ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНТЕГРАЛЬНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

ИНТЕГРАТОР И ДИФФЕРЕНЦИАТОР, СУММИРУЮЩИЕ СХЕМЫ

1.Цель работы

Исследование динамических характеристик ОУ, способов частотной кор­рекции его амплитудно-частотной характеристики, схем интегратора и диффе­ренциатора на основе ОУ, суммирующих схем.

Рекомендуемая литература [1-6, 12. 13].

2.Общие сведения

Если ОУ используется для усиления сигналов переменного тока, то важное значение приобретают его параметры, зависящие от частоты этого сигнала. Они называются динамическими параметрами.

Следует различать, какой величины переменные напряжения на выходе ОУ: малой (с амплитудой ниже 1 В) или большой (с амплитудой свыше 1 В). Ес­ли на выходе только сигналы переменного напряжения малой величины, то важ­ными параметрами ОУ, ограничивающими его возможности, являются шумы и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Если на выходе ожидаются сигна­лы переменного напряжения большой величины, то параметр ОУ, называемый

максимальной скоростью нарастания выходного напряжения, определяет, будет ли О У вносить искажения в этот сигнал или нет.

В идеальном случае ОУ должен иметь полосу пропускания, равную бесконечности. Это означает, что если, например, для сигналов постоянного тока усиление ОУ равно 80 дБ. то оно должно иметь такую же величину и для сигна­лов в диапазоне от звуковых частот до радиочастот. Однако, как показано на рис.

3.1.а, коэффициент усиления реальных ОУ на высоких частотах уменьшается (падает).

Уменьшение усиления вызвано влиянием ёмкостей в схеме самого ОУ. Эти распределенные ёмкости можно объединить в одну и представить ОУ в виде эквивалентной схемы (рис. 3.1,6). Реактивные сопротивления, которыми обла­дают ёмкости, на высоких частотах уменьшаются, приводя к шунтированию це­пей прохождения сигнала и тем самым к уменьшению сигнала на выходе. Наря­ду с уменьшением коэффициента усиления на высоких частотах увеличивается сдвиг по фазе выходного сигнала относительно входного (рис. 3.2). На низких частотах разность фаз между сигналами на инвертирующем входе и выходе ОУ близка к 180°. На более высоких частотах выходной сигнал запаздывает относи­тельно входного более чем на 180°; и это дополнительное запаздывание называ­ется фазовым сдвигом. Дополнительный сдвиг фазы добавляется к первоначаль­ному запаздыванию, вызывая общее запаздывание более 180°, и может достигать сдвига в 360°

Рис. 3.1. Коэффициент усиления реального ОУ (а) и эквивалентная схема распределённых ёмкостей (б)

Рис. 3.2. Фазовый сдвиг входного сигнала

Обычно зависимость коэффициента усиления по напряжению и фазовый сдвиг от частоты выражаются в следующем виде:

, .

где К - коэффициент усиления ОУ без ОС на постоянном токе; f- рабочая (те­кущая) частота входного сигнала; f_CP- частота среза или частота, на которой K(f) на 3 дБ ниже К (или равен 0,707 К); -фазовый сдвиг выходного сигнала.

Знак «минус» перед правой частью выражения для (р означает, что выход­ной сигнал отстает по фазе от входного. При определённых условиях значитель­ный фазовый сдвиг сигнала на выходе ОУ может привести к самовозбуждению усилителя. Для предотвращения этого приходится вводить в усилитель специ­альные цепи частотной коррекции.

Известно, что в области верхних частот даже один транзисторный каскад создаёт частотно-зависимый фазовый сдвиг не менее 180°. При охвате ООС фа­зовый сдвиг петлевого усиления на средних частотах составляет 180". В итоге суммарный сдвиг петлевого усиления на некоторой частоте составляет 360°, что соответствует выполнению баланса фаз - одного из необходимых условий само­возбуждения. Однако на этой частоте коэффициент усиления каскада, а значит, и петлевое усиление очень малы, т.е. заведомо меньше единицы. Следовательно, не выполняется баланс амплитуд, и самовозбуждения не происходит.

ОУ многокаскадный (обычно 3 каскада), и поэтому частотно-зависимый фазовый сдвиг, равный 180° (условие баланса фаз усилителя с ООС), наблюдает­ся на той частоте, где усиление падает ещё не сильно. Значит, на этой частоте возможно петлевое усиление K > 1, и тогда наступает самовозбуждение.

Для предотвращения самовозбуждения последовательно с ОУ (блоком К на рис. 3.3,а) необходимо включить корректирующую RС-цепь, ослабляющую верхние частоты (рис.3.3,б). Верхняя граничная частота цепи вц ⁼ 1/RC берётся во много раз меньше, чем верхняя частота ОУ _В.Оу

Рис 3.3. Схема ОУ (а) с корректирующей RC-цепью (б)

Известно, что коэффициент передачи такой цепи на частотах > вц уменьшается пропорционально частоте, или, как говорят, со скоростью 6 дБ/окт. или 20 дБ/дек (октава - изменение частоты в 2 раза, декада - в 10 раз). Поэтому на частотах порядка _В.Оу коэффициент передачи RС-цепи очень мал и за счёт этого получается К < 1, т.е. не выполняется баланс амплитуд. На более низких частотах (порядка в.ц)не выполняется баланс фаз, ибо фазовый сдвиг такой RC- цепи, как известно, не превышает 90° (по знаку отрицателен), а фазовый сдвиг ОУ в этой области ещё очень мал, так как для него это область средних частот. Следовательно, и в этой области частот самовозбуждение невозможно. Посколь­ку фазовый сдвиг, вносимый RС-цепью, отрицателен, такая коррекция называет­ся запаздывающей.

На практике вместо RС-цепи включают ёмкость С, шунтируя ею на землю какую-либо точку ОУ, через которую проходит сигнал. Тогда в роли R оказыва­ется эквивалентное сопротивление между этой сигнальной точкой и землёй. Чтобы требуемая ёмкость конденсатора С была меньше, её подключают к самой высокоомной сигнальной точке внутри ОУ.

Типично также включение корректирующего конденсатора С между кол­лектором и базой одного из каскадов в ОУ. В соответствии с эффектом Миллера подключение ёмкости Сбк в схеме с ОУ увеличивает входную ёмкость на (1 + К)С_Бк. Эта входная ёмкость и играет роль корректирующей. Такой приём позволяет понизить требуемую ёмкость конденсатора дополнительно в (1 + К) раз. В результате этого она становится настолько малой (десятки пФ), что часто встраивается в ОУ в процессе его изготовления.

Существуют и другие более сложные цепи коррекции частотной характе­ристики ОУ.

3. Программа работы

3.1. Ознакомиться с лабораторным макетом 3 для исследования динамиче­ских характеристик ОУ, интегратора и суммирующих схем.

3.2. Исследовать схему включения ОУ в инвертирующем режиме с внеш­ней частотной коррекцией и схему интегратора (рис. 3.4):

а) пронаблюдать U_вых ОУ в режиме инвертирующего усилителя при Кос = -1 и Кос = -6 с разомкнутой и замкнутой цепью коррекции;

б) устранить самовозбуждение схемы усилителя;

в) проверить экспериментально постоянство Кос на всей полосе про­пускания;

г) пронаблюдать на экране осциллографа эффекты искажения U_вых ОУ, связанные с ограничением скорости нарастания выходного напряжения;

д) рассчитать и экспериментально проверить полосу частот интеграто­ра.

3.3. Исследовать схему дифференциатора (рис.3.5):

а) проверить экспериментально полосу частот дифференциатора

б) пронаблюдать на экране осциллографа U_ВЫХ дифференциатора при подаче на вход импульсов напряжения прямоугольной формы

3.4. Исследовать схемы алгебраического суммирования вводных сигналов (рис.3.6, 3.7):

а) рассчитать коэффициенты передачи инвертирующего сумматора, схемы сложения - вычитания;

б) проверить экспериментально результаты расчетов, используя встроенные в макет источники постоянного напряжения;

в) решить с помощью схемы сложения — вычитания систему двух алгебраиче­ских уравнений с двумя неизвестными.

4. Экспериментальные исследования

4.1. Ознакомиться с лабораторным стендом. Перед началом работы необходи­мо изучить паспортные данные ОУ К140УД7 и 574УД1А и записать их основ­ные параметры. Включить и откалибровать измерительные приборы С1-93, В7- 16А и ГЗ-112.

4.2. Исследовать схемы включения ОУ в качестве усилителя с внешней частот­ной коррекцией и схемы интегратора.

4.2.1. Использовать для проведения исследований схему 1 макета (рис.3.4) . перевести переключатель SA1 в положение 3. Разомкнуть контакты XS2. Закоротить вход XS1 на общий провод. Пронаблюдать форму и величину выходного напряжения ОУ.

4.2.2 Повторить п.4.2.1. переводя переключатель SA1 в положение 4.

4.2.3. Устранить самовозбуждение схемы замыканием XS2 и подбором значения корректирующей ёмкости C3.

4.2.4. Для определения постоянства произведения коэффициента усиления на полосу пропускания измерить U_ВЫХ схемы инвертирующего усилителя с различ­ным Кос на частоте входного сигнала около 1 МГц. Амплитуда входного сигнала не должна превышать 0,1 В.

4.2.5. Использовать для определения скорости нарастания U_ВЫХ схему 1 (рис. 3.4).

Установить значение Кос = 12.

4.2.6. Подать на вход схемы сигнал синусоидальной формы с частотой 2 кГц и подобрать его амплитуду так, чтобы U_ВЫХ усилителя было близким к макси­мально возможному.

4.2.7. Увеличить частоту синусоидального сигнала до тех пор, пока сигнал на выходе не станет близким к треугольному.

4.2.8. Измерить крутизну линейного участка U_ВЫХ. Эта крутизна ∆ U_ВЫХ /∆t рав­на скорости нарастания V.

4.2.9. Рассчитать частоту, при которой синусоидальный сигнал начнёт иска­жаться, если U_ВЫХ = ±5В (амплитудное значение).Использовать соотношение

V=2πf U_ВЫХ.MAX

4.2.10. Рассчитать, при каком амплитудном напряжении можно работать без искажений при полученных ограничениях, обусловленных скоростью нараста­ния, если частота U_BX равна 2 МГц. Подтвердить измерением результат расчёта.

4.2.11. Используя данные значений элементов схемы интегратора, рассчи­тать полосу частот, в которой возможно интегрирование

Проверить расчёты экспериментально. Пронаблюдать выходной сигнал интегра­тора при подаче U_BXпрямоугольной формы.

4.3. Для исследования схемы дифференциатора (рис.3.5) подать на вход сигнал синусоидальной (прямоугольной) формы и пронаблюдать Uвых при раз­личных амплитудах и частотах входного сигнала.

4.4. Рассчитать коэффициенты передачи входного сигнала по различным входам для проведения исследований схем алгебраического сложения (рис. 3.6, 3.7). При помощи схемы, изображенной на рис.3.6, решить уравнение

Uвых= - ( Uвх.₁ + 0,5Uвх_.2 + 2Uвх.₃ )

используя для этого встроенные в макет источники постоянного напряжения.

4.4.1. Написать для схемы сложения - вычитания (рис. 3.7) выражение для Uвых. Проверить экспериментально. Выполняется ли условие баланса схем?

5. Оформление отчета и анализ полученных результатов

5.1. Согласно п. 4.1 дайте краткое описание паспортных данных ОУ К574УД1А и К140УД7 и схем его включения в лабораторном макете. Схемы вы­полняются согласно требованиям ГОСТа.

5.1. Выполните требования пп. 5.2 - 5.4 лабораторной работы № 2.

6. Контрольные вопросы

6.1. Укажите причины, приводящие к появлению частотной зависимости коэффициента усиления ОУ.

6.2. Укажите условия, выполнение которых приводит к самовозбуждению ОУ.

6.3 . Какова связь между скоростью спада АЧХ ОУ и устойчивостью усили­теля?

6.4. Коэффициент усиления ОУ без ОС на постоянном токе равен 100000. Чему равен его коэффициент усиления без ОС на частоте среза?

6.5. За какое время Uвых ОУ может изменяться на 10 В, если скорость на­растания ОУ равна 1 В/мкс?

6.6. Объясните принцип действия схемы интегратора на основе ОУ.

6.7. Перечислите причины, по которым время интегрирования в реальных схемах ограничено.

6.8. Укажите способ компенсации для каждого из факторов, ограничиваю­щих время интегрирования.

6.9. Объясните назначения суммирующего усилителя.

Лабораторная работа № 4

Дата добавления: 2014-10-10; просмотров: 840; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!