I.6. Интегрирующий усилитель
Это устройство в котором входное и выходное напряжение связано соотношением
. (10)
Простейшим интегрирующим цепям (например RC - цепям) аналогичны недостатки предыдущего устройства. Схема интегрирующего усилителя на ОУ приведена на рис.1.8. Считая ОУ идеальным можно записать Uвх = RIвх и Uвых=Uс , а учитывая, что Iвх=-Iос=СdUвх/dt , то получим Uвх/R=-СdUвых/dt . Следовательно:
, (11)
где RС= t - постоянная времени интегрирующего усилителя.
Коэффициент передачи интегрирующего усилителя определяется выражением
К(jw) = Uвых/ Uвх = (jwt)-1 =K(w) e jj(w), (12)
где K(w) =( wt )-1 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); j(w) =- p/2 - фазово-частотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи интегрирующего усилителя.
ЗАДАНИЯ НА ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
До проведения расчетов необходимо изучить раздел I настоящих указаний. При проведении расчетов ОУ считать идеальным.
ЗАДАНИЕ 1. Рассчитать коэффициент усиления инвертирующего усилителя (рис.3), приняв R1=10кОм, R2=100кОм.
ЗАДАНИЕ 2. Рассчитать выходное напряжение неинвертирующего усилителя (рис.4), приняв R1=10кОм, R2=100кОм, Uвх=100мВ.
ЗАДАНИЕ 3. Рассчитать выходное напряжение дифференциального усилителя (рис.6), приняв R1=R2=10кОм, R3=R4=100кОм, Uвх1=Uвх2=1В.
ЗАДАНИЕ 4. Рассчитать и построить график АЧХ коэффициента передачи дифференцирующего усилителя (рис.7) для диапазона частот (20...20.103)Гц, приняв R=100кОм, С=16нФ.
Нарисовать временную диаграмму выходного сигнала дифференцирующего усилителя считая, что выходной сигнал периодическая последовательность однополярных импульсов с амплитудой 1В, частотой 100Гц.
ЗАДАНИЕ 5. Повторить задание 4 для схемы (рис.8) интегрирующего усилителя, считая R=100кОм, С=16нФ.
ЗАДАНИЯ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
И МЕТОДИКА ИХ ВЫПОЛНЕНИЯ
ЗАДАНИЕ 1. Исследовать инвертирующий усилитель
1.1. Проверка выполнения соотношения (2):
а) подать на вход усилителя гармонический сигнал с частотой 100 Гц и амплитудой 1В (эффективное значение 0,7В);
б) с помощью амперметров (в режиме измерения переменного тока – АС), измерить токи Iвх, Iос, Iоу;
в) проверить соотношение (2).
 |
1.2. Проверить выполнение условия “виртуального замыкания” входов ОУ.
Рис. 3.1
1.3. Экспериментально определить коэффициент усиления (Кu) инвертирующего усилителя, где Кu=Uвых/Uвх;
а) измерения Кu проводить на частоте 100 Гц при амплитуде входного сигнала 1В;
б) сравнить результаты эксперимента с расчетом.
1.4. зарисовать временные диаграммы входного и выходного сигналов инвертирующего усилителя.
Для получения устойчивой картины на экране осциллографа эксперимент проводить в режиме внутренней синхронизации осциллографа.
Задание 2. Исследовать неинвертирующий усилитель
Собрать схему неинвертирующего усилителя.
2.1. Повторить выполнение пунктов задания 1.4.
задание 3. Исследовать дифференциальный усилитель
(усилитель разности сигналов)
Собрать схему усилитель разности сигналов.
3.1. Зарисовать временные диаграммы входных Uвх1,Uвх2 сигналов, подав на инвертирующий вход Uвх1 гармонический сигнал с амплитудой 1В и частотой 50 Гц, а на неинвертирующий вход Uвх2 сигнал прямоугольной формы, такой же амплитуды и частоты (Рис.3.2).
 |
Рис.3.2
Измерения проводить в режиме синхронизации осциллографа от гармонического сигнала.
3.2. Рассчитать коэффициент ослабления синфазного сигнала. Косс=Uвх/Uвых.
 |
Для расчета Косс, объединив входы усилителя разности и подав на них гармонический сигнал (Um=1B, f=100 Гц) от генератора, измерить с помощью осциллографа амплитуду входного и выходного сигналов (рис.3.3).
Рис.3.3
Объяснить результат измерения.
Задание 4. Исследовать суммирующий усилитель
Собрать схему суммирующего усилителя (R1=R2=Rос=10кОм)
4.1. Повторить пункт 3.1 настоящего описания.
Задание 5. Исследовать дифференцирующий усилитель
 |
Собрать схему дифференцирующего усилителя (R=100кОм, C=100нФ).
Рис. 3.5
Недостатком схемы дифференцирующего усилителя приведенной на рис.1.7 является склонность его к самовозбуждения и чрезмерно большое усиление на высоких частотах. Для устранения этих нежелательных явлений последовательно с конденсатором С включают резистор R небольшого сопротивления (см. рис. 3.5).
5.2. Зарисовать осциллограммы входного и выходного сигналов дифференцирующего усилителя при подаче на его вход а) гармонического сигнала; б) последовательности треугольных импульсов; в) последовательности прямоугольных импульсов, от генератора импульсов с частотой 50 Гц и амплитудой 10 мВ.
Объяснить изменение формы выходного сигнала на выходе усилителя по сравнению с его входным сигналом.
Задание 6. Исследовать интегрирующий усилитель
 |
Собрать схема интегрирующего усилителя (R=100кОм, C=16нФ).
Рис.3.6
Недостатком схемы интегратора приведенного на рис.1.8 является дрейф выходного напряжения, обусловленный напряжением смещения и входными токами ОУ. Это нежелательное явление можно ослабить, если параллельно конденсатору С подключить резистор R2 c большим сопротивлением (см. рис.3.6), обеспечивающий стабилизацию рабочей точки за счет обратной связи по постоянному току. Кроме того, резистор R2 предотвращает насыщение ОУ после заряда конденсатора, когда ток через конденсатор станет равным нулю.
6.2. Повторить задание 5.2 настоящего описания на частотах 1 кГц и 100 Гц.
Объяснить изменение формы выходного сигнала и причину уменьшения амплитуды выходного сигнала с увеличением частоты сигнала на входе.
УКАЗАНИЕ К ОТЧЕТУ
Отчет должен содержать:
4.1. Заголовок: название работы, N группы, ФИО студента;
4.2. Результаты теоретических расчетов и графических построений;
4.3. Структурные схемы устройств на основе ОУ исследуемых в заданиях .
4.4. Результаты измерений, расчеты и графики;
4.5. Выводы и сопоставление результатов измерений и теоретических расчетов.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ
5.1. Схема и основные соотношения для неинвертирующего усилителя на ОУ;
5.2. Схема и основные соотношения для инвертирующего усилителя на ОУ;
5.3. Схема и основные соотношения для дифференциального усилителя на ОУ;
5.4. Схема и основные соотношения для дифференцирующего усилителя на ОУ;
5.5. Схема и основные соотношения для сумматора;
5.6. Схема и основные соотношения для интегрирующего усилителя на ОУ;
5.7. Основные параметры и характеристики ОУ.
5.8. Понятие об идеальном ОУ.
5.9. Классификация ОУ.
5.10. Условия, при которых реальный ОУ можно считать идеальным.
5.11. Передаточные частотные характеристики ОУ и параметры ОУ определяемые по ним.
5.12. Амплитудная характеристика ОУ и параметры определяемые по ней.
5.13. С помощью, каких приборов, входящих в состав EWB, можно экпериментально измерить коэффициент усиления и зависимость его от частоты. Нарисовать схемы измерений.
5.14. С помощью, каких приборов, входящих в состав EWB, можно экпериментально измерить фазовый сдвиг и зависимость его от частоты. Нарисовать схемы измерений.
5.15. Какими мерами можно обеспечить устойчивость ОУ с глубокой обратной связью.
5.16. В чем заключаются достоинства ОУ, благодаря которым они широко применяются.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
7.1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника/М.: Высш. шк.,1991.-621с.
7.2. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники/М.: Высш. шк.,1968.-646с.