Введение в цифровую электронику Магнитные цепи Полупроводниковые приборы Передача дискретных сигналов Выражение мощности в комплексной форме Резонанс напряжений Преобразователи напряжения Сглаживающие фильтры

Расчетные задания курсовой по электронике и электротехнике

Лабораторная работа Инвертирующее включение ОУ

 Усилитель, инвертор, делитель, сумматор

Цель работы:

- овладеть методикой экспериментального определения основных параметров и характеристик инвертирующего усилителя;

- освоить методику расчета основных параметров инвертирующего усилителя;

- понимать процессы в инвертирующем включении ОУ.

2. Краткие сведения по подготовке к лабораторной работе

ОУ обладают большим коэффициентом усиления по напряжению, поэтому они усиливают как малые полезные сигналы (микровольты), так и собственные шумы и наводки. Основной причиной, по которой коэффициент усиления ОУ делают большим, является обеспечение высокой стабильности его параметров при использовании глубокой отрицательной обратной связи (ООС).

В зависимости от вида ООС различают инвертирующее и неинвертирующее включения ОУ. Данная лабораторная работа посвящена исследованию инвертирующего включения ОУ.

Предварительно познакомимся с важнейшими правилами, которые определяют поведение ОУ, охваченного петлей ООС. Они справедливы почти для всех случаев.

Правило 1:

Так как дифференциальное входное напряжение стремится к нулю, то входы ОУ эквипотенциальны.

Правило 2:

Входы ОУ ток не потребляют.

Правило 3:

По выходу ОУ близок к источнику ЭДС.

Таким образом, ОУ является источником ЭДС, управляемым ЭДС на входе.

Заметим, что эти правила справедливы при условии, когда ОУ находится в линейном режиме, т.е. его входы и выход не перегружены.

В инвертирующем усилителе (рисунок 1) входной сигнал и сигнал обратной связи противоположного знака суммируются с помощью резисторов R1 и R2. Как известно, такая обратная связь называется параллельной по входу. Что касается обратной связи по выходу, то она является по напряжению, так как напряжение обратной связи

UОС = bОС UВЫХ

при bОС = R1 / (R1 + R2) = const пропорционально UВЫХ.

Рисунок 1

Зная вид обратной связи и помня правила 1 и 2, можно определить основные параметры инвертирующего усилителя - коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления.

Воспользуемся вышеперечисленными правилами для получения формулы коэффициента усиления.

1. Потенциал точки А равен потенциалу точки В и также равен потенциалу земли. Поэтому в литературе точку А называют «виртуальная земля», «квазиземля» или «виртуальный нуль», «квазинуль».

2. Тогда UR1 = UВХ, а UR2 = UВЫХ.

3. Согласно правилу 2 и первому закону Кирхгофа получим = UВХ / R1 = - UВЫХ / R2.

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя 

КИН = UВЫХ / UВХ = - R2 / R1.

Еще проще можно найти входное сопротивление усилителя. Так как UА =0, то RВХ И = R1.

Не столь наглядно определяется выходное сопротивление. В этом случае следует воспользоваться постулатами теории обратной связи: если по выходу ООС по напряжению, то выходное сопротивление инвертирующего усилителя равно

RВЫХ И = RВЫХ ОУ / (1 + КУ bОС),

где RВЫХ ОУ - выходное сопротивление ОУ, КУ – коэффициент усиления ОУ.

Заметим, что с позиций теории ООС можно подтвердить полученные выше выражения для КИН и RВХ И.

В ОУ без ОС, начиная с некоторой частоты wСР1 (рисунок 2), наблюдается спад коэффициента усиления. Одной из причин этого спада является то, что ОУ для сигналов, поступающих от источника с конечным выходным сопротивлением, представляет собой емкостную нагрузку. Поэтому ОУ эквивалентен фильтру низких частот.

Рисунок 2

При введении ООС АЧХ усилителя зависит от параметров элементов цепи ОС. Так для коэффициента усилителя, охваченного цепью ОС с коэффициентом передачи bОС2 или bОС3, происходит уменьшение коэффициента усиления и повышение частоты среза в (1 + КУ bОС) раз.

Действительно

KУ(jw) = KУ(0) / (1+jwt1),  (*)

где t1 = 1/ wСР1, KУ(0) – коэффициент усиления ОУ на постоянном токе.

Подставляя (*) в формулу

KИН(jw) = KУ(jw) / (1+ КУ(jw)bОС),

получим

KИН(jw) = .

Следовательно, для такого усилителя частота среза, определяемая из условия

,

увеличивается пропорционально глубине ОС и полоса пропускания расширяется.

Для усилителей с АЧХ, характеризуемых (*), справедливо следующее утверждение: произведение коэффициента усиления на полосу пропускания, определяемую на уровне - 3 дБ, - величина постоянная, т.е.

KИНwСР = const.

Поэтому увеличение коэффициента усиления KИН приводит к сужению полосы пропускания и наоборот.

Полученные выражения являются базовыми и для неинвертирующего усилителя.

3. Порядок работы

1. Проверьте, что лабораторный макет № 2 подключен к источнику питания через разъем ДВ-9.

2. Соберите схему (рисунок 3) для снятия амплитудной характеристики UВЫХ = f(UВХ) инвертирующего усилителя. При сборке схемы обратите внимание на правильный выбор пределов измерения мультиметров М-832 с учетом, что Е1 = 15 В. Экспериментальные данные занесите в таблицу 1.

Таблица 1

UВХ, В

0

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,2

1,4

1,6

2,0

UВЫХ , В

Поменяйте полярность источника Е1, т.е. включите вместо Е1 источник Е2 = -15 В.

Экспериментальные данные занесите в таблицу 2.

Таблица 2

UВХ, В

0

-0,3

-0,5

-0,7

-0,9

-1,1

-1,2

-1,4

-1,6

-2,0

UВЫХ , В

Рисунок 3

3. Соберите схему (рисунок 4) усилителя переменного напряжения. В качестве источника переменного напряжения используйте генератор Г3-36.

Рисунок 4

4. Изменяйте частоту переменного напряжения генератора с шагом 2f в диапазоне (1-32) кГц, снимите АЧХ усилителя с цепью обратной связи R9, R11. Поддерживайте выходное напряжение генератора 0,2 В скз. Наблюдайте форму выходного сигнала усилителя на осциллографе. Данные занесите в таблицу 3.

Таблица 3

f, кГц

1

2

4

8

16

20

32

UВЫХ , В

5. Снимите АЧХ инвертора (R9, R10) в диапазоне частот (1-32) кГц при UГ = 2 В скз. Данные занесите в таблицу 4.

Таблица 4

f, кГц

1

2

4

8

16

20

32

UВЫХ , В

6. Снимите АЧХ операционного делителя (R9, R12) в диапазоне частот (1-200) кГц при UГ = 2 В скз. Данные занесите в таблицу 5.

Таблица 5

f, кГц

1

2

4

8

16

32

64

128

200

UВЫХ , В

4. Контрольные вопросы

Как определить верхнюю границу частотного диапазона инвертирующего усилителя?

Каким образом можно измерить и уменьшить напряжение смещения усилителя?

Приведите схему эксперимента для доказательства инверсии переменного сигнала усилителя с помощью осциллографа.

Какие параметры усилителя изменятся, если уменьшить напряжение питания?

Сравните выходное сопротивление на постоянном токе усилителя, инвертора и делителя.

5. Требования к отчету

Отчет должен содержать схемы и результаты эксперимента, обработанные в соответствии с целями работы.


банный коврик для ног из бамбука