройства

Ташкент -2002

Лабораторная работа

Исследование интегрирующего и дифференцирующего усилителей на базе ОУ.

1. Цель работы

Целью лабораторной работы является экспериментальное исследование свойств и характеристик операционного усилителя на ИМС в двух функциональных схемах его включения.

2. Задание

2.1 .      Подготовиться к работе.

2.1.1. Изучить литературу [1], с.136 – 148, с.221 – 236; или [2], с.296 – 297, с.302 – 332, с.351 – 358; или [3], с.15 – 27; или [6] и [8] обращая внимание на:

- функциональные схемы и характеристики ОУ;

- ИМС 140УД1.

2.1.2. Ознакомиться с описанием схемы исследуемого усилителя.

2.2.   Провести эксперимент.

2.2.1. Исследовать ОУ в режиме интегрирования:

- установить нуль на выходе;

- снять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в диапазоне частот от 30Гц до 5,6кГц.

2.2.2. Исследовать ОУ в режиме дифференцирования:

- установить нуль на выходе;

- снять АЧХ в диапазоне частот от 1,8кГц до 1МГц при подаче на вход U1=2,5мВ.

2.2.3. Исследование ОУ в импульсном режиме:

а) интегрирующий усилитель (ИУ):

- установить нуль на выходе;

- снять осциллограмму выходного напряжения при подаче на его вход прямоугольных импульсов длительностью 50мкс

(10кГц);

- измерить максимальную длительность импульса, для которой еще сохраняется линейный закон интегрирования.

б) дифференцирующий усилитель (ДУ):

- установить нуль на выходе;

- снять осциллограмму выходного напряжения при подаче на его вход прямоугольных импульсов длительностью 200мкс

     ( 2,5кГц).

2.3  Подготовить отчет по выполненной работе.

3. Краткие теоретические сведения.

Операционный усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ обязан своим названием тому факту, что его первоначальное название сводилось к выполнению вычислительных операций. ОУ – это устройства с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей. Очень часто усилитель, включающий ОУ и элементы обратной связи, называют решающим усилителем.

    При расчете схем ОУ стараются приблизить его параметры к некоторым идеальным. При необходимости учитывают влияние не идеальности  их путем сопоставления реальных параметров ИМС и элементов внешних цепей.

ОУ в интегральном исполнении чаще всего строятся по схеме УПТ – усилитель постоянного тока с непосредственной связью и дифференциальным входом. Пять клемм (выводы) составляют минимальное число выводов, необходимых для функционирования ОУ (рис.1). Здесь вх.1 – инвертирующий вход, вх.2 – неинвертирующий вход.

Рис.1. Типовая схема включения операционного усилителя

В литературе часто встречается изображение ОУ, где инвертирующий вход отмечен знаком (-), а неинвертирующий – знаком (+). Для нормального функционирования к ОУ подводится двухполярный  источник питания, причём требуется равенство абсолютных величин напряжений двух источников питания. На входы ОУ можно подавать сигналы от одного источника с незаземлённым выходом или от двух разных источников, имеющих одну общую точку. В любом случае входным напряжением является разность входных сигналов:

Uвх = Uвх1 - Uвх2

Коэффициент усиления ОУ определяется как

К_А = Uвых / (Uвх1 - Uвх2) = Uвых / Uвх

В идеальном случае К_А® ∞, в реальных схемах К_А достигает 100дБ и более.

Напряжение Uвх ОУ может быть небольшим (единицы мВ), в то же время как напряжение на каждом из входов (по отношению к общему проводу) может достигать нескольких вольт. Если амплитуды и фазы напряжений Uвх1 и Uвх2 на входах ОУ (также по отношению к общему проводу) совпадают, их называют синфазными входными напряжениями (Uсф.вх.).

В общем случае Uсф.вх. определяется как 

Uсф.вх. = 0,5*(Uвх1+ Uвх2)

Показателем качества, с помощью которого можно сравнить различные ОУ, служит коэффициент подавления синфазной составляющей (ещё его называют коэффициентом ослабления синфазного сигнала)

Кос.сф = К_А / К_С,

где К_С – коэффициент усиления синфазного сигнала.

Кос.сф уменьшается с увеличением амплитуды Uсф.вх.

3.1 Схемы включения ОУ

3.1.1. Интегрирующий усилитель (ИУ)

Интегрирование - это одна из основных математических операций и ее электрическая реализация означает построение схем, в которой скорость изменения выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Интегратор можно рассматривать как ФНЧ первого порядка:

Рис.2. Простейший интегратор (ФНЧ 1-го порядка)

Здесь Τ = R*C постоянная времени, она характеризует процесс интегрирования и еще ее называют постоянной интегрирования. В данной схеме (рис.2) RC-цепь значительно ослабляет входной сигнал и имеет высокое выходное сопротивление. 

В простейшей схеме ИУ с использованием ОУ (рис.3) содержится входной резистор R1. За счёт большого коэффициента усиления и большого входного сопротивления, его инвертирующий вход оказывается виртуальной землёй. В результате входной ток определяется только входным напряжением и резистором R1. Следовательно весь входной ток (с учётом Jо = 0, здесь Jo – входной ток операционного усилителя) протекает через конденсатор Cос, включённый в цепь обратной связи, заряжая его – при этом реализуется операция интегрирования.

Исходя из уравнения:

Jвх = Jос + Jо

где Jос = Jвых,

Jвх = Jвых, таким образом:

Uвх / R1 = -CdUвых / dt;

DUвых = - (1 / R*C)*Uвыхdt;

Следовательно: Uвых = -1 / R*CòUвхdt.

Полученные выражения справедливы для идеального ОУ. Аналогично первой схеме,  это ФНЧ  первого порядка, т.к. с ростом частоты напряжение ООС растёт и Кu_ос уменьшается.  Усилитель носит название интегрирующего потому, что при подаче на вход схемы (рис.3) скачка напряжения, на выходе напряжение будет определяться выражением:

Uвых = (1 / Coc )∫ Jвыхdt.

Рис.3. Интегрирующий усилитель на базе ОУ.

В случае интегратора на ОУ, Т = R*Cвхоу, где Свхоу в свою очередь определяется из схемы (рис.3.1),

Рис.3.1

где на С приложено 2 напряжения:

(Uвх + Uвых), т.е. Uвх*(1 + Коу)

Это аналогично тому, что

Свхоу » Сос*(1 + Коу) и очень большое по величине, 

тогда постоянная времени будет равна 

T = R*Cвх = R*Coc*(1+K_A).

Коэффициент усиления K_A может составлять сотни и тысячи единиц, и тем эффективней будет выполнять усилитель интегрирующую функцию.

Следовательно Т также большое, на много больше чем в интеграторе на RC.

Комплексный коэффициент передачи для синусоидального сигнала такого устройства определяется аналогично коэффициенту передачи инвертирующего усилителя.

K_AF = - Zoc / Z1

где

Zoc = 1 / jwCoc;  Z1= R1;

тогда

K_AF = - 1 / jwCoc*R1.

Частотная характеристика ИУ в логарифмическом масштабе представляет собой прямую с наклоном 20дБ на декаду, т.е. при увеличении частоты усиливаемого сигнала в десять раз, коэффициент усиления ИУ уменьшается в десять раз (20дБ). Частота усиливаемого сигнала, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления, т.е. когда   K_AF  = 1. Частота единичного усиления ИУ определяется как  

F₍₁₎ = 1 / 2пCocR1

При известных значениях Coc и F₍₁₎ можно определить значение R1

R1 = 1 /  2пF₍₁₎Coc

Очевидно, в случае, если, известно значение R1 можно определить также и номинал Сос.

Рабочий диапазон частот для интегратора определяется нижней и верхнй частотами (w_н < w_{текущая} < w_в):

нижняя частота рабочего диапазона частот равна:

w_н = 1 / (R1*Coc(Kv_оу + 1));

верхняя частота рабочего диапазона частот равна:

w_в = (Kv_оу + 1) / Tоу

где Kv_оу  - коэффициент усиления ОУ.

Тоу – постоянная времени ОУ.

Подобные усилители применяются в активных фильтрах, в схемах обработки импульсных сигналов, для подавления высоких частот (продуктов преобразования) и т.д.

Для получения большего значения постоянной времени T = R*C для случая интегрирующей цепочки, необходимо подключить большую емкость, которая оказывается под воздействием двух напряжений Uвх и Uвых, а эквивалентная входная емкость оказывается в (1+K_A) раз больше входной емкости.

По частотному диапазону интегратора можно сделать следующие выводы:

- частота единичного усиления (где коэффициент передачи интегратора равен единице) не зависит от собственного коэффициента усиления ОУ и полностью определяется параметрами его внешней цепи:

w_ср = 1 / (R*C);

-    диапазон  интегрирования реального интегратора ограничен с низу частотой w_н, что является следствием ограничения максимального коэффициента усиления ОУ;

- диапазон интегрирования реального интегратора ограничен с верху частотой w_в, что является следствием ограничения полосы пропускания ОУ.

3.1.2. Дифференцирующий усилитель

Дифференциатором называется устройство, выходной сигнал которого пропорционален производной от его входного сигнала, т.е. скорости изменения входного сигнала. Это ФВЧ первого порядка. Простейший RC дифференциатор (рис.4) имеет два недостатка: он ослабляет входной сигнал и его выходное сопротивление слишком велико. 

Рис.4

Если включить конденсатор вместо R в схему интегратора с ОУ, то получится схема дифференциатора на ОУ (рис.5). Изменение входного напряжения вызывает протекание тока через конденсатор С и через резистор  Rос. За счет большого внутреннего коэффициента усиления ОУ его инвертирующий вход является виртуальной землей, поэтому выходное напряжение ОУ оказывается пропорциональным скорости изменения входного напряжения.

При подаче на вход напряжения Uвх через конденсатор С протекает ток.

J1 = CdUвх / dt,

Если считать, что ОУ с идеальными параметрами, то

J1 = Jo = Uвых / Roc,

Uвых / Roc = - С dUвх / dt или

Uвых = - Roc*C dUвх / dt.

При этом T = R*C получается маленьким, т.к. в схеме присутствует  ООС параллельная по напряжению, которая  уменьшает входное сопртивление схемы, что в принципе и необходимо для хорошего дифференцирования.

Входная проводимость будет равна

Qвх = 1 / Rвх = (1 / Roc) * (1 + K_A).

Рис.5 Дифференцирующий усилитель на базе ОУ

или

Uвых = - Roc * C *  dUвх / dt.

Коэффициент передачи дифференциатора для синусоидальных сигналов определяется как

K_AF = - jwCRoc.

В этой схеме (рис.4) наблюдается параллельная ООС по напряжению, которая приводит к уменьшению входного сопротивления усилителя.

 Отсюда следует, что постоянная времени устройства, равная

T = C *  Rвх = (C * Roc) / (1 + K_A),

т.е. при значительной величине коэффициента усиления может быть получена очень малой величины, что обеспечит выполнение усилителем функций дифференциатора.

Верхняя рабочая частота дифференциатора равна:

w_в = (Kv_оу + 1) / (Roc*С)

Частота, с которой начинает сказываться ограниченность собственной полосы пропускания определяется из выражения:

w²_ср = Kv_оу / (1 + (Tоу * Roc*C)²)^1/2.

Подобные схемы ослабляют низкочастотные составляющие, однако в таком виде они применяются редко, так как обладают низкой устойчивостью из– за большого усиления в области верхних частот.

4. Методические указания к выполнению работы

4.1. При выполнении эксперимента следует руководствоваться соответствующими разделами п. 2.2 задания

4.2. Перед проведением измерений в каждом пункте раздела 2.2 следует выполнить установку нуля. Для этого  надо вывести ручку регулировки напряжения сигнала генератора влево до упора, чтобы сигнал на входе усилителя отсутствовал. При отсутствии входного сигнала, замыкая кнопку «Контр.0» (нажимая) , ручкой «Уст.0» добиться нулевых показаний микроамперметра на контрольной панели (кнопку «Контр.0» замыкать только на короткое время и немедленно размыкать при зашкаливании стрелки прибора).

4.3. Для измерения максимальной длительности импульса в режиме интегрирования следует увеличивать длительность импульса, уменьшая частоту генератора и наблюдая форму выходного сигнала на экране осциллографа. При появлении в выходном сигнале отклонения от линейного закона интегрирования зафиксировать частоту генератора Fmin  и определить через неё tи = 1 / 2*Fmin.

5. Содержание отчёта

Отчёт должен содержать:

- принципиальные схемы ИУ и ДУ;

- таблицы и графики экспериментальных данных по п. 2.2 задания;

- осциллограммы по п. 2.2 задания;

- расчёты по п. 2.2 и сравнение экспериментальных данных с расчётными;

- выводы по результатам измерений.

6. Контрольные вопросы и задания

1. Изобразить функциональную схему ОУ в общем виде. Показать, как использовать эту схему, чтобы образовать ИУ, ДУ.

2. Нарисовать и объяснить форму входного напряжения, в каждом из видов решающих ОУ при подаче на их входы прямоугольного импульса.

3. Как отразится снижение коэффициента усиления на частотных свойствах ОУ?

4. Начертить АЧХ ИУ и ДУ.

5. Понятие о частотных диапазонах интегрирования и дифференцирования.

6. Назовите основные достоинства и недостатки ДУ.

7. Назовите основные достоинства и недостатки ИУ.

8. Как влияет постоянная времени (Т) на качество интегрирования и дифференцирования.

7. Отчет

1) Принципиальные схемы ИУ и ДУ на базе ОУ

2)  Амплитудно – частотные характеристики в режиме интегрирования в диапазоне частот от 30Гц до 5,6кГц, при U1 = 5мВ. Данные занести в таблицу 1, построить графики.

Таблица 1.

U1, мВ	F, Гц	30	650	1270	1890	2505	3125	3745	4365	4980	5600
5	U2, В
	Y, ДБ

3)Амплитудно – частотные характеристики в режиме дифференцирования в диапазоне  частот от  1,8кГц до 1МГц, при U1 = 2,5мВ. Данные измерений занести в таблицу 2, построить графики.

Таблица 2.

U1, мВ	F, кГц	1,8	110	225	335	445	555	670	780	890	1000
2,5	U2, В
	Y, ДБ

4) Осциллограммы выходных напряжений при исследованиях в импульсном режиме:

· Интегрирующий усилитель;

tи = 50мкс (F = 10кГц)

· Дифференцирующий усилитель;

tи = 200мкс (F = 2,5кГц)

5) Выводы по работе:

· Какие условия обеспечивают хорошие интегрирующие и дифференцирующие функции операционных усилителей;

· Схемы решающих операционных усилителей: ИУ, ДУ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. – М.:Радио и связь, 1983.

2. Цыкин Г.С. Усилительные устройства. – М.:Связь, 1971.

3. Мурадян А.Г., Разимухин В.И., Тверецкий М.С. Усилительные устройства. – М.:Связь, 1976.

4. Павлов В.Н., Нагин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М.:Радио и связь, 1997.

5. Головин О.В., Кубицкий А.А. Электронные усилители. - М.:Радио и связь, 1983.

6. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. - М.:Радио и связь, 1996.

7. Методическое указание к лабораторным занятиям по курсу Усилительные устройства. – Ташкен:ТЭИС (часть I), 1981.

8.  Остапенко, Усилительные устройства. 

Описание лабораторной работы «Исследование интегрирующего и 

дифференцирующего усилителей на базе ОУ».

Печатается по разрешению кафедры УРС ТЭИС

Составители:

Доцент Васильева М.Г.

Магистр Бадаев А.Ш.

Под общей редакцией: Васильевой М.Г.

Ответственный редактор: Васильева М.Г.

Редакционно корректурная комиссия:

Редактор – Васильева М.Г.

Корректор – Васильева М.Г.

Оригинал – макет методического пособия набран и напечатан

Бадаевым А.Ш.