Исследование и расчет схем с использованием операционных усилителей

Методические указания

к выполнению лабораторной работы №3 по дисциплине "Аналоговая схемотехника" для студентов дневной и заочной форм обучения специальностей 7.0908

Севастополь

УДК 621.396.6

Исследование и расчет схем с использованием операционных усилителей:

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине "Аналоговая схемотехника" для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 7.0908/ Сост. А.А. Тестоедов, В.О. Васин – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2007.–12 с.

Цель указаний: Обеспечить студентам возможность самостоятельной подготовки к выполнению и защите лабораторной работы.

В издание включены некоторые справочные материалы и варианты индивидуальных заданий для студентов всех форм обучения направления 7.0908 специальностей 7.090801 «Микроэлектронные и полупроводниковые приборы» и 7.090804 «Физическая и биомедицинская электроника»

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры электронной техники , протокол № 3 от 02 ноября2007 г.

Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний.

Рецензент: Буря А.И. – кандидат технических наук, доцент кафедры Радиотехники Севастопольского национального технического университета.

СОДЕРЖАНИЕ

Цель лабораторной работы …………………………………..……3

1. Теоретические сведения ………………………………………...3

2. Рекомендации к выполнению лабораторной работы………….7

3. Варианты заданий …………………………………………….…8

4. Рекомендации по оформлению отчета…………………….……8

5. Контрольные вопросы и задачи…………………………………8

Библиографический список………………………………….……..9

Приложение А . Схемы принципиальные….……………….……10

Цель лабораторной работы

Целью настоящей лабораторной работы является ознакомление студентов с методикой расчета и обеспечения оптимальных режимов работы схем с использованием операционных усилителей в электронных устройствах, экспериментальное исследование основных методов включения операционных усилителей; развитие навыков компоновки и сборки схем, использования измерительных приборов.

Методические указания содержат теоретические сведения, достаточные для понимания принципов функционирования и расчета схем на операционных усилителях. (6 часов).

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Операционные усилители (ОУ) являются законченным функциональным устройством. Они обладают большим собственным коэффициентом усиления (>50000) и большим входным сопротивлением (>1МОм). В аналоговой электронике ОУ используются как базовые элементы для реализации различных функциональных устройств: усилителей постоянного и переменного тока, компараторов, сумматоров, логарифматоров и пр.

Операционный усилитель имеет два входа прямой и инверсный, он усиливает только разностный сигнал и, и подавляет синфазный (сигнал, имеющий одинаковую амплитуду и фазу на обоих входах). Если на оба входа ОУ наводится одинаковая (синфазная) помеха, то она не только не усиливается, но и будет уменьшена. Как будет показано ниже, в большинстве схем усилителей на ОУ коэффициент передачи определяется соотношением сопротивлений резисторов, а не параметрами ОУ. Это обеспечивает высокую температурную стабильность усилителей, поскольку при изменении температуры сопротивление резисторов изменяется одинаково, а их соотношение остается постоянным. Поскольку коэффициент передачи практически не зависит от параметров ОУ, такие схемы имеют высокую повторяемость.

При расчете схем на ОУ можно использовать приближение идеального ОУ с бесконечным коэффициентом усиления, бесконечно большим входным сопротивлением и напряжением смещения между входами равным нулю. В этом случае, при наличии отрицательной обратной связи (ООС), можно считать, что потенциалы на прямом и инверсном входах равны, а ток по входным цепи ОУ не течет, то есть равен нулю. При таких допущениях расчет схем на ОУ сводится к расчету резистивных или резистивно-емкостных цепей.

Рассмотрим инвертирующий усилитель представленный на рис. 1.

Рисунок 1 - Инвертирующий усилитель

В этой схеме входной сигнал подается через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ и туда же с выхода через R2 подается обратная связь. На неинвертирующем входе ОУ удерживается нулевой потенциал (подсоединен к «земле»). Коэффициент усиления схемы по напряжению k равен отношению выходного напряжения Uвых ко входному Uвх.

k = Uвых / Uвх. (1)

Поскольку потенциалы на входах ОУ равны (идеальный ОУ с ООС), потенциал инверсного входа тоже равен нулю. Следовательно, напряжение на выходе Uвых равно падению напряжения на резисторе R2.

Uвых = I * R2. (2)

Через резисторы R1 и R2 протекает один и тот же ток, так как входное сопротивление ОУ бесконечно большое. Следовательно, ток I можно определить из входного напряжения Uвх и величины резистора R1

I = - Uвх / R1. (3)

Отметим, что через R2 протекает ток той же величины, что и через резистор R1, но с обратным знаком, поскольку на инверсном входе, в точке UA, они должны компенсироваться и, следовательно, I=Iвых = - Iвх. Подставив выражения (2) и (3) в (1) получим формулу для расчета коэффициента усиления для схемы инвертирующего усилителя, представленного на рис. 1.

k = - R2 / R1. (4)

Минус в выражении (4) означает инверсию входного сигнала. Коэффициент усиления определяется отношением сопротивлений резисторов, а их конкретные номиналы ограничиваются только требуемым входным сопротивлением схемы, которое равно R1 и минимальным значением R1+R2, которое подключено параллельно выходу ОУ и нагрузке. Следовательно, минимальное значение R2+R1 определяется максимальным током данного ОУ, а R1 – возможностями предыдущего каскада.

Отрицательная обратная связь может быть реализована в виде резистивного Т – образного моста. В этом случае можно производить регулировку коэффициента усиления резистором (или другим элементом) относительно земли. Рассмотрим инвертирующий усилитель с Т-образной ООС, представленный на рис. 2.

Рисунок 2 - Инвертирующий усилитель с Т – образной ООС

Потенциал в точке UB может быть выражен через Uвых. Поскольку неинвертирующий вход ОУ заземлен, то и UA=0. Следовательно,

. (5)

С другой стороны потенциал UB определяется падением напряжения на резисторе R2 при протекании входного тока Iвх.

(6)

и . (7)

Подставив (7) в (6) и приравняв (6) и (5) получим

Тогда коэффициент передачи равен

. (8)

Из выражения (8) видно, что коэффициент передачи усилителя определяется произведением двух коэффициентов

где, и .

Если сопротивление резистора R3 = 0, то k2 =1 и k=k1.

Если резисторы выбрать так, что R2>>R4 и R3>>R4, то

. (9)

Если в качестве R4 использовать подстроечный резистор или транзистор, то можно управлять коэффициентом усиления относительно земли.

Для построения схем без инверсии следует подавать входной сигнал на неинвертирующий вход.

Рассмотрим неинвертирующий усилитель представленный на рис. 3.

Рисунок 3 - Неинвертирующий усилитель

В этой схеме напряжение отрицательной обратной связи формируется резистивным делителем R1 и R2. Коэффициент усиления схемы по напряжению k равен отношению выходного напряжения ко входному

k = Uвых / Uвх (10)

Напряжение на инвертирующем входе UA равно

(11)

Поскольку потенциалы на входах ОУ равны (идеальный ОУ с ООС), следовательно, UА = Uвх, тогда-

. (12)

Используя соотношения (10), (11) и (12) получаем выражение для коэффициента усиления по напряжению

. (13)

В полученном выражении в отличии от (4) и (8) отсутствует минус. Это говорит о том, что входной сигнал не инвертируется. Неинвертирующее включение отличается от инвертирующего еще и тем, что коэффициент передачи по напряжению не может быть меньше единицы.

2. РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

В лабораторной работе используются промышленные источники постоянного тока, генераторы переменного сигнала и осциллограф. Инструкцию по их эксплуатации необходимо тщательно изучить. Кроме того, студентам предоставляются монтажные платы, соединительные провода, полная номенклатура резисторов и конденсаторов и микросхема - операционный усилитель.

Получив задание, студент должен:

1. рассчитать схему заданной конфигурации и проверить правильность расчета, смоделировав схему на компьютере. Для моделирования схемы можно использовать программные пакеты WORKBENCH или PROTEUS.

При расчете схемы необходимо в одно из резистивных плеч поставить подстроечный резистор, поскольку по заданию требуется изменять коэффициент передачи усилителя в необходимых пределах. Расчет следует начинать без учета подстроечного резистора (одна граница диапазона), а затем вычислить величину сопротивления подстроечного резистора исходя из другой границы диапазона;

2. убедившись в правильности расчетов и выборе номиналов элементов, собрать на монтажной плате схему, к которой соединительными проводами подключить источник питания, генератор и осциллограф.

(Перед включением схемы необходимо убедится в наличии заземления у приборов, а также нужно тщательно проверить правильность подсоединения приборов к схеме, обратив особое внимание на подключение земли схемы и приборов);

3. установить необходимые значения напряжений источника питания и напряжение и частоту генератора;

4. с помощью осциллографа отснять диаграммы напряжений на входах и выходе схемы.

5. определить коэффициенты усиления на границах и в середине полосы пропускания;

6. оценить границы динамического диапазона.

3. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ

Номер вар-та	Включение ОУ	Диапазон коэф-та передачи
	Инвертирующее	1 -20
	Инвертирующее	10 -50
	Инвертирующее	20 - 60
	Инвертирующее	1 - 50
	Неинвертирующее	10 -40
	Неинвертирующее	20 - 80
	Неинвертирующее	30 - 100
	Неинвертирующее	10 -80
	Инвертирующее с Т-мостом	5 - 50
	Инвертирующее с Т-мостом	2 -20
	Инвертирующее с Т-мостом	4 -40
	Инвертирующее с Т-мостом	8- 80

4. РЕКОМЕНДАЦИИ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА

О т ч е тпо лабораторной работе должен содержать:

-титульный лист с указанием названия работы, группы и фамилий исполнителей;

-раздел «Постановка задач исследования», в котором приводятся необходимые теоретические сведения, кратко формулируются расчетные и экспериментальные задачи;

-раздел «Предварительные расчеты», в котором приводятся принципиальная схема усилителя, описание ее работы, условия расчета, исходные данные и результаты расчета;

-раздел «Результаты эксперимента», в котором описываются условия каждого эксперимента, приводятся результаты непосредственных измерений, представлены осциллограммы процессов ;

-раздел «Выводы», в котором оценивается степень согласия расчетных и экспериментальных результатов по каждому пункту задания.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

1.В чем отличие идеального ОУ от реального?

2.Чему равно входное сопротивление усилителя при инвертирующем и неинвертирующем включении ОУ?

3. Какие функции выполняют схемы, приведенные в Приложении А?

4. Получите выражения для коэффициентов передачи схем, приведенных в Приложении А.

библиографиЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Малахов В.П. Схемотехника аналоговых устройств: учебник для втузов/ В.П. Малахов.– Одесса: АстоПринт,2000.–212с.

2. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике / М.В. Гальперин. – М.: Энергоиздат, 1987. –320с.

3. Хоровиц П. Искусство схемотехники: в 2 т.Т.2./ П. Хоровиц, У.Хилл. – М.: Мир, 1993. – 371с.

4. Жуйков В.Я. Схемотехніка електронних систем: підручник, Том 1. Аналогова схемотехника та імпульсні пристрої / В.Я. Жуйков и др. - К.:Аверс, 2002. – 364с.

5. Титце У. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. / Титце У., Шенк К. - М.: Мир.1983.- 512с.

6. Горбачев Г.Н. Промышленная электроника / Горбачев Г.Н. , Чаплыгин Е.Е.. - М. : Энергоатомиздат, 1988 – 234 с.

Заказ №_______ от «___» ________________2007 г. Тираж ______экз.

Изд-во СевНТУ

Приложение А

Рисунок А.1 - Схема 1

Рисунок А.2 - Схема 2

Uвых

Рисунок А.3 - Схема 3

Рисунок А.4 - Схема 4

Рисунок А.5 - Схема 5

Рисунок А.6 - Схема 6

Рисунок А.7 - Схема 7

Рисунок А.8 - Схема 8

Uвых

Рисунок А.9 - Схема 9