3516 ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Часть I

 

ЛИНЕЙНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ

 

Цель работы: исследование типовых усилительных каскадов на операционном усилителе.

 

Порядок работы: по требованиям технического задания рассчитать элементы схемы по приведенной в пособии методике, произвести монтаж и настройку схемы на лабораторном макете.

Измерить основные характеристики собранной схемы, сравнить их с заданными по техническому заданию (ТЗ) и в случае необходимости произвести подстройку схемы. Составить отчет.

 

Параметры операционного усилителя КР140УД8

 

Напряжение питания UП1, В + 15

UП2, В - 15

Ток потребления, мА < 5

Входной ток, нА < 2

Выходное напряжение макс, В  10

Коэффициент усиления 5104

Входное сопротивление, МОм  10

Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс 2

Ширина полосы в режиме единичного усиления , МГц 1

Минимальное сопротивление нагрузки, кОм 2

Максимальная емкость нагрузки, пФ 100

 

 

 

 

 

2

I. Исследование схемы усилителя-инвертора на ОУ

Схема усилителя-инвертора приведена на рис.2.

 

Коэффициент усиления схемы .Входное сопротивление , если К0 =  , то .

Выходное сопротивление ,

К0 – усиление ОУ при заданной ОС. .

Значение сопротивления R1 следует выбирать таким, чтобы падение напряжения на нем (при номинальном входном токе) было менее 10 % от входного сигнала и никогда ее не превышало. Так, при сопротивлении R1=200 Ом, максимальный входной ток 0,2 нА создает падение напряжения 0,04 мкВ. Таким образом, если входное напряжение больше 0,4 мкВ, то падение напряжения на R1 не окажет влияния на входной сигнал.

Значение сопротивления R2 равно R1KU. Однако оно должно быть в 10 раз меньше, чем входное сопротивление используемого операционного усилителя.

Выходная мощность усилителя может быть определена исходя из действующего выходного напряжения и сопротивления нагрузки.

Выходное напряжение .

Выходная мощность .

 

23

Как было указано выше, АФ на ОУ удобнее реализовать только с использованием звеньев второго и первого порядков, поэтому рассчитанное n должно быть реализовано комбинированием звеньев первого и второго порядков. Если n четное, то используются только фильтры второго порядка, если n не четное, то используются и звенья первого порядка. Например, если n=7, то фильтр может быть реализован из каскадного соединения трех звеньев второго и одного звена первого порядка.

Нормированные полиномы (относительно частоты среза) составляющих звеньев для фильтров Баттерворта до 10-го порядка приведены в табл.1. Из таблицы видно, что свободные члены всех полиномов равны единице, что физически означает равенство частот срезов каждого звена фильтра частоте среза многозвенного фильтра, заданного в ТЗ. Добротности звеньев, составляющих фильтр, приведены в табл.2.

Таблица 1

n Нормированные полиномы

1 (1+s)

2 (1+1.41s+s2)

3 (1+s)(1+s+s2)

4 (1+0.765s+s2)(1+1.848s+s2)

5 (1+s)(1+0.618s+s2)(1+1.618s+s2)

6 (1+0.518s+s2)(1+1.414s+s2)(1+1.932s+s2)

7 (1+s)(1+0.445s+s2)(1+1.247s+s2)(1+1.802s+s2)

8 (1+0.390s+s2)(1+1.111s+s2)(1+1.663s+s2)(1+1.902s+s2)

9 (1+s)(1+0.347s+s2)(1+s+s2)(1+1.532s+s2)(1+1.879s+s2)

10 (1+0.313s+s2)(1+0.908s+s2)(1+1.414s+s2)(1+1.782s+s2)

(1+1.975s+s2)

Таблица 2

n 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Qp 0,71 1,00 1,31 1,63 1,93 2,25 2,57 2,88 3,19

0,54 0,62 0,71 0,80 0,90 1,00 1,10

0,52 0,55 0,60 0,65 0,71

0,51 0,53 0,56

0,51

Нормированные полиномы составляющих для фильтров Чебышева до 10-го порядка с пульсацией 3dB приведены в табл.3.

Таблица 3

n Нормированные полиномы

1 (1.002+s)

2 (0.708+0.645s+s2)

3 (0.299+s)(0.839+0.299s+s2)

 

22

число звеньев первого и второго порядков, требуемое для реализации данного фильтра. Для этого необходимы следующие исходные данные (рис.28): а) неравномерность передачи в полосе пропускания Аmax;

б) полоса пропускания или частота среза fср; в) затухание в полосе задержания Аmin; г) переходная область, определяемая отношением частоты минимального затухания fs к частоте полосы пропускания fср.

 

 

 

Порядок фильтров Баттерворта, не имеющих колебания в полосе прозрачности, с частотой среза fср и максимальным затуханием Аmax на этой частоте определяется следующим соотношением:

,

где Аmin и Amax задаются в децибелах.

Порядок фильтров Чебышева, обладающих пульсацией в полосе прозрачности, не имеющих при одной и той же избирательности в два раза меньше звеньев по сравнению с фильтрами Баттерворта, рассчитывается по формуле .

Поскольку порядок n должен быть целым, то рассчитанный порядок округляется до ближайшего верхнего целого числа.

 

3

Порядок выполнения работы

1. По заданным параметрам рассчитать элементы схемы.

2. Собрать схему.

3. Проверить и убедиться в ее работоспособности.

4. Измерить и построить частотную характеристику усилителя.

5. Измерить и построить амплитудную характеристику (UВЫХ=(UВХ)) усилителя. Определить графически границы динамического диапазона.

 

II. Исследование неинвертирующего усилителя

На рис.3 приведена рабочая схема усилителя с высоким входным сопротивлением, собранная на основе интегрального ОУ. В этой схеме достигнуто сочетание высокого входного и низкого выходного сопротивлений с умеренным усилением, как следует из приведенных уравнений:

Коэффициент усиления схемы

.

Входное сопротивление

.

Выходное сопротивление схемы

где ZВХ ОУ и ZВЫХ ОУ – входное и выходное сопротивления при разомкнутой обратной связи; K0 – коэффициент усиления ОУ при разомкнутой обратной связи.

Сопротивление .

Определение значений сопротивлений R1 и R2 по тем же соображениям, что в п.I.

 

Порядок выполнения работы

1. По заданным параметрам рассчитать элементы схемы.

2. Собрать схему.

3. Проверить и убедиться в ее работоспособности.

4. Измерить и построить частотную характеристику усилителя.

5. Измерить и построить амплитудную характеристику (UВЫХ=(UВХ)) усилителя. Определить графически границы динамического диапазона.

 

4