Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інструкція до лабораторної роботи № 34
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Комп’ютеризовані системи
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2010
Тип роботи:
Інструкція до лабораторної роботи
Предмет:
Електроніка та мікросхемотехніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
ДОСЛІДЖЕННЯ ІНВЕРТУЮЧОГО ВВІМКНЕННЯ ОПЕРАЦІЙНОГО ПІДСИЛЮВАЧА
Інструкція до лабораторної роботи № 34
з навчальної дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка”
для студентів базового напряму
050201 «Системна інженерія»
Затверджено
на засіданні кафедри
(Комп’ютеризовані системи автоматики(
Протокол №1 від 30 серпня 2010 р.
Львів – 2010 Дослідження інвертуючого операційного підсилювача: Інструкція до лабораторної роботи №34 з дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка” / Укл.: Вітер О.С., ( Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2010. ( 6 с.
Укладач Вітер О.С., канд. техн. наук, доц.
Відповідальний за випуск Наконечний А.Й.., д-р техн. наук, проф.
Рецензент Проць Р.В., канд. техн. наук, доц.
МЕТА РОБОТИ
Ознайомитися з основними параметрами і характеристиками операційного підсилювача (ОП). Вивчити інвертуюче і неінвертуюче ввімкнення ОП та основні співвідношення, що характеризують ці схеми. Зняти основні характеристики і дослідити параметри інвертуючого ввімкнення ОП.
ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП
Назва «операційний підсилювач» пов’язана з тим, що перші модифікації таких підсилювачів були розроблені і застосовувались виключно для виконання математичних операцій в аналогових обчислювальних машинах. Спочатку це були дуже громіздкі і складні пристрої, побудовані на дискретних елементах (лампах і транзисторах). ОП знайшли широке застосування тільки в середині шістдесятих років, коли був налагоджений серійних випуск ОП в інтегральному виконанні.
Ідеальний ОП – це підсилювач з диференційними входами, який повинен мати наступні властивості: безконечно великий коефіцієнт підсилення за напругою в нескінченно широкій смузі частот, причому амплітуда вихідного сигналу повинна залишатися сталою на будь-якій частоті; нескінченно великий вхідний і нульовий вихідний опори; рівність нулю вихідної напруги, при рівних напругах на входах. Крім того, підсилювач не повинен мати шумових і дрейфових похибок, що появляються при зміні температури оточуючого середовища і протягом певного проміжку часу.
На практиці ні одна з цих властивостей не може бути досягнена повністю, однак до них можна наблизитися з достатньою для практичної мети точністю. Тому, можна говорити тільки в доступній степені наближення параметрів ОП до ідеальних параметрів. Із перерахованих властивостей можна вивести два дуже суттєві правила аналізу схем ввімкнення ОП:
входи ідеального ОП не споживають струму від джерела сигналу;
напруга між входами ідеального ОП в будь-якій схемі ввімкнення дорівнює нулю.
ОП характеризуються наступними основними параметри.
Коефіцієнт підсилення за напругою - Ко. Коефіцієнт підсилення підсилювача за напругою на постійному струмі при відсутності зворотного зв’язку.
Вхідна напруга зміщення нуля - Uзм. Найбільш небажана напруга, що виникає всередині ОП, яка є причиною появи на виході ОП деякої напруги при нульовій напрузі на обох входах. Переважно складає декілька мВ.
Вхідний струм - Івх. Струм на входах ОП, який необхідний для роботи вхідного каскаду ОП (струм бази вхідного транзистора).
Різниця вхідних струмів - (Івх. Різниця вхідних струмів зміщення, необхідних для двох вхідних транзисторів ОП. З’являється внаслідок розкиду значень коефіцієнтів підсилення за струмом ( вхідних транзисторів.
Вхідний диференціальний опір - (Rвх.д). Опір підсилювача між входами ОП по відношенню до вхідного сигналу. Переважно складає (одиниці-сотні) МОм.
Вихідний опір (Rвих). Внутрішній опір підсилювача, який показує як змінюється вихідна напруга при відповідній зміні вихідного струму. Переважно Rвих складає декілька сотень ом.
Коефіцієнт послаблення синфазних вхідних напруг (Ксин). Характеризує здатність послаблювати сигнали, що прикладені до обох входів одночасно.
Коефіцієнт впливу напруги джерела живлення на вхідну напругу (Кв), який показує як змінюється вхідна напруги ОП при зміні напруги джерела живлення (Еж ) на 1В.
Середній температурний дрейф: вхідного струму (Івх /(Т; різниці вхідних струмів (((Івх) /(Т, напруги зміщення (Uзм /(Т. Ці величини дорівнюють відношенням максимальних змін відповідних параметрів ОП до викликаних їх зміною температури зовнішнього середовища.
Максимальна швидкість наростання вихідної напруги (Vмакс). Максимальна швидкість наростання вихідної напруги дана у вольтах на мікросекунду.
Вхідна ємність Свх . Ємність між вхідними виводами і землею.
Струм споживання. Струм спокою (без навантаження), що споживається ОП.
Споживана потужність. Потужність (без навантаження), що розсіюється ОП.
Максимально допустимі параметри. Сюди відносяться такі параметри, як максимальна потужність, що розсіюється; максимальна напруга живлення; робочий діапазон температур зовнішнього середовища; максимальна різниця вхідних напруг; максимальна напруга синфазних вхідних сигналів. Перевищення цих максимальних значень приводить до пошкодження ОП.
ІНВЕРТУЮЧЕ ВВІМКНЕННЯ ОП
Схема інвертуючого ввімкнення підсилювача наведена на рис.1
Для приблизного аналізу схеми скористаємося викладеними вище правилами. Якщо прийняти, що напруга між входами ОП в лінійному режимі наближається до нуля, а потенціал неінвертуючого входу дорівнює нулю (цей вхід заземлений), то і потенціал інвертуючого входу (потенціал точки сумування струму) приблизно дорівнює нулю. Якщо вхідний диференціальний опір ОП Rвх достатньо великий, то можна вважати, що струм від джерела сигналу в ОП не втікає. З цього випливає, що весь струм сигналу може протікати тільки через резистор Rзз, створюючи на ньому спад напруги
(1)
Спад напруги на резисторі Rзз практично дорівнює напрузі вихідного сигналу Uвих, так як потенціал точки сумування струмів практично дорівнює нулю. Таким чином
(2)
Тоді для коефіцієнта підсилення за напругою отримаємо наступний вираз
, (3)
де(зз - коефіцієнт зворотного зв’язку.
. (4)
Якщо коефіцієнт підсилення за напругою розімкнутого ОП дорівнює К0, то коефіцієнт підсилення ОП, охопленого послідовним від’ємним зворотним зв’язком буде складати
(5)
В першому наближенні можна вважати, що вхідний опір підсилювача в інвертуючому ввімкненні дорівнює
(6)
Вихідний опір інвертуючого підсилювача буде складати
, (7)
тому при (8)
де Rвих - вихідний опір ОП.
Значення опору R повинно бути вибране таким чином, щоб не навантажувати джерело вхідної напруги Uc, а значення резистора Rзз повинно бути достатньо великим, щоб не надто навантажувати операційний підсилювач.
НЕІНВЕРТУЮЧЕ ВВІКНЕННЯ ОП
Схема неінвертуючого ввімкнення ОП наведена на рис.2 . В даній схемі напруга зворотного зв’язку визначається подільником напруги R2 і R1
(9)
тому для ідеального ОП коефіцієнт підсилення схеми за напругою буде складати
. (10)
Вхідний опір неінвертуючого ввімкнення ОП для джерела сигналу дуже великий і дорівнює
(11)
Вихідний опір схеми малий і буде складати
, (12)
Різновидністю неінвертуючого ввімкнення ОП є неінвертуючий повторювач напруги, схема якого наведена на рис.3. Оскільки в цій схемі (зз((, то Кu зз =1. Точність встановлення одиничного підсилення визначається запасом коефіцієнта підсиленням розімкнутого ОП
(12)
Наприклад, при Ко = 20000 похибка встановлення коефіцієнта підсилення повторювача Кu зз =1 теоретично буде складати 5(10-3 %. Ця похибка відповідає різниці (Uвих - Uс ), тобто управляючій напрузі ОП. Вхідний опір неінвертуючого повторювача може досягати значення
, (14)
однак він обмежений синфазним вхідним опором Rвх. синф ОП.
Вихідний опір неінвертуючого повторювача напруги наближається до нуля
(15)
Неінвертований повторювач напруги застосовується для узгодження вхідного сигналу ОП, який подається від високоомного джерела сигналу, з низькоомним навантаження підсилювача.
ВПЛИВ ТЕМПЕРАТУРИ НА ПОХИБКИ ПІДСИЛЮВАЧІВ,
ВИКОНАНИХ НА БАЗІ ОП
Головною причиною появи дрейфу напруги зміщення, що змінюється в залежності від температури, є зміна спаду напруги Uбе вхідних транзисторів з температурою. Для кремнієвого транзистора Uбе зменшується з ростом температури приблизно на 2 мВ/оК. Ці зміни не одинакові для кожного із вхідних транзисторів, що й викликає появу напруги зміщення.
Другим джерелом появи температурного дрейфу є залежність коефіцієнта підсилення транзисторів за струмом h21е від температури. Підсилення постійного струму бази транзисторів збільшується з ростом температури, але h21е транзисторів не рівні один одному і збільшуються з різною швидкістю при збільшенні температури. Це приводить до того, що вихідні струми будуть змінюватись по-різному для кожного з транзисторів, в результаті з’являється різниця вхідних струмів, що змінюється з температурою. Це викликає появу дрейфу вихідної напруги. Теплові струми транзисторів також не однакові, що викликає додаткове збільшення різниці вхідних струмів з температурою.
Максимальна абсолютна температурна похибка вихідної напруги інвертуючого підсилювача розраховується за такою формулою
, (16)
де (Тос – зміна температури оточуючого середовища.
Абсолютна похибка напруги може бути зведена до входу. Вираз для абсолютної похибки зведеної до входу ((Евх) для інвертуючого підсилювача має наступний вигляд
, (17)
а для неінвертуючого підсилювача
, (18)
Складова похибка вихідної напруги , що виникає за рахунок зміни вхідних струмів, може бути зменшена, якщо зрівняти опори зовнішніх резисторів на обох входах ОП. Для цього у випадку інвертуючого підсилювача, на неінвертуючий вхід вмикається балансуючий резистор Rбал = R || Rзз, а для неінвертуючого підсилювача необхідно, щоби Rс = R1 || R2. У цьому випадку для отримання значень похибок вхідної і вихідної напруг необхідно у виразах (16, 17, 18 ) замість значення дрейфу вхідного струму (Івх / (Т підставити значення дрейфу різниці вхідних струмів (((Івх )/ (Т .
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
Зібрати схему інвертуючого підсилювача на базі ОП типу К140УД6.
Зняти залежність Uвих =F (Uвх) при різних значення резистора Rзз .
Зняти частотні характеристики інвертуючого підсилювача при трьох різних значеннях Rзз .
Дослідити вплив амплітуди вихідної напруги на частотну характеристику підсилювача. Визначити максимальну швидкість наростання вихідної напруги Vмакс.
Дослідити роботу інвертуючого підсилювача з двотактним вихідним каскадом на транзисторах з додатковою симетрією (комплементарним каскадом).
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
При виконанні п.2 необхідно спочатку провести балансування підсилювача використовуючи одну із схем, які наведені на рис.4 . Для цього необхідно закоротити вхід підсилювача на шину “загальний” і шляхом зміни опору потенціометра Rр добитися нульової напруги на його виході. Після цього під’єднати на вхід підсилювача регульоване джерело постійної напруги і зняти залежності Uвих =F (Uвх) для двох значень резистора Rзз (Rзз1 =10 кОм, Rзз2 =100 кОм). Значення вхідної і вихідної напруг виміряти за допомогою цифрових вольтметрів.
При знятті частотних характеристик підсилювача необхідно для кожного значення Rзз підбирати таке значення ємності корегуючого конденсатора Ск, при якій забезпечується стійка робота підсилювача.
При виконанні п.4 необхідно встановити Rзз =100кОм; R =10кОм і подати на вхід підсилювача синусоїдальний сигнал. Підібрати напругу вхідного сигналу такою, щоб вихідна напруга була близькою до максимально можливої для даного підсилювача. Збільшувати частоту вхідного сигналу до тих пір, доки напруга на виході не стане трикутної форми. Виміряти крутизну лінійної дільниці вихідного сигналу ((Uвих / (t), яка буде дорівнювати швидкості наростання вихідної напруги Vмакс. Розрахувати частоту fмакс, при якій форма синусоїдального сигналу почне спотворюватися, якщо амплітудне значення напруги на виході буде складати 5В. Для цього використовуємо співвідношення
,
де fмакс - максимальне значення частоти, при якій відбувається спотворення форми синусоїдального сигналу на виході підсилювача;
Uвих.m - амплітудне значення напруги на виході підсилювача при якому починається спотворення форми синусоїдального сигналу на виході підсилювача.
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Сов.радио, 1979.
Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных приборах.- Л.: Энергия, 1974.
Захаров В.К., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики. - Л.: Энергоатомиздат, 1984.
Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных интегральных схем. - М.: Мир, 1985.
23.06.2015 00:06-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора