Экспериментальная установка. Установка предназначена для изучения характеристик операционного усилителя и его

Установка предназначена для изучения характеристик операционного усилителя и его применения в различных радиотехнических устройствах. В данной работе используется микросхема серии KI40 (К140УД1Б) с параметрами:

Рис. 21. Схема рабочего макета

1. Коэффициент усиления К=1350¸12000.

2. Максимальное выходное напряжение ±6 В.

3. Максимальный входной ток I_вх=9,0 мкА.

4. Напряжение источников питания U= ±12,6 В.

5. Входное сопротивление R_вх > 5 кОм.

6. Выходное сопротивление R_вых < 700 Ом.

7. Напряжение смещения нуля ± l7 мВ.

Наличие напряжения смещения требует применения корректирующих цепей. Схема ОУ К140УД1Б приведена на рис. 12. Рабочий макет имеет схему, приведенную на рис. 21.

Приборы, используемые в работе:

— генератор синусоидальных сигналов;

— генератор прямоугольных импульсов;

— осциллограф;

— источник питания.

Порядок выполнения работы

4.1. Рассчитать и смонтировать неинвертирующий усилитель переменного напряжения с коэффициентом усиления K_U =100, 200, 500. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя. Определить его входное сопротивление.

4.2. Рассчитать и смонтировать активный интегратор и дифференциатор, взявза основу расчета постоянную времени цепи:

t_диф = 20 мкс, 100 мкс, I мс;

t_инт = 5 мс, 10 мс, 20 мс.

Проверить работу схем при подаче на вход прямоугольного сигнала длительностью t_U = I мс, F = 500 Гц.

4.3. Смонтировать генератор прямоугольных импульсов с заданным периодом повторения Т=3 мс, 5 мс. Зарисовать формы напряжений на выходе. Изменяя параметры схемы, определить зависимость частоты повторения от постоянной времени R_C и от соотношения плеч делителя R₁, R₂.

Методические указания

Сопротивление нагрузки для всех схем выбирается с учетом предельного значения тока:

_.

Так как коэффициент усиления ОУ велик, а выходное напряжение ограничено (U_вых = 6 В), то амплитуда входного сигнала должна быть мала (U_вх = 0,01 В).

5.1. Усилитель.

Если во входных каскадах не используются полевые транзисторы, то через входы операционного усилителя обязательно будут протекать базовые токи. Следовательно, входы всегда должны соединяться с землей через омическое сопротивление. Благодаря этому токи смещения приводят к появлению на обоих входах одинаковых напряжений, которые взаимно вычитаются и поэтому не вносят дополнительного сдвига. В усилителе на рис. 22. во входную цепь включен дополнительно резистор R3 для того, чтобы получить на нем падение напряжения, равное напряжению на параллельном соединении резисторов R1 и R2. Рекомендуемые параметры схемы: R1 = 4-10 кОм, R2 = R3 = 400 кОм-1,5 МОм, R_H = 5 кОм.

Рис. 22

5.2. Дифференциатор.

При подборе RC элементов необходимо учитывать, что уменьшение реактивного сопротивления C_c с увеличением частоты приводит к тому, что схема дифференциатора имеет высокий коэффициент усиления по отношению к высокочастотным составляющим на входе, даже если их частоты лежат выше полосы частот полезного сигнала. Следовательно, наряду с высокочастотными составляющими спектра полезного входного сигнала схема усиливает собственные шумы сопротивлений и полупроводниковых элементов. Такая схема имеет тенденцию к потере устойчивости в той области частот, где частотная характеристика дифференциатора пересекается с характеристикой скорректированного усилителя. Чтобы избежать проявления только что описанных нежелательных свойств дифференциатора, принимаются меры по его динамической стабилизации.

Рис. 23

Добавление к схеме сопротивления R_K приводит к появлению на частотной характеристике горизонтального участка и прекращению дифференцирования на частотах, превышающих частоту f₁=1/2pR_KC. В полосе частот от f до f₁=1/2pR_KC схема является устойчивым дифференциатором. Частоту f₁=1/2pR_KC следует задавать возможно более низкой при заданных полосе частот полезного сигнала и точности дифференцирования. R_K и С_K часто выбираются так, чтобы R_KC=RC_K. Дифференциатор собирается по схеме (рис. 23). Рекомендуемые параметры схемы: R » 100 кОм – 1 МОм, С = 30 пФ.

5.3. Интегратор.

Так как в схеме интегратора мы имеем дело не с идеальным операционным усилителем, а реальным, имеющим некоторое напряжение сдвига, то он нуждается в некотором токе смещения (рис. 24). Напряжение сдвига интегрируется как ступенчатая функция, что дает дополнительный линейно нарастающий (или спадающий) выходной сигнал. Ток смещения течет через конденсатор обратной связи, что также приводит к появлению наклонного выходного сигнала. В результате действия этих двух эффектов конденсатор обратной связи через некоторое время неизбежно заряжается до максимально возможного выходного напряжения усилителя. Такое постоянное накопление заряда на конденсаторе обратной связи накладывает ограничение на интервал времени, в течение которого может быть осуществлено интегрирование с достаточной точностью.

Ошибку напряжения сдвига можно уменьшить следующими приемами:

1) использовать операционный усилитель с низким U_СДВ;

2) периодически сбрасывать интегратор (т. е. разряжать конденсатор до некоторого заранее выбранного значения);

3) шунтировать сопротивлением R_раз. Все это уменьшит ошибки интегратора.

R_бал»R , т. к. входной ток протекает по резистору источника сигнала R.

Рекомендуемые параметры схемы: R_раз= 10 МОм, R=10 кОм, C=1200 пФ.

Рис. 24

5.4. Генератор.

Генератор прямоугольных импульсов собирается по схеме (рис.19). Рекомендуемые параметры схемы: R1=4,7 кОм, R2= 47 кОм, R » 100 кОм - 2 МОм, С » 0,001-0.1 мкФ.

6. Контрольные вопросы

1. Объяснить устройство операционного усилителя.

2. Объяснить работу дифференциального каскада ОУ.

3. Объяснить работу неинвертирующей схемы на ОУ.

4. Как работает активный интегратор на ОУ?

5. Каковы условия дифференцирования схемы дифференциатора на ОУ?

6. Как работает схема генератора колебаний прямоугольной формы на ОУ?

Литература

1. Рутковски Дж. Интегральные операционные усилители. М.: Мир, 1971.

2. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы. М.: Советское радио, 1979.

3. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. М.: Советское радио, 1976.