Орацювання результатів дослідів

1. Обчислити коефіцієнти підсилення K_U, К_дБ підсилювача на інтегральній мікросхемі для різних частот f.

Результати розрахунків представити таблицею:

№ досліду	f, Гц	, B	, B	KU	КдБ, дБ
1-6

2. Викреслити амплітудно-частотну характеристику К_дБ(f) при = const, відкладаючи по осі абсцис частоти в логарифмічному масштабі. Визначити з цієї характеристики границі робочого діапазону частот, приймаючи для досліджуваного підсилювача значення К_дБ = – 3 дБ.

Результати аналізу амплітудно-частотної характеристики К_дБ(f) звести в таблицю:

f, Гц	fсер, Гц	fв, Гц	КдБн, дБ	КдБ сер, дБ	КдБв, дБ

3. Викреслити амплітудну характеристику при f = 1000 Гц, визначити з неї напругу U_ш, яка обумовлена шумами і наведеннями, межі припустимої зміни амплітуди вхідної напруги та динамічний діапазон амплітуд Д.

Результати обробки представити таблицею:

Uш, В	, В	, В	Д	ДдБ

4. Додати отримані суміщені осцилограми вхідної і вихідної напруг при і .

5. Скласти висновок за результатами виконаної роботи.

Запитання для самоперевірки

1. Як збудовані польовий і біполярний транзистори?

2. У чому полягає принцип дії польового і біполярного транзисторів?

3. Що являє собою однокаскадний транзисторний підсилювач на інтегральній мікросхемі?

4. Що являє собою інтегральна мікросхема?

5. Що називають коефіцієнтом підсилення за напругою, струмом, потужністю?

6. Які існують способи вмикання біполярних транзисторів?

7. Коли при роботі транзисторного підсилювача відбуваються спотворення форми кривої вихідної напруги?

8. Яку характеристику підсилювача називають амплітудно-частот­ною?

9. Як визначається робочий діапазон частот підсилювача?

10. Яку характеристику підсилювача називають амплітудною?

Робота 3 Операційні підсилювачі Мета роботи

1. Вивчити роботу й основні характеристики операційних підсилювачів, особливості їхнього застосування в аналогових і дискретних електронних пристроях.

2. Збудувати за дослідними даними статичні характеристики підсилювача і тригера Шмітта, часові характеристики інтегратора і диференціатора.

3. Експериментально дослідити роботу інвертуючого суматора і визначити погрішність підсумовування.

Основні теоретичні положення

Операційні підсилювачі ОП - підсилювачі постійного струму, що призначені для виконання різних математичних операцій над аналоговими й імпульсними сигналами та створення багатофункціональних перетворювачів за рахунок застосування різних кіл зворотних зв'язків. ОП виконують в інтегральному виконанні з загальним коефіцієнтом підсилення, що досягає декількох мільйонів. В вхідних каскадах ОП використовують диференціальні підсилювачі на біполярних та польових транзисторах, що підвищують вхідний опір і стабільність вихідного сигналу. В ОП розрізняють інвертуючий вхід вх₁, що позначається знаком інверсії “О” і неінвертуючий вхід вх₂ (рис. 3.1, а).

а б

Рис. 3.1. Операційний підсилювач:

а – умовне позначення; б – амплітудна характеристика: 1 – по інвертуючому входу, 2 – неінвертуючому.

Вихідний сигнал U_вих може бути в противофазі або у фазі з вхідним сигналом U_вх у залежності від використовуваного входу диференціального каскаду (рис. 3.1, а). Живлення ОП забезпечують двома різнополярними джерелами Е. До складу ОП входять кола захисту від перенапруг вхідних сигналів і перевищення вихідного струму.

Амплітудні або передатні характеристики ОП U_вих(U_вх) розташовані симетрично осі ординат у залежності від використовуваного входу, характеризуючи лінійний і ключовий режими його роботи (рис. 3,1,б). Ключовий режим є одним із двох станів ОП: високим рівнем вихідної напруги або низьким її рівнем . Лінійний режим має сталий коефіцієнт підсилення від u_вх = 0 до u_вх =  .

М асштабуючі підсилювачі – операційні підсилювачі з пропорційністю вхідного і вихідного сигналів з постійним коефіцієнтом масштабування. Вони бувають неінвертуючими і інвертуючими.

Рис. 3.2. Схема операційного неінвертуючого підсилювача.

У неінвертуючого ОП (рис. 3.2) фази сигналів на вході і виході однакові, тому що вхідний сигнал u_вх подається на неінвертуючий вхід вх₂.

З виходу підсилювача напруга зворотного зв'язку u_ос подається на інвертуючий вхід через резистивний подільник . Тоді коефіцієнт підсилення ОП зі зворотним зв'язком

,

де коефіцієнт зворотного зв'язку ;

– коефіцієнт підсилення ОП без зворотного зв'язку.

Вибором опорів резисторів R₁ і R_oc забезпечується необхідний коефіцієнт передачі або масштабування.

У інвертуючого ОП (рис. 3.3) вхідний сигнал u_вх і напруга зворотного зв'язку u_ос подаються на інвертуючий вхід, а другий вхід - заземлений.

Рис. 3.3. Схема операційного Рис. 3.4. Схема підсумовуючого

інвертуючого підсилювача. операційного підсилювача.

Коефіцієнт підсилення операційного підсилювача зі зворотним зв'язком дорівнює

,

де  – коефіцієнт зворотного зв'язку, ,

К_м – коефіцієнт масштабування, .

Знак мінус позначає, що фаза сигналу на виході протилежна фазі вхідного сигналу.

Підсумовуючий ОП або суматор підсумовує n вхідних сигналів, які одночасно подані через резистори R₁, R₂…R_n на інвертуючий вхід ОП (рис. 3.4).

Якщо R₁= R₂ =...= R_n тоді вихідна напруга

пропорційна негативній сумі напруг вхідних сигналів.

Вмикаючі вхідні сигнали на неінвертуючий вхід, одержують неінвертуючий суматор, вихідна напруга якого пропорційна позитивній сумі вхідних сигналів

.

Для інвертуючого інтегратора на ОП вихідний сигнал U_вих визначається інтегралом вхідної напруги U_вх в інтервалі часу від 0 до t, тобто

.

Реалізація цієї функції ОП досягається вмиканням конденсатора С у коло зворотного зв'язку (рис. 3.5, а). Якщо в момент часу t = 0 напруга на конденсаторі U_c (0) = 0, тоді вихідна напруга U_вих(0) = 0.

a б

Рис. 3.5. Схема інтегруючого операційного підсилювача:

а - схема; б - часові діаграми напруг.

Вмикання постійного вхідного сигналу u_вх викликає на виході ОП напругу u_вих(t), що змінюється за лінійним законом, та визначається сталою часу інтегрування =R₁C₁ (рис. 3.5, б)

.

Функцію диференціювання можна реалізувати заміною в схемі ОП резистора R₁ на конденсатор С (рис. 3.3). У цьому випадку вихідна напруга інвертуючого диференціатора описується рівнянням

.

Якщо вхідна напруга змінюється за гармонійним законом u_вх = U_m sin t, то напруга на виході буде

u_вих (t) = – _д U_m cos t = – K_д U_m sin ( t + /2),

де – стала часу диференціювання,

– коефіцієнт передачі диференціатора на частоті .

Пристрої імпульсної і цифрової техніки: компаратори і тригери Шмітта, мультивібратори й інші також виконують на операційних підсилювачах.

Компаратори – пристрої, призначені для порівняння двох напруг (рис. 3.6, а). Завдяки високому коефіцієнту підсилення операційного підсилювача К_U, вихідна напруга компаратора змінюється стрибкоподібно при дуже малій різниці вхідних сигналів U₁ – U₂ (рис. 3.6, б)

.

а б в

Рис. 3.6. Компаратор:

а - схема; б - передатна характеристика; в – умовне позначення.

Компаратор, рівні вмикання і вимикання якого не збігаються, називають тригером Шмідта (рис. 3.7, а). Різниця в рівнях називається гістерезісом перемикання (рис. 3.7, б).

а б в

Рис 3.7. Інвертуючий тригер Шмітта:

а - схема; б - передатна характеристика; в - умовне позначення.

Напруги вмикання U_вм і вимикання U_вим компаратора, при яких відбувається стрибкоподібна зміна вихідної напруги, розраховують за залежностями

,

.

Гістерезіс перемикання дорівнює

.

Тригер Шмітта має два стійких стани при виконанні умови K_U β > 1, де K_U – коефіцієнт підсилення ОП; – коефіцієнт зворотного зв'язку.