Изучение влияния отрицательной обратной связи на характеристики операционного усилителя

ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №

 

«Исследование операционного усилителя с обратными связями»

1. Цель работы:

1. Ознакомление с методикой построения схем и моделирования работы устройств в компьютерной лаборатории электротехники и электроники. 2. Исследование амплитудных и частотных свойств операционного усилителя.

3. Изучение влияния отрицательной обратной связи на характеристики операционного усилителя.

2. Краткие теоретические сведения.

 

2.1 Операционные усилители.

 

Усилители постоянного тока (УПТ) являются основой для конструирования операционных усилителей(ОУ). Современные операционные усилители являются многоцелевыми элементами, выполненными в виде полупроводниковых интегральных микросхем. Они широко применяются при конструировании различных усилительных устройств, устройств возбуждения сигналов синусоидальной и импульсной форм (генераторов сигналов), фильтров и так далее.

 

 

Рис.1

Условное обозначение ОУ показано на рисунке 1. Символ означает усиление, а символ -большое входное сопротивление. Один из входов усилителя Uвх+является неинвертирующим, другой Uвх-- инвертирующим (по аналогии с дифференциальными усилителями). Принципиальные электрические схемы ОУ, как правило, содержат несколько каскадов УПТ. При этом входной каскад всегда выполняется по дифференциальной схеме, а выходной каскад по схеме эмиттерного повторителя, обеспечивающего требуемую нагрузочною способность всей схемы.

Современные интегральные ОУ обладают высоким значением коэффициента усиления (К=104107), входного сопротивления (Rвх=104109Ом), могут работать от разнополярных источников питания и преобразовывать электрические сигналы в широком диапазоне частот (от 0 до 107Гц).

Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики такого усилителя аналогичны характеристикам УПТ.

2.2 Обратные связи в операционных усилителях.

 

Конструирование различных электронных устройств на основе ОУ производится с использованием обратных связей.

Обратной связью называется передача части энергии выходного сигнала усилителя на его вход (Рис.2).

 

 

Рис.2

 

Из выходной цепи во входную энергия передается через электрическую цепь обратной связи с коэффициентом передачи

.

К0- коэффициент усиления усилителя без обратной связи (в области средних частот, где воздействием реактивных элементов ОУ и обратной связи можно пренебречь).

Обратная связь называется положительной, если передаваемый ею с выхода на вход сигнал Uос = Uвыхсовпадает по фазе (складывается) с входным сигналом Uвх = U1+Uвых(на Рис.2 положительная обратная связь обозначена +). Коэффициент усиления усилителя Кb+с положительной обратной связью определяется выражением

.

 

Обратная связь называется отрицательной если сигнал обратной связи Uоснаходится в противофазе (вычитается) с входным сигналом Uвх = U1-Uвых(на Рис.4.2 отрицательная обратная связь обозначена -).

Коэффициент усиления усилителя Кb-при отрицательной обратной связи будет

.

 

Применение отрицательной обратной связи (OOC) в усилителях существенно улучшает их параметры:

- повышает стабильность коэффициента усиления;

- увеличиваетвходное сопротивление;

- уменьшает выходное сопротивление;

-расширяет полосу пропускания.

Поэтому ООС широко применяется в усилительных устройствах.

Положительная обратная связь (ПОС) воздействует на параметры усилителей противоположным образом.

Повышая нестабильность коэффициента усиления, она приводит усилитель к самовозбуждению, то есть переходу его в режим генератора.

Поэтому ПОС используется в генераторах гармонических колебаний и импульсов.

 

 

2.3 Операционный усилитель с ООС

Операционный усилитель с отрицательной обратной связью наиболее часто применяется на практике (Рис.3).

 

Рис.3

Отрицательный характер обратной связи обусловлен подачей напряжения на инвертирующий вход ОУ так, что . Отрицательная обратная связь осуществляется через сопротивления и . Так как входное сопротивление ОУ большое (принимаем ), то входной ток ОУ и тогда , откуда

.

 

При большом коэффициенте усиления ОУ () напряжение на входе будет

и поэтому ,

откуда .

2.3.1 Масштабирующий усилитель

 

При и выражение для коэффициента усиления примет вид

,

а усилитель выполняет роль масштабирующего инвертирующего усилителя у которого

 

Uвых= -UвхКb-.

Схема усилителя в этом случае представлена на рисунке 4.

 

Рис.4

2.3.2 Избирательный усилитель

Рассмотренные выше схемы усилителей предназначены для усиления входных сигналов в широкой полосе частот. На практике (в системах связи, радиотелепередачи, во многих системах автоматического управления и контроля) необходимо усиливать полезный сигнал одной частоты, так чтобы сигналы других частот подавлялись (не усиливались). Такую задачу решает избирательный усилитель, представляющий собой (вариант схемы представлен на рисунке 5) ОУ охваченный частотно-зависимой ООС в виде двойного Т-образного моста.

 

 

Рис.5

 

Амплитудно-частотная характеристика двойного Т-образного моста

=F(f) приведена на рисунке 6.

Рис.6

На низких частотах, когда частота стремится к нулю (f0), коэффициент передачи моста 1, так как сопротивление Хсконденсаторов становится большим и всё напряжение через “верхний” одинарный Т-образный мост (R, 2C, R) передается на вход усилителя в виде напряжения обратной связи .

На очень высоких частотах (f, 1) вследствие того, что сопротивления конденсаторов Хсстановятся небольшими, и всё выходное напряжение через “нижний” Т-образный мост (C,R/2, C) передается на вход ОУ.

Коэффициент усиления такого усилителя известен

.

Анализ этого выражения показывает, что на низких и высокихчастотах при 1 ,

то есть усиления практически не происходит.

На резонансной частоте коэффициент передачи моста 0 и тогда ,

имеем максимальное усиление.

Амплитудно-частотная характеристикаKb-=избирательного усилителя приведена на рисунке 7.

Рис.7

Она построена с учетом выражения для Kb-и амплитудно-частотной характеристики Т-образного моста. Нужная величина K0обеспечивается правильным выбором номиналов резисторовR2и R1исходя из того, что .

 

2.4 Операционный усилитель с ПОС

Генераторы гармонических сигналов предназначены для преобразования энергии источника питания в энергию электрического сигнала синусоидальной формы требуемой частоты и мощности.

На практике, часто, такой генератор представляет собой ОУ охваченный глубокой положительной обратной связью с коэффициентом передачи +(см. рис.8). Для получения устойчивого режима автогенерации, улучшения формы колебаний и стабилизации амплитуды генерируемых колебаний часто вводится отрицательная обратная связь (-).

Рис.8

 

Для этой схемы входное и выходное напряжения связаны соотношениями:

 

, .

 

Перемножая одно на другое, получаем формулу ,

которая справедлива при .

 

Выполнение последнего условия обеспечивает в автогенераторе незатухающие колебания. Величины и в уравнении являются комплексными величинами, поэтому можно записать

,

последнее выполняется при:

- условие баланса фаз автогенератора,

- условие баланса амплитуд.

 

Условие баланса фаз означает, что в схеме существует положительная обратная связь. Условие баланса амплитуд соответствует тому, что энергия, теряемая в генераторе за одно колебание восполняется энергией от источника питания. Выполнение условий баланса фаз и амплитуд обеспечивает возникновение сигналов генератора сложной формы, состоящих из большого числа гармонических составляющих.

Для возникновения сигнала генератора нужной частоты обеспечивают выполнение условий баланса фаз и амплитуд, только для частоты , путем включения частотно-зависимых схем, например, моста Вина.

Пример выполнения автогенератора гармонических колебаний с мостом Вина приведен на рис.9.

Отрицательная частотно-независимая обратная связь создается резисторами R2и R1.

Рис.9

 

Поскольку в цепи положительной обратной связи включен мост Вина, то условия самовозбуждения генератора выполняются только для одной резонансной частоты (на других частотах K мал). Следовательно, возникающие колебания будут иметь гармоническую форму.

 

3. Порядок выполнения работы.

3.1 Опыт №1. Операционный усилитель с отрицательной обратной связью,

Кос=25 и Кос=50.

Схема проведения опыта (Рис.10).

Рис.10

3.1.1. Амплитудная характеристика усилителя.

Снимите амплитудную характеристику усилителя U_m.вх = f(U_m.вых),

при f=1кГц и U_вх = 10 – 1000 мВ.

(Смотрите методику снятия амплитудных характеристик).

3.1.2 Скопируйте осциллограммы входных и выходных напряжений на линейном и нелинейном участках амплитудной характеристики усилителя.

3.1.3 Амплитудно-частотная характеристика усилителя.

Снимите амплитудно-частотную характеристику усилителя К_ус = f(f)

при u_вх=100мВ и f=0 -20.10³.

(Смотрите методику снятия амплитудно-частотных характеристик).

3.1.4 Постройте амплитудную характеристику усилителя.

3.1.5 Постройте амплитудно-частотную характеристику усилителя.

3.2. Опыт №2. Избирательный усилитель с отрицательной обратной связью, Кос=50 и двойным Т-образным мостом.

3.2.1 Амплитудно-частотная характеристика моста.

Схема проведения опыта (Рис.11).

Рис.11

Снимите амплитудно-частотную характеристику моста К = f(f)

при u_вх=1мВ и f=0 -2.10³.

(Смотрите методику снятия амплитудно-частотных характеристик).

 

 

3.2.2 Амплитудно-частотная характеристика усилителя.

Схема проведения опыта (Рис.12).

Рис.12

Снимите амплитудно-частотную характеристику усилителя К_ус = f(f)

при u_вх=1мВ и f=0 -2.10³.

(Смотрите методику снятия амплитудно-частотных характеристик).

3.2.3 Постройте амплитудно-частотную характеристику моста.

3.2.4 Постройте амплитудно-частотную характеристику усилителя.

 

3.3 Опыт№3. Автогенератор RC-типа, с отрицательной обратной связью Кос=1,5,мостом Вина в цепи положительной обратной связи и автостабилизацией на стабилитронах.

Схема проведения опыта (Рис.13).

Рис.13

Скопируйте осциллограмму выходного напряжения.

 

4. Методики проведения опытов.

4.1. Методика снятия амплитудно-частотных характеристик.

При снятии амплитудно-частотных характеристик усилительных устройств необходимо изменять частоту входного сигнала при неизменной его амплитуде. Для этого открываем диалоговое окно функционального генератора и задаем входной сигнал синусоидальной формы.

Далее устанавливаем необходимую амплитуду сигнала на входе (например, Amplitude 1 mV) и его частоту (например, Frequency 5kHz).

Нажав в правом верхнем углу клавишу , измеряем сигналы на входе и выходе с помощью соответствующих вольтметров.

Вычисляем коэффициент усиления

и записываем его в таблицу.

Повторяем данные измерения для различных частот входного сигнала, заполняя таблицу.

Таблица

f (Гц)			2.103	10.103	100.103	1.106	10.106	20.106	50.106
Кус

 

4.2. Методика снятия амплитудных характеристик.

При снятии амплитудных характеристик усилительных устройств необходимо изменять амплитуду входного сигнала при неизменной частоте. Для этого открываем диалоговое окно функционального генератора и задаем входной сигнал синусоидальной формы.

Далее устанавливаем необходимую частоту сигнала на входе (например, Frequency 5kHz) и амплитуду сигнала (например, Amplitude 1.5 mV).

Нажав в правом верхнем углу клавишу , измеряем сигналы на входе и выходе с помощью соответствующих вольтметров и записываем показания в таблицу.

Повторяем данные измерения для различных амплитуд входного сигнала, заполняя таблицу.

Таблица

ег (мВ)	1,5	7,1	14,1	28,3	42,5	56,6
Uвх (мВ)
Uвых (мB)

 

4.3. Методика работы с осциллографом.

Для получения формы кривых напряжения в любой точке схемы в программе EWB используется осциллограф. Открываем диалоговое окно осциллографа двойным нажатием левой кнопки мыши. При этом появляется уменьшенное изображение панели осциллографа. Осциллограф имеет четыре клеммы: Ground (Земля), Trigger (Синхронизация), Channel A (Канал А), Channel B (Канал B).

Развертка по времени (Time base) задается соответствующими клавишами.

В данном конкретном случае имеем 5,00ms/div, т.е. 5,00миллисекунд на 1деление.

Вертикальная развертка задается отдельно по каждому каналу.

В данном конкретном случае имеем 20V/div, т.е. 20 вольт на 1деление.

На экране осциллографа изображены две кривые отображающие входное и выходное напряжения однополупериодного выпрямителя.

Для того, чтобы производить измерения с помощью осциллографа необходимо нажать кнопку Expand и тогда появится увеличенное изображение панели осциллографа, которое имеет дополнительные элементы для измерения.

На экране осциллографа появляются две вертикальные черты, которые можно передвигать с помощью левой кнопки мыши, тем самым, устанавливая место измерения. В дополнительных окнах появляются координаты отмеченных позиций.

В данном конкретном случае имеем: Третье окно дает разность показаний

T1=12.4765s, VA1=27.2384v, VB1=25.4764v T2-T1=35.1250ms, VA2-VA1=-12.8163v,

T2=12.5116s, VA2=14.4222v, VB2=13.1085v. VB2-VB1=-12.3679v.

Канал А, Y position = -1.00.Канал В, Y position = 1.00.

Развернуть

Открыть в широком формате