Дрейфовые характеристики

На (рис. 1.4) показан вид передаточной характеристики реального ОУ.

Рис. 1.4 Передаточные характеристики реального ОУ

Напряжение Uсмо, при котором Uвых = 0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяется значением напряжения, которое необходимо подавать на вход ОУ для создания баланса. Напряжения Uсмо и Uвых связаны соотношением Uсмо = Uвых / Кuоу. Основной причиной разбаланса ОУ является существенный разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада. Зависимость от температуры параметров ОУ вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения и температурный дрейф выходного напряжения.

Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала показана на (рис. 1.5), из которого видно, что при достаточно больших значениях Uсф (соизмеримых с напряжением источника питания) коэффициент усиления синфазного сигнала Ксф резко возрастает.

Рис. 1.5 Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала

Используемый диапазон входного напряжения называется областью ослабления синфазного сигнала. ОУ характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала.

Входные характеристики

Входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение характеризуют основные параметры входных цепей ОУ, которые зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада.

Входной ток смещения - ток на входах усилителя, необходимый для работы входного каскада ОУ. Он обуславливается конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада. Входной ток сдвига - это разность токов смещения, необходимых для двух входных транзисторов ОУ. Он появляется вследствие неточного согласования коэффициентов усиления по току входных транзисторов. Ток сдвига является переменной величиной, лежащей в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен наноампер.

Начальные входные токи смещения ОУ с дифференциальным каскадом на биполярных транзисторах определяются токами без транзисторов при заземленных выводах, а при наличии каскадов на полевых транзисторах - токами утечки затворов.

Необходимость учета входных токов возникает при построении схем на ОУ, когда в цепь одного или обоих входов включаются резисторы (рис. 1.6). При неодинаковых величинах сопротивлений резисторов или входных токов падения напряжения на резисторах R1 и R2 будут неодинаковыми, что создает между входами дифференциальное напряжение и соответственно вызовет появление на выходе некоторого напряжения (разбаланса).

Рис. 1.6 Схема учета входных токов на ОУ.

Вследствие наличия входного напряжения смещения и входных токов смещения схемы ОУ приходится дополнять элементами, предназначенными для начальной их балансировки. Балансировка осуществляется подачей на один из входов ОУ некоторого дополнительного напряжения и введения резисторов в его входные цепи.

Максимальным дифференциальным входным напряжением лимитируется напряжение, подаваемое между входами ОУ в схеме, для исключения повреждения транзисторов дифференциального каскада.Для защиты между входами ОУ включаются встречно - параллельно два диода и стабилитрона.

Следует различать дифференциальное входное сопротивление т.е. сопротивление между двумя входными выводами, и синфазное входное сопротивление, т.е. сопротивление между объединенными обоими входами и землей.

Выходные характеристики

Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток. ОУ должен обладать малым выходным сопротивлением для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Малое выходное сопротивление достигается применением на выходе ОУ эмиттерного повторителя. Максимальное выходное напряжение (положительное или отрицательное) близко к напряжению питания. Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током выходного каскада ОУ.

Энергетические характеристики

Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.

Частотные характеристики

Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов - его скоростными или динамическими параметрами.

Многие типы ОУ общего и специального назначения имеют внутреннюю коррекцию, т.е. в схему таких ОУ включен конденсатор малой емкости (обычно 30пФ). Такой конденсатор внутренней частотной коррекции предотвращает генерацию ОУ на высоких частотах. Это происходит за счет уменьшения усиления ОУ с ростом частоты. Интервал частот, на котором частота изменяется в 10 раз, называется декадой. Изменение частоты в два раза называется октавой. Изготовители представляют частотную зависимость усиления ОУ без ОС в виде кривой, называемой амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ) без ОС.

На (рис. 1.7) представлена АЧХ, типичная для ОУ с внутренней коррекцией.

На низких частотах коэффициент усиления без ОС очень велик. АЧХ имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза fср. Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ. По граничной частоте fгр, которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в корень квадратный из 2 раз, оценивают полосу пропускания частот усилителя, составляющую для современных ОУ десятки мегагерц.

Рис. 1.7 Типичная АЧХ, для ОУ с внутренней коррекцией.

Частота f1, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления. Если разделить полосу единичного усиления на частоту входного сигнала, то получим в результате коэффициент усиления ОУ на данной частоте сигнала. Усиление без ОС на частоте равно полосе пропускания, деленной на частоту входного сигнала.

При составлении графиков частотных характеристик обычно используется логарифмический масштаб.

Коэффициент усиления по напряжению в децибелах равен: KдБ = 20 lg K, где K - числовое значение коэффициента усиления по напряжению.

Уменьшение коэффициента усиления с частотой называется спадом. Последовательная RC - цепь имеет скорость спада АЧХ 20 дБ/дек или 6дБ/окт.

Так как каждый усилительный каскад ОУ в простейшем случае представляется эквивалентной схемой, состоящей из последовательно соединенных R и C, то он также имеет скорость спада АЧХ 20дБ/дек. Для трехкаскадного ОУ коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов. При этом получается достаточно громоздкое выражение, поэтому часто пользуются весьма наглядной и простой для понимания диаграммой Боде - графиком зависимости десятичного логарифма Коэффициента усиления от десятичного логарифма частоты. Это удобно, так как значения коэффициентов усиления каскадов, выраженные в децибелах, можно складывать, вместо того чтобы их перемножать. Таким образом, АЧХ его каскадов можно получить, построив на одном графике АЧХ его каскадов и графически их сложив.

Так как интегральные ОУ без ОС практически не применяются, необходимо определить влияние ОС на АЧХ ОУ. Отрицательная ОС ограничивает коэффициент усиления ОУ и значительно расширяет полосу пропускания. Отметим, что отрицательная обратная связь не расширяет АЧХ ОУ, а граничная частота ОУ увеличивается за счет уменьшения коэффициента усиления усилителя.

Коэффициент усиления по контуру ОС, как видно из (рис. 1.8), есть разность между коэффициентами усиления ОУ без ОС и с ОС, выраженной в децибелах.

Рис. 1.8 Коэффициент усиления по контуру ОС

В том случае, когда скорость спада АЧХ ОУ составляет 20дБ/дек, произведение коэффициента усиления ОУ на частоту единичного усиления есть величина постоянная.

При усилении сигналов ОУ обычно охватывается отрицательной обратной связью по инвертирующему входу. Вследствие создаваемого усилителем в области высоких частот Фазового сдвига выходного сигнала относительно входного фазо-частотная характеристика ОУ по инвертирующему входу приобретает дополнительный (сверх 180°) фазовый сдвиг (рис. 1.9).

Рис. 1.9 Фазо-частотная характеристика ОУ по инвертирующему входу.

Для некоторой высокой частоты полный фазовый сдвиг становится равным 360°, что соответствует положительной обратной связи по инвертирующему входу на этой частоте, что приводит к самовозбуждению схемы. Для устранения самовозбуждения в ОУ вводят внешние корректирующие RC - цепи, позволяющие несколько изменить ход амплитудно - частотной и фазо-частотной характеристик.

Критерий устойчивости ОУ иногда выражается через запас устойчивости по фазе, который представляется в виде суммы фаз Ф = 180° + . Положительный запас устойчивости ОУ по фазе является показателем его устойчивости. Отрицательный запас по фазе характерен для неустойчивого ОУ. Для получения максимального быстродействия ОУ желательно иметь запас устойчивости по фазе около 45° .

Устойчивость ОУ можно оценить и по частоте, находящейся в полосе его пропускания. Если половина периода этой частоты равна времени задержки распространения сигнала по контуру ОС, то в ОУ возникают колебания.

В реальных условиях работы ОУ всегда имеют место паразитные эффекты и паразитные элементы, которые могут приводить к дополнительному увеличению сдвигов фазы по петле ОС и нарушать устойчивое состояние ОУ.

Для обеспечения устойчивой работы ОУ необходимо уменьшать запаздывание по фазе, т.е. корректировать АЧХ ОУ.

Скоростные характеристики.

Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 1.10).

Рис. 1.10 Воздействие скачка напряжения на входе ОУ.

Скорость нарастания выходного напряжения Uвых находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1Uвых до 0,9Uвых. Время установления выходного напряжения tуст оценивают интервалом времени, в течение которого выходное напряжение меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения. В ряде схем ОУ допускается введение корректирующих цепей, улучшающих параметры Uвых и tуст. Для ОУ Uвых = 0.1:100 в/мкс, а tуст = 0.05:2 мкс.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Неинвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.11).

Рис. 1.11 Неинвертирующий усилитель

Данная схема позволяет использовать в качестве неинвертирующего усилителя ОУ, схема обладает высоким полным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R1 и Rос.

В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.

Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе Rос и поданную на инвертирующий вход.

Полное входное сопротивление всей схемы оказывается высоким, так как единственным путем для тока между входом и землей является высокое полное входное сопротивление ОУ.

Сопротивления R1 и Rос образуют делитель напряжения с очень малой нагрузкой, так как ток, необходимый для управления усилителем, очень мал (Iсм >> 0).

Поэтому через R1 и Rос течет одинаковый ток и напряжение, приложенное к инвертирующему входу, равно:

Uвх.инв = UвыхR1/R1+Rос

Так как IR1 = IRос , Rвх , имеем

IR1 = UR1/R1 , IRос = URос/Rос , Uвх.инв = Uвх + Uq,

поэтому

IR1 = (Uвх + Uq)/R1 , IRx = (Uвых - (Uвх + Uq)) / Rос

Следовательно:

(Uвх + Uq) / R1 = (Uвых - (Uвх + Uq)) / Rос

Так как

Uвых = KUq и Uq = Uвых / K,

то если K , Uq >>0, можно написать

Uвх / R1 = (Uвых - Uвх) / Rос

Найдем отсюда коэффициент усиления схемы Uвых / Uвх , который называют коэффициентом усиления с замкнутой ОС (Kос), или коэффициентом усиления замкнутого усилителя, т.е.

UвхRос = R1Uвых - R1Uвх

Uвх(Rос + R1) = R1Uвых

(Rос + R1) / R1 = Uвых / Uвх = Кос

Кос = Rос / R1 +1 , когда К >> Кос.

Сопротивления R1 + Rос следует выбирать так, чтобы общий ток нагрузки с учетом этого сопротивления не превышал максимального выходного тока усиления.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.12)

Рис. 1.12 Инвертирующий усилитель

Входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора Rос параллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ.

Благодаря высокому коэффициенту усиления усилителя без ОС для изменения выходного напряжения усилителя во всем рабочем диапазоне достаточно весьма малого значения Uз (обычно Uвых.max < Uи.п.).

Если на схему подать положительное входное напряжение Uвх, то Uq станет положительным и выходной потенциал начнет снижаться. Выходное напряжение будет меняться в отрицательном направлении до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе в точке А не станет почти нулевым: Uq = Uвых / Kоу >> 0.

Таким образом, R1 и Rос действует как делитель напряжения между Uвых и Uвх и Uвых / Uвх = Rос / R1.

Точка А называется потенциально заземленной, поскольку потенциал почти равен потенциалу Земли, так как Uq >> 0.

Если принять Rвх.оу и входной ток ОУ Iоу = 0, то

IR1 = (Uвх - Uq) / R1 и IR1 = - (Uвых - Uq) / Rос,

следовательно

(Uвх - Uq) / R1 = - (Uвых - Uq) / Rос.

Полагая, что Uq >> 0 и К , запишем

Uвх/R1 = Uвых/Rос, Кос = Uвых/Uвх = - Rос/R1

Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего каскада ОУ зависит только от параметров внешней цепи и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Обычно R1 выбирается так, чтобы не нагружать источник напряжения Uвх, а Rос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Если выбрать Rос = R1, когда Кuос = - 1, то схема (рис. 1.12) получит свойства инвертирующего повторителя напряжения(инвертор сигнала).

Поскольку Uq 0, входное сопротивление схемы Rвх = R1, выходное сопротивление усилителя:

Rвых = ((Rвых оу (1+Rос/R1)) / Кu,оу

При Кu,оу , Rвых 0.

Внешняя компенсация сдвига.

Некоторые усилители имеют встроенные регулировочные элементы для устранения сдвига. В усилителях, которые не имеют внутренних средств для устранения нуля Uсдв, приходится добавлять внешнюю резисторную цепь для компенсации напряжения сдвига.

В схеме на (рис. 1.13), хотя Iсм и невелик, но он все же существует и, если даже Uсдв равно нулю, Iсм, протекая через параллельное соединение сопротивлений R1 и Rос, вызовет появление на выходе напряжения Uсдв.вых (Iсм), равного Iсм(R1 || Rос).

Поскольку ток смещения неинвертирующего входа Iсм2 (рис. 1.14) приблизительно равен току смещения, протекающему через инвертирующий вход (Iсм1), то, подключив в цепь неинвертирующего входа сопротивление Rк, равное R1 || Rос, получим напряжение, возникающее на Rк, приблизительно равное напряжению смещения по инвертирующему входу от Iсм1 (R1 || Rос).

Рис. 1.13 Схема компенсации напряжения сдвига.

Рис. 1.14 Схема компенсации напряжения смещения.

Для компенсации Uсдв, вызванного небалансом Uбэ, следует установить делитель, с помощью которого можно было бы компенсировать даже Uсдв.max, не изменяя коэффициент передачи цепи обратной связи.

Схема установки нуля напряжения сдвига (потенциометр Rп) показана на (рис. 1.15).

Рис. 1.15 Схема установки нуля напряжения сдвига

В этой схеме R3 + R2 = Rк - это условие компенсации напряжения сдвига выхода, вызванного токами смещения. Сопротивление R4 выбирается так, чтобы параллельное соединение R3 и R4, было примерно равно R3. Это означает, что R3 выбирается малым, а R4 - большим. Диапазон регулировки напряжения сдвига приблизительно равен ± U R3/R4, так как R4>>R3. Потенциометр Rп должен иметь достаточно большое сопротивление, чтобы не нагружать источник питания, но вместе с тем, ток через потенциометр должен быть по крайней мере в 20 - 40 раз больше Iсм, так как R3 и R4 образуют делитель напряжения.

Компенсация Uсдв в неинвертирующем усилителе осуществляется аналогично, однако делитель напряжения устанавливается в цепи ОС, так что очень важно, чтобы R4 было много больше R3 (рис. 1.16).

Рис. 1.16 Схема компенсации напряжения сдвига в неинвертирующем усилителе

Заметим, что R1 = R3 + R5, и эта сумма используется в выражении для определения коэффициента усиления усилителя с ОС. Сопротивления Rп и R4 выбираются точно так же, как и для инвертирующего усилителя.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N1

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Цель работы: изучение основных параметров и характеристик операционного усилителя (ОУ), изучение и исследование основных каскадов на ОУ - инвертирующего и неинвертирующего.

1. Методические указания к выполнению работы

Работа выполняется на печатной плате, предназначенной для проведения исследований ОУ. Работа выполняется для каждого из ОУ КР140УД708 и К553УД2 , КР140УД708 - ОУ с внутренней коррекцией , К553УД2 - ОУ с внешней коррекцией.

Балансировка ОУ

Собрать схему.

В схеме конденсатор С устанавливается только для ОУ К553УД2.

Рис. 1.17

Изменяя сопротивление с помощью потенциометра R, добиться на выходе микросхемы минимального выходного напряжения или равного нулю. Выходное напряжение регистрировать с помощью осциллографа. Uвх= 0, Uвых= 0 или Uвх= 0 , Uвых Uвых.min

Измерение токов смещения и сдвига.

Собрать схему для измерения Iсм1:

Рис. 1.18

К выходу ОУ подключить вольтметр или осциллограф и замерить напряжение на выходе схемы Uвых 1. Это напряжение вызвано током смещения Iсм, которое создается на резисторе R1. Расчет Iсм проводится по формуле Iсм= Uвых / R1

Инвертирующий сумматор

Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму двух напряжений и меняет знак на обратный.

Схема алгебраического сумматора на два входа:

Рис. 2.1

Если Rвх ОУ достаточно велико и ток смещения пренебрежительно мал по сравнению с током обратной связи (ОС), то по закону Кирхгофа:

I1+ I2= Iос

Если коэффициент усиления без ОС также достаточно велик, так что Uд = 0, то

; ; ; R1= R2= Rос= R,

тогда

, U1+ U2= - Uвых или Uвых= -( U1+ U2).

Для n- входов

Uвых = - ( U1+ U2+ ... + Un) ,

где n- число входов.

Суммирующие схемы могут работать как при постоянных, так и при переменных напряжениях.

Суммирующая схема с масштабными коэффициентами.

Если отдельным входным напряжениям надо принять различные веса, то используется схема суммирования с масштабными коэффициентами.

Если ток смещения усилителя пренебрежительно мал, то согласно закону Кирхгофа

I1+ I2+ I3= Iос

Рис. 2.2

Если коэффициент усиления без ОС достаточно велик, так как Uд = 0, получим

; ; и ,

откуда

Решая это уравнение относительно Uвых получим

Для n-входов

Если в последней схеме положить

R1 = R2 = R3 = ... = Rnи Rос = ,

где n-число входов схемы, получим

Такая схема окажется схемой усреднения.

Схема сложения-вычитания.

Схема на два входа:

Рис. 2.3

Эта схема представляет собой обобщение схемы усилителя с дифференциальным входом. Общее выражение для выходного напряжения схемы сложения вычитания очень громоздкое, рассмотрим условия необходимые для правильной работы этой схемы.

Эти условия сводятся к тому, чтобы сумма коэффициентов усиления инвертирующей части схемы была равна сумме коэффициентов усиления ее неинвертирующей части. То есть инвертирующий и неинвертирующий коэффициенты усиления должны быть сбалансированы.

Символически это можно oбозначить следующим образом:

где m - число инвертирующих входов, n - число неинвертирующих входов.

Отсюда имеем:

Неинвертирующий сумматор.

Схема на два входа:

Рис. 2.4

В данной схеме Uвых = U1+ U2, если

; ; и Rос' = R1' = R2',

Можно также осуществить суммирование с весами, при этом обязательно соблюдение условия

где n - число входов.

Выводы

Таким образом:

Инвертирующий сумматор суммирует входные напряжения и инвертиpyeт результат.

Инвертирующая схема суммирует с масштабными коэффициентами - это вариант инвертирующего сумматора, в котором каждому входу придается собственный вес.

Схема усреднения - это еще один вариант инвертирующего сумматора. Выходное напряжение этой схемы paвно среднему арифметическому напряжений на ее выходах.

Схема сложения - вычитания может одновременно складывать и вычитать, то есть производить алгебраическое суммирование сигналов, но сумма ее инвертирующих коэффициентов усиления должна быть равна сумме неинвертирующих коэффициентов.

Неинвертирующий сумматор - это вариант схемы сложения-вычитания, в котором использованы только неинвертирующие входы.

Суммирующие схемы можно использовать при решении алгебраических уравнений и для построения пропорциональных регуляторов.

Интеграторы

Интегратор и дифференциатор - это две схемы из числа наиболее важных аналоговых вычислительных схем. Интегратор используется в схемах управления во всех тех случаях, когда надо решать дифференциальное уравнение или надо вычислить интеграл напряжения. Дифференциатор используется тогда, когда надо получить выходной сигнал, пропорциональный скорости изменения входного.

Интегратор.

Интегрирующие цепи предназначены для интегрирования во времени электрических входных сигналов. Величина входного сигнала в общем виде описывается уравнением

Uвх(t) = Uвых(0) + K Uвx(t)dt,

Uвых(0) - начальное значение выходного сигнала в момент времени t = 0, К - коэффициент пропорциональности.

Простейшей пассивной линейной интегрирующей цепью является чeтыpexпoлюcник, состоящий из RC - элементов.

Рис. 2.5

При подаче прямоугольного импульса с идеальными фронтами на интегрирующую RC цепь выходное напряжение нарастает по экспоненциальному закону: , где t = RC.

Используя разложение функции в ряд Маклорена получим

Uвых(t) = Uвx [ l- l+l/t -1/2! (t/t)2+...+l/n(t/t)n]

Ограничившись первыми тремя членами разложения, получим

Первый член описывает Uвых(t) при идеальном интегрировании, второй - значение ошибки интегрирования. Эта ошибка имеет наибольшее значение при t = tи

К моменту окончания импульса выходное напряжение достигает значения

Uвых(t) = Uвхtи/t (1-tи/2t),

а затем по экспоненциальному закону убывает до нуля с постоянной времени t.

Следовательно, простейшие RC-цепочки мало применяют для точного интегрирования входных сигналов.

Окончательная погрешность интегрирования при t = tи

= d / (Uвхtи/t) = tи/2t

Схема простейшего интегратора на ОУ:

Рис. 2.6

, где Q - электрический заряд, U - напряжение, т.е. Q = CU и изменяя заряд за единицу времени, то есть ток через конденсатор равен

Если ОУ близок к идеальному, то Ir = Ic, тогда

Так как Uд = 0, и Uc = - Uвых, можно написать

Решая это выражение относительно dUвых, находим

а интегрируя его получим

Примеры интегрирования.

Подадим на интегратор ступенчатый сигнал:

Рис. 2.7

Входной ступенчатый сигнал как функция времени, т.е. U1= U при t > = t0, U1 = 0 при t > t0, тогда

Изменение выходного напряжения во времени представляет собой наклонную прямую с полярностью входного сигнала.

На вход интегратора подается сигнал прямоугольной формы

Рис. 2.8

Так как сигнал периодический, для описания выходного напряжения достаточно рассмотреть один полный период .

Выходной напряжение можно записать как функцию времени

После интегрирования получаем наклонную прямую на каждом полупериоде.

При любом сигнале на входе изменение сигнала на выходе должно начинаться от того значения, которое выходной сигнал имел к моменту прихода входного сигнала.

На вход интегратора подано пилообразное напряжение

, t1< t < t2,

где

то есть напряжение на выходе - это квадратичная функция времени (парабола)

Рис. 2.9

Реальный интегратор

Реальный ОУ имеет некоторое напряжение сдвига и нуждается в некотором токе смещения. Напряжение сдвига интегрируется как ступенчатая функция, что дает дополнительный линейно-нарастающий (или падающий) выходной сигнал, полярность сигнала определяется полярностью Uсдв, а наклон величиной Uсдв. Ток смещения течет через конденсатор обратной связи, что также приводит к появлению наклонного выходного сигнала. Кроме того, Uсдв добавляется к напряжению на конденсаторе, и поскольку это напряжение равно Uвых, такая прибавка вносит в результат ошибку, равную Uсдв.

Выражение для Uвых примет вид

Uвых = - + Uсдвdt + Iсмdt + Uсдв

Ошибку напряжения сдвига можно уменьшить следующими приемами: - использовать ОУ с низким Uсдв;

- периодически сбрасывать интегратор;

- шунтировать конденсатор С сопротивлением Rp.

Схема:

Рис. 2.10

Резистор Rком = R||Rp уменьшает ток смещения Iсм.

Интегратор на ОУ эквивалентен обычной RC-цепи, у которой значение емкости конденсатора С увеличена в 1+Коу, а падение напряжения на нем усилено в Коу раз.

При подаче на вход импульса прямоугольной формы с постоянной величиной выходного напряжения

Uвых(t) = - UвхKoyt / [RC(l+Koy)]

При подаче на вход интегратора на ОУ скачка напряжения выходной сигнал изменяется по экспоненциальному закону

Uвых(t) = - UвхKоу [l-exp( - t / tc),

где tc = (l+Koy)RC.

Относительная ошибка интегрирования

g = tи/2tс = tи/[2(1+Коу)RС

Т.о. погрешность интегрирования приблизительно в Коураз меньше по сравнению с простой RC-цепыо при тех же номиналах RC.

АЧХ интегратора :

Рис. 2.11

Частотная хaрaктеристика интегратора на полностью скорректированном по фазе ОУ.

Тонкая линия - хaрaктеристика интегратора без ОС, штриховая линия - характеристика интегратора при наличии Rp.

Для интегратора без резистора полоса частот, в которой происходит интегрирование, расположена между нижней сопрягающей частоте интегратора и частотой среза интегратора.

Частота среза Fср =

Добавление сопротивления Rp- для улучшения стабильности на НЧ, при этом увеличивается сопрягающая (граничная) частота.

Нижняя граничная частота скорректированного интегратора составляет :

Fн = =

Таким образом, полоса частот, в которой возможно интегрирование лежит между и частотой

Частотная характеристика стабилизированного по сдвигу интегратора (Rp включено) представляет собой частотную характеристику фильтра НЧ со спадом 6 дб/окт и с коэффициентом усиления, большим единицы.

Дифференциаторы

Схема :

Рис. 2.12

Дифференциатор создает на выходе напряжение, пропорциональное скорости изменения входного

Uвых = - RC

При дифференцировании усилитель должен пропускать только переменную составляющую входного напряжения и коэффициент усиления дифференцирующей схемы должен возрастать при увеличении скорости изменения входного сигнала.

Ток через конденсатор имеет вид

Ic = C

Напряжение на конденсаторе равно входному напряжению U1.

Если считать, что ОУ идеальный, то ток через сопротивление ОС можно считать равным току через конденсатор , т. е. Ir = Iс

Но Uвых = R Ir = - R Ic, поэтому Uвых = - RC

Уменьшение реактивного сопротивления Хс с увеличением частоты приводит к тому, что схема дифференциатора имеет высокий коэффициент усиления по отношению к высокочастотным составляющим на входе, даже если их частота лежит выше полосы частот полезного сигнала.

Схема имеет тенденции к потере устойчивости в той области частот, где частотная характеристика дифференциатора (имеющая подъем 6 дб/окт ) пересекается с имеющей спад 6 дБ/окт характеристикой скорректированного усилителя.

Рис. 2.13

Частотная характеристика разомкнутого контура ОС имеет в некоторой части своего частотного диапазона спад 12 дб/окт, при этих условиях возможно самовозбуждение.

Реальные дифференциаторы

В дифференциаторах применяется динамическая стабилизация.

Схема:

Рис. 2.14

Конденсатор Ск выбирается так, чтобы участок АЧХ со спадом 6 дб/окт начинался на частоте более высокой, чем максимальная частота полезного дифференцированного сигнала. Уменьшается доля ВЧ шумов в выходном сигнале.

Этот участок начинается на частоте F2 =

Сопротивление Rк ограничивает коэффициент усиления на BЧ, обеспечивает динамическую устойчивость.

Частотная характеристика скорректированного дифференциатора приведена на рис. 2.15

Рис. 2.15

Добавление Rк приводит к появлению на АЧХ горизонтального участка и прекращению дифференцирования на частотах, превышающих частоту:

Примеры дифференцирования сигналов

Подаем на вход синусоидальное напряжение.

Выходное напряжение:

Таким образом напряжение на входе изменяется по закону косинуса, т.е. dsinU = cosUdU

Подадим на вход сигнал треугольной формы:

Рис. 2.16

Выходной сигнал - это прямоугольное напряжение, частота которого равна частоте входного сигнала

таким образом, любому линейно изменяющемуся сигналу на входе дифференциатора соответствует постоянный выходной сигнал, величина которого пропорциональна крутизне входного сигнала; этот выходной сигнал остается постоянным в течении всего времени, пока входной сигнал сохраняет постоянный наклон.

На вход подаем прямоугольный сигнал:

Рис. 2.17

Участки входного сигнала, на которых его значение постоянно не дают никакого напряжения на выходе дифференциатора, так как производная постоянной величины равна нулю.

Участки нарастания и спада импульсов можно аппроксимировать наклонными прямыми. Так как tн = tс выходное напряжение во время нарастания равно выходному напряжению во время спада и противоположно ему по закону. Ненулевое выходное напряжение вообще появляется только во время спада или нарастания импульсов:

Выводы:

Напряжение на выходе интегратора пропорционально среднему по времени от его входного напряжения. АЧХ интегратора должна иметь спад - 6 дб/окт в диапазоне частот, в котором схема используется как интегратор.

Выходное напряжение интегратора удовлетворяет уравнению:

Если интегратор используется для интегрирования переменных напряжений, то для уменьшения его чувствительности к дрейфу напряжения сдвига и к заряду конденсатора током смещения следует параллельно С включать корректирующее сопротивление Rp. Для получения хорошей точности нижняя граничная частота должна быть задана на уровне не более 1/10 наинизшей частоты интегрирующего сигнала; при наличии Rp эта граничная частота равна: .

Если интегратор используется для интегрирования медленно меняющихся сигналов, то конденсатор интегратора следует периодически разряжать, чтобы за счет тока смещения, не появилась чрезмерная ошибка.

Если R и Rp выбирать так, чтобы обеспечить желательный коэффициент усиления по напряжению, а С выбирать так, чтобы задать желательную первую граничную частоту, то интегратор можно использовать как RC - фильтр НЧ с усилением.

Выходное напряжение дифференциатора пропорционально скорости изменения входного напряжения. Выражение для выходного напряжения дифференциатора имеет вид:

коэффициент усиления дифференциатора должен расти с наклоном 6 дб/окт в диапазоне частот, в котором схема используется как дифференциатор. Такая АЧХ обеспечивается применением конденсатора на входе.

Во избежании появления не желательных ВЧ шумов на выходе дифференциатора его следует корректировать.

Для осуществления коррекции параллельно R включается конденсатор Ск для получения хорошей точности Ск надо выбирать таким образом, чтобы частота приблизительно в 10 раз превышала наибольшую частоту дифференцируемого сигнала.

Так как дифференциатор имеет емкостной вход, следует во избежании перегрузки источники напряжения: Uвх включать последовательно с C сопротивление Rк. Это сопротивление выбирается так, чтобы выполнялось равенство:

Выпрямители

Выпрямители среднего значения дают на выходе напряжение, постоянная составляющая которого пропорционально среднему значению выпрямленного входного напряжения. Работа подобных выпрямителей основана на том. Что при одной полярности входного напряжения с некоторым масштабным коэффициентом подается на выход. А при другом - выходное напряжение поддерживается равном нулю (однополупериодный выпрямитель) или инвертированному входному напряжению (двухполупериодный выпрямитель). Использование ОУ в точных выпрямителях преследует цель уменьшить погрешности преобразования, обусловленные не идеальными ВАХ диодов.

Выпрямитель, схема которого приведена ниже, построен на основе инвертирующего усилителя, содержащего диод в цепи ОС.

Рис. 2.18

При положительной полярности входного сигнала открыт диод Д1 и ОС замыкается через резистор R2. При отрицательной полярности входного сигнала ток ОС течет через диод Д2 и резистор R3. Таким образом, при синусоидальном входном сигнале на зажимах Uвых 1 будут присутствовать положительные полуволны напряжения, и на зажимах Uвых 2 - отрицательные, соответствующие однополупериодному выпрямлению входного сигнала. Поскольку открытый диод входит в прямую цепь замкнутого контура, то падение напряжения на нем практически не сказывается на выходном напряжении. Поэтому при Uвх > 0 получаем

Uвых 1 = 0, ,

а при Uвх < 0 и соответственно

и Uвых 2 = 0.

При присоединении нагрузки к выходам Uвых 1и Uвых 2 нужно учитывать непостоянство выходного сопротивления выпрямителя. Когда открыт диод, присоединенный к данному выходному зажиму, то выходное сопротивление устройства близко к нуль. Когда же диод закрыт, то выходное сопротивление становится равным сопротивлению R2 для Uвых 2 или R3 для Uвых 1.

Дополнение выпрямителя ОУ А2 дает возможность получить двухполупериодное выпрямление и постоянное близкое к нулю выходное сопротивление.

Если открыт диод Д1 (Uвх > 0), то справедливо равенство:

Если же открыт диод Д2 (Uвх < 0)

Принимая R2= R3= R4= R5= R, получим

Следующий выпрямитель осуществляет двухполупериодное выпрямление, но его нагрузка не заземлена.

Схема:

Рис. 2.19

В ОС ОУ включен диодный мостик Д1...Д4 и сопротивление нагрузки Rн. При любой полярности Uвх ток Iн через нагрузку проходит в одном направлении и равен:

Двухполупериодные выпрямители, имеющие заземленную нагрузку приведены на следующих схемах.:

Рис. 2.20

Рис. 2.21

Для первой схемы при Uвх < 0

, Rвых = 0,

при Uвх > 0

;

Для второй схемы при Uвх < 0

, Rвых = 0

при Uвх > 0

;

Если в первой схеме принять R1 = R2 = 2R3, а во второй схеме - 2R1 = R2 = R3, то в обоих случаях получим Uвых = 0.5 Uвх

Однако выходное сопротивление этих выпрямителей изменяется в зависимости от полярности входного сигнала.

Двухполупериодный выпрямитель имеет при любом знаки входного сигнала близкое к нулю выходное сопротивление.

Схема:

Рис. 2.22

Достоинством выпрямителя является то, что для его построения достаточно всего лишь двух точных резисторов. Когда входное напряжение положительно, оно через резистор R2 проходит на вход повторителя выполненного на ОУ А2, и таким образом получим Uвых = Uвх. Диод Д2 при этом закрыт, и напряжение с выхода ОУ А1 ни как не влияет на состояние ОУ А2.

При отрицательном входном напряжении диод Д2 открыт и повторитель на ОУ А2 оказывается подключенным к выходу ОУ А1. ОС замыкается через резистор R3, и выходное напряжение равно

Uвых = -Uвх .

Если R3 = R1, то для рассматриваемого выпрямителя получим Uвых = Uвх.

Компараторы

Компараторы представляют собой ОУ специального назначения предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения входного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого.

Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низкий дрейф напряжения сдвига устойчиво работать без самовозбуждения и иметь низкое значение тока смещения.

Схема компаратора:

Рис. 2.23

Один вход компаратора соединен с источником опорного напряжения, а на другой подается входной сигнал.

Так как Uвых подается на инвертирующий вход, то выходное напряжение будет мало, когда Uвх > Uоп, и велико, когда Uвх < Uоп.

Если желательно, чтобы Uвых было велико, когда Uвх > Uоп, то следует поменять порядок присоединения входного напряжения к инвертирующему и неинвертирующему входам компаратора. Когда входной сигнал в процессе изменения становится больше опорного, то выход компаратора немедленно изменяет свое состояние или уровень напряжения.

Рис. 2.24

Триггер Шмитта

Триггер Шмитта представляет собой компаратор с гистерезисом.

Схема:

Рис. 2.25

Когда Uвх < Uо, то Uвых - велико, и напряжение верхней точки опрокидывания Uо получается с помощью делителя на сопротивлениях R1 и R2.

Напряжение Uо равно:

где Uнас = Uвых max компаратора обычно на 1 В меньше, чем +Uип.

Когда Uвх > Uо, то выходное напряжение становится отрицательным и стремится к -Uнас, т.е. максимальному отрицательному напряжению компаратора. Отрицательное выходное напряжение вызывает падение напряжения на инвертирующем входе до напряжения нижней точки опрокидывания -Uо.

Компаратор не изменит своего состояния, пока Uвх < - Uо.

В случае, когда входной сигнал Триггер Шмитта имеет синусоидальную форму, рассматриваемая схема преобразовывает его в прямоугольную.

Фазовращатель

Схема, обеспечивающая идеальный фазовый сдвиг, должна передавать сигнал, не изменяя его амплитуду, но сдвигая его фазу на определенный заданный угол.

Схема:

Рис. 2.26

На выход фазовращателя подан синусоидальный сигнал Uвх частотой 1 кГц и амплитудой 1 В.

Сигнал на выходе Uвых имеет ту же частоту и амплитуду, что и входной сигнал, но запаздывает относительно Uвх на 90º.

В общем виде выражение для выходного напряжения схемы фазовращателя имеет вид.

где - фазовый угол.

В фазовращателе резисторы R1 = R2 = R.

Фазовый угол зависит только от Rвх и Свх и от частоты F входного сигнала Uвх. Они связаны следующими соотношениями:

, (2.1)

где - измеряется в градусах, F - в герцах, R - в омах, С - в фарадах.

Из уравнения (2.1) следует, что = -90º градусов тогда, когда Rвх равно реактивному сопротивлению Свх, т.е.

При изменении Rвх от 1 до 100 кОм изменяется приблизительно от -12 до -168 º. Таким образом, фазовращатель может сдвигать угол в диапазоне до 180 º. Если Rвхи Свх в схеме поменять местами, то фазовый угол будет положительный.

Логарифмические схемы

Логарифмические и антилогарифмические схемы используются для выполнения аналогового умножения и деления, сжатие сигнала и отыскание значений логарифмов и показательных функций

Схема логарифмического преобразователя и усилителя.

Для получения логарифмической характеристики усилителя необходимо иметь устройство с логарифмической характеристикой и включать его в цепь обратной связи. Устройство, обладающее такой характеристикой. Является полупроводниковый p-n переход.

Ток через полупроводниковый диод равен:

(2.2)

где - ток утечки при небольшом обратном смещении, e - заряд электрона (1.6*10-19Кл), U - напряжение на диоде, k - постоянная Больцмана (1.38*10-23Дж/К), Т - абсолютная постоянная температура в кельвинах.

Аналогично можно записать выражение для коллекторного тока транзистора с ОБ:

(2.3)

где UБЭ - напряжение эмиттер - база, Iэо - ток перехода эмиттер база при небольшом обратном смещении.

Как диод, так и транзистор можно использовать для получения логарифмической зависимости.

Схема:

Рис. 2.27

Чтобы показать, каким образом диод в цепи ОС формирует логарифмическую характеристику решим уравнение (2.3) относительно Uд, учитывая, что Uд = Uвых.

Из уравнения , получим

Следовательно,

так что

Напряжение мВ при 25 º С

Построив зависимость Iд = F(Uвых) в линейном масштабе, получим логарифмическую характеристику в масштабе на плоскости U-I.

Рис. 2.28

Если построить зависимость Uвых = F(ln I), то получим прямую линию с наклоном около 26 мВ. Uвых достигает в близи 0.6 В.

Рис. 2.29

Если необходимо иметь большее значение выходного напряжения, то его надо усилить.

Логарифмический усилитель в зависимости от типа диода будет иметь логарифмическую характеристику при изменении входного тока в пределах трех декад.

Логарифмический усилитель имеет выходное напряжение только одной полярности, которая определяется направлением включения диода.

Для получения большого диапазона входного напряжения можно использовать в качестве логарифмического элемента в цепи ОС транзистор, включенный по схеме с ОБ. Так как Iк = -Ir1и решая уравнение (**) относительно UБЭ, получим

Рис. 2.30

Выходное напряжение схемы будет отрицательно при положительном выходном напряжении.

В схеме логарифмической зависимости напряжения UБЭ= F(Iк) используется для получения выходного напряжения, пропорционального логарифму положительного напряжения.

Рис. 2.31

Благодаря потенциальному заземлению инвертирующего входа резистор R1 преобразует напряжение Uвх в ток. Этот ток протекает через транзистор Т1 и создает на его эмиттере потенциал, который на величину падения напряжения UБЭ ниже потенциала земли. Транзистор Т2 служит для температурной компенсации. Источник тока, выполненный на ПТ Т3 задает входной ток, служащий для установки выходного напряжения на ноль.

Второй ОУ является не инвертирующим, его коэффициент усиления по напряжению должен быть приблизительно равен 16, для того чтобы напряжение на выходе изменялось в отношении -1,0 В на декаду входного тока.

В качестве Т1и Т2 используется согласованная пара транзисторов.

Такая схема обеспечивает точную логарифмическую зависимость выходного напряжения в пределах 7 или более декад (от 1 нА до 10 нА) при условии, что транзистор имеет небольшие токи утечки, а ОУ - малый входной ток смещения. Для получения хорошей характеристики при малых входных токов входной ОУ следует точно настроить на ноль сдвига. Конденсатор С1 служит для частотной стабилизации при включении ОС, так как усиление по напряжению в контуре ОС определяет транзистор Т1. Диод Д1 предотвращает пробой и разрушении перехода база - эмиттер Т1 в случае появление отрицательного напряжения на входе, так как Т1 не обеспечивает цепь ОС при положительном входном напряжении ОУ.

Выводы:

Логарифмический преобразователь строится с использованием в цепи ОС элемента с логарифмической характеристикой.

Для получения зависимости типа натурального логарифма могут использоваться как п/п диод, так и переход эмиттер - база транзистора. Выходное напряжение логарифмического усилителя пропорционально логарифму на его входе.

1. Методические указания к выполнению работы

На основе операционных усилителей (ОУ) создаются схемы, предназначенные для выполнения математических операций над входными сигналами (сложение, вычитание, интегрирование, выделение модуля функции и т.п.). Такие схемы находят широкое применение в устройствах автоматического управления, они составляют основу аналоговых ЭВМ. Наиболее распространенными являются суммирующие и интегрирующие схемы на ОУ, а также ряд схем, в которых ОУ используются в нелинейном режиме (мультивибратор, одновибратор, ГЛИН и т.д.).

Макетирование и сборка схемы на ОУ.

Собрать схему.

Не включая питания, соедините зажимы +15В и -15В на плате с выводами +Uип и -Uип интегральной схемы. Старайтесь делать соединения проводами покрепче.

Подключите источник питания к сети.

При помощи осциллографа постоянного тока или вольтметра постоянного тока проверьте, не перепутаны ли выводы питания интегральной микросхемы.

Подайте на вход схемы сигнал и измерьте его.

Измерьте выходное напряжение, чтобы удостоверится, что выход не находится в состоянии насыщения, а скорость нарастания не ограничена.

Если выходной сигнал - переменного тока, сигнал с выхода схемы следует подать на осциллограф и посмотреть, нет ли перегрузки или искажений.

Все измерения проводить относительно земли.

Отключайте источник входного сигнала до того, как выключено питание. В противном случае ОУ может выйти из строя.

Никогда при использовании интегральных микросхем:

- не реверсируйте полярность источников питания;

- не подавайте на вход ОУ потенциалы выше +Uип и ниже -Uип;

- не оставляйте входной сигнал при обесточенной интегральной микросхеме.

Если на входе схемы наблюдаются нежелательные колебания (генерация) и схемные соединения уже проведены, то подключите между выводом ОУ и +Uип и землей и между выводом -Uип и землей по конденсатору 0,1мкФ;

- сделайте соединения короче;

- проследите за тем, чтобы заземленные провода измерительных приборов, генератора сигналов, нагрузки и источника питания соединялись вместе на единое заземление

Порядок выполнения работы.

Линейные и нелинейные преобразователи сигналов.

2.1. Исследование активного двухполупериодного выпрямителя.

Собрать схему:

Рис. 2.32

От ЗГ на вход исследуемой схемы подать гармонический сигнал с F=100 Гц и амплитудой В и мВ

На выход выпрямителя подключите осциллограф.

Зарисовать осциллограф и померить амплитуды напряжений и характерных точках - на входе ОУ1, на выходе ОУ1, на диодах, на входе ОУ2 на выходе ОУ2, на выходе схемы.

Все измерения проводить с помощью осциллографа.

2.2. Исследование фазовращателя.

Собрать схему:

Рис. 2.33

Параллельно резистору 10 кОм, подключенному к неинвертирующему входу, подключить резистор 510 кОм.

На вход фазовращателя от ЗГ подать синусоидальное напряжение Uвх с частотой F=1000 Гц и амплитудой 1 В.

Коэффициент передачи по модулю установить равным 1 с помощью потенциометра 10 кОм.

На вход и выход схемы подключить двулучевой осциллограф.

Зарисовать форму входного и выходного сигналов и замерить их амплитуды.

Замерить разность фаз между входным и выходным сигналами.

Фазовый угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами зависит от частоты F входного сигнала Uвх

Снять ФЧХ, то есть зависимость разности фаз между входным и выходным сигналами в зависимости от частоты F входного сигнала: tсдв= F(f) | Uвх = const

Частоту входного сигнала менять от 16 Гц до 100 кГц в следующей последовательности: 16 Гц, 32 Гц, 64 Гц, 128 Гц, 256 Гц, 512 Гц, I кГц, 2 кГц, 4 кГц, 8 кГц, 16 кГц, 32 кГц, 64 кГц, 128 кГц.

Снять АЧХ, то есть зависимость K = F(f), где .

Построить графики снятых зависимостей.

2.3. Исследование компаратора.

Собрать схему компаратора:

Рис. 2.34

(На схеме рис. 2.34 поставить перемычки Е1 и Е2)

Через делитель 1:100 на вход схемы подать постоянное напряжение от -10 В до 10 В и снять передаточную характеристику (Uвх=100 мВ). Обратить внимание при переходе характеристики через ноль.

Передаточная характеристика Uвых = F(Uвх), измерения производить осциллографом, подключив его к выходу схемы.

На вход исследуемой схемы подать от ЗГ синусоидальный сигнал f=100 Гц. На выход схемы подключить осциллограф.

Измеряя амплитуду выходного сигнала наблюдать работу компаратора и замерить амплитуды сигналов на входе и выходе.

Собрать схему триггера Шмитта.

На выход схемы подключить осциллограф.

Снять передаточную характеристику при подаче Постоянного напряжения. Переключения происходят мгновенно.

Зарисовать осциллограммы.

Подать сигнал от ЗГ.

Зарисовать осциллограммы напряжений.

2.4. Аналоговые вычислительные схемы.

1. Схема сложения вычитания.

Собрать схему

Рис. 2.35

Неинвертирующий ход подключить на землю.

К выходу схемы, желательно через резистор R =2...5 кОм подключить осциллограф. Все измерения производить с помощью осциллографа.

От ЗГ на вход U1 подать синусоидальное напряжение с f = 1000 Гц и амплитудой порядка В.

Сигнал на входе должен иметь синусоидальную форму, без нелинейных искажений. В случае появления нелинейных искажений уменьшить амплитуду входного сигнала.

Изменением резистора 22 кОм обеспечить коэффициент передачи схемы равным единицы.

Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжения и замерить амплитуду этих сигналов.

На вход U2 подать сигнал со средней точки ЗГ, зарисовать осциллограммы и замерить амплитуды входного и выходного сигналов.

На входы U1 и U2 одновременно подать сигналы от ЗГ, наблюдать форму сигналов и замерить амплитуды сигналов на входе и выходе.

Собрать схему для исследования неинвертирующего сумматора, для чего на инвертирующий вход подать ОС

На схеме рис.2.35 инвертирующий вход ОУ подключить на землю через резистор с номиналом 3 кОм.

Напряжение от ЗГ подавать на неинвертирующий вход U4, наблюдать форму сигнала и замерить амплитуды сигналов на входе и на выходе схемы, при этом входы U5 и U6 заземлить.

Подать на вход U5 напряжение со средней точки ЗГ, замерить амплитуды сигналов на входе и выходе схемы, при этом входы U4 и U6 заземлены.

Одновременно подать сигналы на вход U4 и U5, замерить амплитуду сигнала на выходе.

Подать сигнал от ЗГ на инвертирующий вход U1 и со средней точки ЗГ на неинвертирующий вход U4 замерить амплитуды сигналов. Входы U5 и U6 заземлены.

2.5. Исследование интегрирующей и дифференцирующей цепей.

Собрать схему:

Рис. 2.36

Неинвертирующий вход ОУ заземлить.

От ЗГ подать на инвертирующий вход сигнал синусоидальной формы, амплитудой Uвх ~ 10B.

На вход и выход схемы подключить двулучевой осциллограф и зарисовать форму сигнала на входе и выходе.

Обратить внимание на фазу сигнала. Замерить амплитуды сигналов.

Собрать схему дифференцирующей цепи:

Рис. 2.37

Сигнал, сформированный на интегрирующей цепи подать на вход дифференцирующей цепи.

В случае появления нелинейных искажений на выходе дифференцирующей цепи, уменьшить амплитуду сигнала на входе интегрирующей цепи.

Снять АЧХ и ФЧХ интегрирующей и дифференцирующей цепочки. меняя частоту входного сигнала от 16 Гц до 64 кГц. Выходные напряжения снимались с интегрирующей цепи, подключив двухлучевой осциллограф.

От генератора прямоугольных импульсов подать сигнал на инвертирующий вход интегратора.

Исследовать влияние конденсатора с постоянной времени цепи интегратора ( =RC) на скорость изменения выходного сигнала интегратора и дифференциатора, для чего измерить амплитуду и длительность линейно - изменяющегося участка интегратора.

Зарисовать согласованные временные диаграммы входных и выходных сигналов на входе и выходе интегрирующей и дифференцирующей цепей.

Рис. 2.38

2.6. Исследование логарифмического усилителя.

Собрать схему:

Рис. 2.39

Произвести балансировку первого ОУ.

Подать на вход схемы сигнал треугольной формы.

Зарисовать осциллограммы напряжений в характерных точках: на входе ОУ1, на входе ОУ2 и на выходе ОУ2.

Снять амплитудную зависимость усилителя Uвых = F(f).

Приложение:

Для запуска схемы интегратора и дифференциатора на основе суммирующей схемы собрать генератор прямоугольных импульсов.

Входной сигнал от ЗГ подать через резистор 3 кОм на инвертирующий вход 0У. Неинвертирующий вход заземлить. Включить резистор обратной связи Rос. Амплитуда входного сигнала подбирается по выходному напряжению, чтобы ОУ работал в качестве компаратора. Выходной сигнал прямоугольной формы снимается с выхода ОУ.

Дифференцирующую цепь подключать через делитель 100 кОм.

Схема:

Рис. 2.40