Описание схемы исследуемого устройства. В лабораторной работе исследуются усилители-сумматоры сигналов на операционных усилителях (ОУ), в которых используется инвертирующее

В лабораторной работе исследуются усилители-сумматоры сигналов на операционных усилителях (ОУ), в которых используется инвертирующее, неинвертирующее и комбинированное подключение источников сигнала к входам операционного усилителя (рисунок, а – в).

В зависимости от способа подключения ОУ к источнику питания различают симметричное и асимметричное включения. При симметричном включении используются два разнополярных источника питания, вывод ОУ + подключается к + , а вывод – – к – . Динамическая характеристика ОУ (зависимость от ) симметрична относительно центра координат.

При асимметричном подключении используется один источник питания, вывод ОУ + подключается к + , а вывод – – к общей шине. Динамическая характеристика ОУ в этом случае смещается вверх и вправо.

Инвертирующее включение.Сигналы от источников подаются на инвертирующий вход ОУ. Выходное напряжение для изучаемой схемы (рисунок, а) определяется суммой его составляющих:

= + ,

где – сигнал, подаваемый с выхода потенциометрического делителя напряжения ; – сигнал, подаваемый с выхода источника ; =

= – / – коэффициент усиления по первому входу; = – / – коэффициент усиления по второму входу. Знак «–» означает изменение полярности выходного сигнала.

Входное сопротивление усилителя по каждому из входов и будет определяться соответственно сопротивлениями и . Выходное сопротивление усилителя определяется выходным сопротивлением ОУ

R2

Усилители-сумматоры сигналов на операционных усилителях:

а – инвертирующий сумматор; б – неинвертирующий сумматор;

в – вычитающий усилитель

и коэффициентом усиления : = /(1 + ) ® 0.

В рассматриваемой схеме в качестве источника сигналов используется генератор гармонических сигналов. Второй источник сигналов на потенциометрическом делителе используется для задания постоянного сигнала требуемого уровня.

Сопротивление используется для минимизации сдвига и дрейфа нуля, обусловленного асимметрией плеч ОУ, и обеспечивает равенство токов инвертирующего и неинвертирующего входов: = || || .

Неинвертирующее включение.Сигналы от генератора гармонического сигнала и источника постоянного смещения подаются через сопротивления и на неинвертирующий вход ОУ (рисунок, б). Так как сопротивления , и образуют потенциометрический делитель, коэффициент передачи (деления сигнала) по каждому из входов будет определяться коэффициентами деления и :

= / ( + ); = / ( + ).

При неинвертирующем включении ОУ коэффициент усиления сигнала определяется соотношением = 1 + / , а суммарный коэффициент деления с учетом действия делителей напряжения – соответственно:

= [ /( + )](1 + / ); = [ /( + )](1 + / ).

Так как входное сопротивление ОУ достаточно велико, то входные сопротивления усилителя-сумматора и будут определяться значениями сопротивлений потенциометрических делителей:

= + ; = + .

Для обеспечения равенства входных токов ОУ и минимизации сдвига нуля необходимо выполнить условие

( || + ) || ( + ) || = || .

Использование в первой (рисунок, а) и во второй (рисунок, б) схемах источников постоянного смещения на потенциометрическом делителе позволяет исследовать изменение фазы выходных сигналов при инвертирующем и неинвертирующем включениях ОУ.

Если сигнал подается от одного источника, использовать сопротивления , и не надо и входное сопротивление усилителя будет определяться входным сопротивлением ОУ = ® ∞. При ® ∞ и

® 0 получаем повторитель напряжения = 1.

Вычитающий усилитель.Для вычитающего усилителя сигналы подаются как на инвертирующий, так и на неинвертирующий входы ОУ (рисунок, в).

Сигнал на выходе усилителя будет определяться соотношением

= + ,

где = /( + )(1 + / )и = – / – коэффициенты передачи соответственно по неинвертирующему и инвертирующему входам ОУ, и – сигналы, подаваемые на неинвертирующий и инвертирующий входы. На оба входа ОУ подается сигнал от одного и того же источника сигнала, в качестве которого используется генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). При этом на первый вход сигнал подается непосредственно от источника, а на второй вход – через потенциометрический делитель напряжения . Рассматриваемая схема позволяет получить на выходе усилителя сигналы ГЛИН положительной или отрицательной полярности в зависимости от коэффициента деления, задаваемого с помощью . Входные сопротивления усилителя по каждому из входов и будут определяться с учетом неинвертирующего и инвертирующего подключения по ранее приведенным соотношениям. При выполнении условия = =

= = = получаем равные по модулю, но отрицательные по знаку коэффициенты передачи сигналов = . Такой вычитающий усилитель используется как дифференциальный усилитель (ДУ) для подавления синфазного (одинаковой амплитуды и фазы) и усиления дифференциального (одинаковой амплитуды, но противоположной фазы) сигналов. Недостатком ДУ на одном ОУ являются относительно низкие входные сопротивления по входам, которые будут определяться в основном сопротивлениями , и . Для повышения входных сопротивлений ДУ можно использовать на входе буферные каскады, реализованные на ОУ по схеме неинвертирующего усилителя.

Рекомендации к выбору номиналов сопротивлений усилителей. Необходимо помнить, что сопротивления, подключаемые к выходу ОУ, не должны быть менее предельно допустимой нагрузки данного ОУ. Это вызвано необходимостью ограничения выходного тока ОУ. Поэтому сопротивления, используемые в цепи отрицательной обратной связи ОУ, должны быть не менее : сопротивление для инвертирующего сумматора, для неинвертирующего сумматора, для вычитающего усилителя. Эти сопротивления берутся в диапазоне 10¼100 кОм. Остальные сопротивления схемы вычисляются, исходя из условия обеспечения требуемого коэффициента усиления и входного сопротивления усилителя.

Порядок выполнения работы

1. Собрать на макетном поле инвертирующий сумматор (рисунок, а). Подключить генератор гармонических сигналов . Установить амплитуду сигнала = 0,1 мВ, а частоту = 1 кГц.

2. Установить с помощью сопротивления на первом входе сумматора постоянное смещение = 0, измерить амплитуду выходного сигнала и вычислить коэффициент передачи по второму входу =

= / . Сравнить экспериментально полученный коэффициент передачи со значением, определяемым сопротивлениями и .

3. Увеличивая амплитуду входного напряжения от 0 до максимального значения = + /( + ), с помощью осциллографа выявить характер изменения выходного напряжения . Определить экспериментально коэффициент передачи по первому входу инвертирующего сумматора.

4. Подключить дополнительное сопротивление = последовательно сопротивлению , измерить значение при = 0,1 мВ и вычислить входное сопротивление усилителя-сумматора по второму входу:

= /( – ),

где и – соответственно выходные напряжения без и с дополнительно включенным сопротивлением.

5. Варьируя номинал сопротивления исследовать характер изменения сдвига нуля на выходе операционного усилителя при короткозамкнутых входах инвертирующего сумматора.

6. Собрать на макетном поле неинвертирующий сумматор (рисунок, б). Установить на подвижной части сопротивления уровень сигнала = 0, на выходе генератора гармонических сигналов – = 0,1 мВ, а частоту =

= 1 кГц. Измерить выходное напряжение и вычислить коэффициент усиления по второму входу . Сравнить экспериментально полученное значение с расчетным.

7. Варьируя напряжение на подвижной части от 0 до максимального значения + /( + ) исследовать характер изменения выходного напряжения . С помощью вольтметра задать несколько фиксированных уровней напряжения и экспериментально определить коэффициент передачи по первому входу сумматора .

8. Подключить дополнительное сопротивление = последовательно сопротивлению и определить экспериментально входное сопротивление усилителя-сумматора по второму входу . Изменяя номинал сопротивления изучить его влияние на входное сопротивление сумматора.

9. Собрать на макетном поле схему вычитающего усилителя (рисунок, в). Установить у генератора режим формирования линейно нарастающего сигнала. Задать амплитуду сигнала = 0,1 мВ, а частоту следования импульсов = 1 кГц. Установить на подвижной части сопротивления сигнал = 0 и экспериментально определить коэффициент передачи усилителя по неинвертирующему входу . Варьируя уровень сигнала на подвижной части сопротивления от 0 до максимального значения исследовать характер изменения выходного сигнала. Определить коэффициент передачи вычитающего усилителя по инвертирующему входу.

10. Собрать схему вычитающего усилителя при значениях сопротивлений = = = =10 кОм. Объединить оба входа усилителя и подключить к выходу генератора гармонических сигналов. Варьируя амплитуду сигнала на выходе генератора в диапазоне от 0,1 до 2,0 В изучить характер изменения выходного напряжения. Определить коэффициент передачи синфазного сигнала вычитающего усилителя . Замкнуть один из входов ДУ на «землю», а второй вход подключить к выходу генератора гармонических сигналов. Варьируя амплитуду сигнала на выходе генератора в диапазоне от 10 до 500 мВ изучить характер изменения выходного напряжения. Определить коэффициент передачи дифференциального (разностного) сигнала и коэффициент дискриминации ДУ = / .

Содержание отчета

1. Функциональные схемы инвертирующего и неинвертирующего сумматора и вычитающего усилителя.

2. Теоретический расчет входных сопротивлений и коэффициентов передачи по каждому из входов инвертирующего и неинвертирующего сумматоров и вычитающего усилителя.

3. Таблицы значений входных и выходных напряжений для различных схем подключения операционных усилителей, а также расчет экспериментальных значений коэффициентов передачи и входных сопротивлений.

4. Временные диаграммы входных и выходных сигналов при исследовании схем инвертирующего и неинвертирующего сумматоров, вычитающего усилителя.

5. Таблица значений входного и выходного напряжений схемы дифференциального усилителя при синфазном и дифференциальных входных сигналах, расчет коэффициентов усиления синфазного и дифференциальных сигналов, коэффициента дискриминации ДУ.

6. Сравнительный анализ электрических характеристик исследованных схем подключения ОУ.

7. Анализ факторов, влияющих на сдвиг и дрейф нуля ОУ.

Контрольные вопросы

1. Перечислите особенности инвертирующего и неинвертирующего включений операционного усилителя.

2. Какие сопротивления схем инвертирующего и неинвертирующего включений ОУ влияют на коэффициент передачи усилителя?

3. Какие сопротивления схем включения ОУ влияют на входные сопротивления усилителей?

4. Какие сопротивления схем включения ОУ влияют на сдвиг и дрейф нуля усилителя?

5. Возможно ли обеспечение требуемого коэффициента передачи усилителя при произвольных соотношениях сопротивлений, используемых в цепях ОУ?

6. Что влияет на выходное сопротивление усилителя?

7. При каких условиях обеспечивается максимальное подавление синфазного сигнала в ДУ?

8. Допускается ли подключение к выходу ОУ нагрузки произвольного номинала?

9. Зависят ли сдвиг и дрейф нуля ОУ от сопротивления источника сигнала?

10. Как изменится динамическая характеристика ОУ при изменении схемы его подключения к источнику питания?

Лабораторная работа № 3