Значения Uвх1 = const, Uвх2 = const берутся из таблицы вариантов. При построении временных диаграмм считать, что Uвх1 и Uвх2 являются постоянными напряжениями. Напряжение насыщения усилителя Uн± = 7В.

Работа №6

Исследование суммирующего усилителя

Цель работы

Изучение схемы суммирующего усилителя на основе операционного усилителя.

Теоретическая часть

Для суммирующего усилителя используется инвертирующее включение операционного усилителя. В этой схеме действует параллельная отрицательная обратная связь по напряжению (рис.1). Сопротивление обратной связи Rос соединяет точки 6 и 2.

Схема усилителя приведена на рис.1.

Рис.1. Схема суммирующего усилителя

Пусть на инвертирующий вход поступают два сигнала Uвх1 и Uвх2, которые подключаются к точке 2 через резисторы R2 и R4. Операционный усилитель является идеальным усилителем напряжения, поэтому для него iвхи≈0, где iвхи – входной ток инвертирующего входа. Тогда точка 2 является виртуальным нулем и справедливо уравнение

i1 + i2 = iос. (1)

Значения токов определяются из соотношений:

i1 = ; i2 = ; iос = . (2)

Выражения (2) подставляются в выражение (1):

+ = – , Uвых = – (Uвх1 + Uвх2), (3)

где , называются масштабными коэффициентами. Знак минус говорит об инверсии результата суммирования.

Масштабные коэффициенты применяются для того, чтобы усилитель работал на линейном участке амплитудной характеристики. Если необходимо ослабить значения Uвх1 и Uвх2, то < 1 и < 1. Если сумма наибольших значений Uвх1 и Uвх2 не превышает значения напряжения насыщения, то масштабные коэффициенты равны единице, а выражение (3) принимает вид:

Uвых = – (Uвх1 + Uвх2). (4)

Экспериментальная часть

1. Снятие амплитудной характеристики усилителя.

Снять амплитудные характеристики усилителя: Uвых = F(Uвх1) при Uвх2 = const и Uвых = F(Uвх2) при Uвх1 = const. Источники постоянных напряжений находятся на лабораторном стенде. При снятии характеристики установить заданное значение сопротивления обратной связи Rос.

2. Суммирование импульсных напряжений.

Снять осциллограммы входных и выходных напряжений при разном времени задержки двух импульсов. Амплитуды импульсных напряжений установить согласно таблице вариантов, а время задержки импульсов – опытным путем.

3. Измерение переходных искажений.

При работе усилителя с периодическим импульсным сигналом переходные искажения проявляются в изменении времени фронта и среза импульса, а также вершины импульса.

3.1.
Вначале установить Uвх2=0 и работать от одного импульса.

Замерить времена фронта у входного (Uвх1) и выходного импульса (рис. 2).

Рис.2. Измерение фронтов импульсов:

tф – время фронта; tс – время среза

3.2. Изменением амплитуды входного сигнала uвх1 при uвх2=0 добиться искажения вершины импульса. Зарисовать осциллограммы uвх1(t) и uвых(t).

3.3. Установить uвх1≠0 и uвх2≠0 и зарисовать осциллограммы uвх1(t) и uвх2(t) и uвых(t).

4. Оформление отчета.

По результатам опыта построить амплитудные характеристики и обработать осциллограммы.

Контрольные вопросы

1. Почему операционный усилитель является идеальным усилителем напряжения?

2. Что такое «виртуальный ноль» операционного усилителя?

3. Раскрыть назначение масштабных коэффициентов.

4. Как определить вид обратной связи в схеме суммирующего усилителя?

5. Чем ограничена величина суммирующих напряжений?

6. Какое влияние на работу усилителя оказывает резистор R5?

7. Нужна ли балансировка суммирующего усилителя?

8. Что называется переходными искажениями?

9. Как определяются времена фронта и среза импульса?

10. Что такое переходные искажения в области малых времен и в области больших времен?

Таблица вариантов

№ вар.	Rос, кОм	Uвх1, В	Uвх2, В	№ вар.	Rос, кОм	Uвх1, В	Uвх2, В
1	6,8	6,5	1,0	13	4,7	1,0	1,0
2	10,0	1,0	0,5	14	6,8	1,5	1,5
3	22,0	1,5	1,0	15	10,0	2,0	2,0
4	33,0	2,0	1,5	16	22,0	2,5	2,5
5	47,0	2,5	2,5	17	33,0	3,0	3,0
6	100,0	3,0	3,0	18	47,0	4,0	4,0
7	4,7	0,5	0,5	19	6,8	2,0	2,0
8	6,8	1,0	1,0	20	10,0	2,5	2,5
9	10,0	1,5	1,5	21	22,0	3,0	3,0
10	22,0	2,0	2,0	22	33,0	3,5	3,5
11	33,0	2,5	2,5	23	47,0	4,0	4,0
12	47,0	3,0	3,0	24	6,8	2,0	2,0

Примечание: студенты, получившие подвариант А – строят амплитудную характеристику Uвых = F (Uвх2) для Uвх1 = const, Uвх2 = var; подвариант Б – строят амплитудную характеристику Uвых = F (Uвх1) для Uвх1 = var, Uвх2 = const; подвариант В – временные диаграммы uвх1(t), uвх2(t), uвых(t). Напряжение насыщения усилителя Uн± = 7 В.

Работа №7

Исследование усилителей на основе операционного усилителя

Цель работы

Изучение схем инвертирующего и неинвертирующего включения операционного усилителя.

Теоретическая часть

Схема инвертирующего усилителя приведена на рис.1. В цепи обратной связи усилителя включен резистор R3, который создает параллельную отрицательную обратную связь по напряжению. Отрицательная обратная связь стабилизирует работу усилителя, то есть уменьшает дрейф нуля.

Рис.1. Схема инвертирующего усилителя

Пусть операционный усилитель является идеальным усилителем напряжения, тогда ток инвертирующего входа отсутствует, то есть Iвхи = 0. В этом случае точка 2 является виртуальным нулем, поэтому I = Iос (1). Значение токов определяются из соотношений:

, . (2)

Знак минус в значении тока Iос говорит о повороте фазы сигнала на выходе. На основании условия (1) получается выражение: (3), откуда определяется коэффициент усиления по напряжению усилителя с обратной связью: (4).

Коэффициент усиления по напряжению кос не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя коу, так как петлевое усиление β*коу подчиняется соотношению β*коу >>1, где β – коэффициент передачи цепи обратной связи по напряжению. Амплитудная характеристика усилителя приведена на рис.2. Выходное напряжение изменяется до значения насыщения Uн±. Линейный участок амплитудной характеристики лежит в пределах изменения входного напряжения ΔUлин. По амплитудной характеристике определяется коэффициент усиления по напряжению:

(5).

Амплитудно-частотная характеристика усилителя представляет собой зависимость амплитуды выходного напряжения от частоты при постоянной амплитуде входного напряжения: Uвыхm = F(f) при Uвхm = const. Амплитуда входного сигнала выбирается на линейном участке амплитудной характеристики. Из-за неизменной амплитуды Uвхm коэффициент усиления по напряжению Кос будет изменяться так же, как и амплитуда выходного напряжения, то есть амплитудно-частотная характеристика усилителя определяется не только как Uвыхm, но и как Кос = F(f). Амплитудно-частотная характеристика приведена на рис.3.

Рис.3. Амплитудно-частотная характеристика

В усилителе отсутствует разделительный конденсатор и трансформаторы, поэтому он пропускает и усиливает постоянный ток и низкочастотные составляющие сигнала. Уменьшение выходного напряжения происходит в области высоких частот за счет паразитных емкостей, действующих параллельно входу и выходу усилителя.

Пусть усиление на низкой частоте происходит с коэффициентом К0. При уменьшении коэффициента в раз или на 3 дб определяется полоса пропускания усилителя. Коэффициент частотных искажений на верхних частотах определяется из выражения .

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис.4.

Рис.4. Схема неинвертирующего усилителя

В схеме усилителя введена последовательная отрицательная обратная связь по напряжению. Из условия идеальности операционного усилителя получается равенство потенциалов на инвертирующем и неинвертирующем входах:

U2 = U3. (1)

Uвх

Рис.5. Амплитудные характеристики неинвертирующего усилителя для трех значений Rос

Значение потенциалов в точках 2 и 3 определяется из соотношения

, (2)

U3 = eг. (3)

На основании выражений (1) – (3) определяется коэффициент усиления по напряжению с обратной связью:

. (4)

Если отношение <1, то получается , а схема работает как неинвертирующий повторитель. Если отношение >1, то получается неинвертирующий усилитель. Амплитудная характеристика неинвертирующего усилителя приведена на рис.5.

Uвых

Rос1

При изменении параметров резисторов R3 и R4 изменяется наклон линейного участка характеристики. Амплитудно-частотная характеристика выглядит так же, как и инвертирующего усилителя.

Экспериментальная часть

1. Балансировка усилителя.

Собрать схему согласно рис.1. Сбалансировать усилитель. Для этого использовать потенциометр R6, расположенный на плате операционного усилителя. Изменяя плечи потенциометра, добиться того, чтобы напряжение на выходе упало до нуля при заземлении точки 13 схемы. Выходное напряжение контролировать при помощи осциллографа.

2. Снятие амплитудной характеристики неинвертирующего усилителя на постоянном токе.

Снять амплитудную характеристику усилителя Uвых = F(Uвх) для заданного Rос1. В качестве источника сигнала использовать регулируемое напряжение Uрег. Построить амплитудную характеристику (рис.2) и по ней определить коэффициент усиления Кос, напряжения насыщений Uн+, Uн– и динамический диапазон изменения амплитуды входного сигнала.

3. Снятие амплитудных характеристик неинвертирующего усилителя при помощи осциллографа.

Снять амплитудные характеристики усилителя при помощи осциллографа для трех значений Rос1: заданного и двух соседних. По характеристикам определить коэффициенты усиления. Для опыта необходимо подключить на инвертирующий вход в точку 13 генератор сигнала, используя у него переменный синусоидальный сигнал. В качестве источника переменного сигнала используется генератор синусоидальных и импульсных напряжений.

Для снятия зависимости данной величины от другой надо использовать два входа осциллографа: «Y» и «Х». Вход «Y» подключается к выходу усилителя в точку 6, а выход «Х» к входу усилителя в точку 13; развертка переключается в положение «Х».

4. Снятие амплитудно-частотной характеристики неинвертирующего усилителя.

Снять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя кu = F(f) при Uвх = const для заданного значения Rос1. Амплитуду выходного сигнала выбрать на линейном участке амплитудной характеристики. Сигналы uвх, uвых замерить осциллографом.

На амплитудно-частотной характеристике определить полосу пропускания усилителя 0…fв для коэффициента частотных искажений на верхних частотах Мв = . Зарисовать uвх(t) и uвых(t) для частоты 1 кГц.

5. Снятие амплитудных характеристик неинвертирующего усилителя.

Собрать схему неинвертирующего усилителя согласно рис.4.

Снять амплитудные характеристики усилителя при помощи осциллографа для трех значений резистора R3. Определить по характеристикам коэффициенты усиления и напряжения насыщения Uн+, Uн–.

6. Снятие амплитудно-частотной характеристики неинвертирующего усилителя.

Снять амплитудно-частотную характеристику неинвертирующего усилителя кu = F(f) при Uвх = const для заданного значения Rос1.

Зарисовать uвх(t) и uвых(t) для частоты 1 кГц. По АЧХ определить полосу пропускания усилителя для коэффициента частотных искажений на верхних частотах Мв=.

7. Оформление отчета.

По результатам опыта построить характеристики усилителей, определить их параметры, обработать осциллограммы.

Контрольные вопросы

1. Как определяется вид обратной связи в усилителе?

2. Почему отрицательная обратная связь называется стабилизирующей обратной связью?

3. Почему параллельная отрицательная обратная связь уменьшает входное сопротивление? Это является недостатком или достоинством?

4. Как вывести коэффициенты усиления по напряжению для инвертирующего и неинвертирующего усилителей?

5. Что называется амплитудной характеристикой усилителя?

6. Что такое балансировка усилителя и как она осуществляется?

7. Что представляет собой операционный усилитель? Каковы его параметры?

8. Что называется амплитудно-частотной характеристикой усилителя? Как по ней определяются полоса пропускания и коэффициент частотных искажений?

Таблица вариантов

№ вар.	Кu	Uн±, В	№ вар.	Кu	Uн±, В
1	2	6,3	13	20	6,3
2	4	9,0	14	15	9,0
3	6	12,0	15	10	12,0
4	10	15,0	16	5	15,0
5	15	6,3	17	2	6,3
6	20	9,0	18	10	9,0
7	2	12,0	19	15	12,0
8	4	15,0	20	20	15,0
9	6	6,3	21	25	6,3
10	8	9,0	22	30	9,0
11	10	12,0	23	5	12,0
12	15	15,0	24	10	15,0

Примечание: студенты, получившие подвариант А, строят амплитудную характеристику и временные диаграммы uвх(t), uвых(t) для инвертирующего усилителя; подвариант Б – для неинвертирующего усилителя; подвариант В – вывод коэффициентов усиления по напряжению для усилителей.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5