Бутенко Д.В., Созинов Б.Л., Шарандин Е.А. Усилительные каскады на операционных усилителях (2006) (1095418), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Можно показать, чтоtф ≈ 2,2τв= 2,2/2πfв ≈ 0,35/ fв.Изображение uвых МВ(t) при замене p на jω превращается в частотную зависимость коэффициента усиления в области ВЧ:uвых МВ(t) N K(0)/(1+pτв) → K(0)/(1 + jωτв) = KВЧ(jω).Таким образом, ПХ в «области малых времен» и АЧХ в области верхних частот однозначно связаны друг с другом, т. е. элементы схемы, определяющие значение fв, определяют также и tф.Для «области больших времен» выражение (13) может бытьприведено к видуuвых БВ(t) = K(0)Um вхexp(–t/τн) = K(0)Um вх hБВ(t) ,(15)где hБВ(t) = exp(–t/τн) – ПХ усилителя в «области больших времен» (рис.
11, б). При выполнении условия τн τв выраже-16ние (15) приближенно описывает формирование спада вершинывыходного импульса усилителя. Из (15) может быть полученовыражение для определения относительного спада вершины выходного импульса δ. В момент времени t = tи выходное напряжение уменьшается на величинуΔ= Um вых – uвых БВ(tи) = K(0)Um вх[1–exp(–tи/τн)].(16)Разделив (16) на K(0)Um вх, имеемδ = 1 – exp(–tи/τн),т. е.
относительный спад вершины определяется соотношениемдлительности импульса и постоянной времени каскада в областинижних частот. При выполнении условия τн tи спад вершинывыходного импульса становится практически незаметным.При замене p на jω изображение uвых БВ(t) превращается в частотную зависимость коэффициента усиления в области НЧ:uвых БВ(t) N K(0) pτн /(1+pτн) → K(0) jωτн /(1+ jωτн) = KНЧ(jω).Таким образом, ПХ в «области больших времен» связана сАЧХ усилителя в области НЧ, т.
е. величины δ и fн определяютсяодними и теми же элементами схемы усилителя. Итоговая ПХ показана на рис. 11, в.При работе импульсного усилителя на ОУ в режиме большогосигнала искажения выходного импульса возникают либо из-за ограничения выходного напряжения на уровне Uвых max , либо из-за ограничения скорости нарастания выходного напряжения. Последнийэффект рассмотрим более подробно. Скорость изменения выходного напряжения усилителя при формировании фронта импульса определяется как производная по времени от выражения (14). При t == 0, т. е.
в начале фронта, она будет максимальна и равнаVu =duвыхdt= K(0)Um вх/τв = Um вх 2πf1 .t =0С ростом Um вх скорость изменения выходного напряжения Vuувеличивается, достигая значения Vmax при Um вх= U mmaxвх . Линейныйрежим усиления сохраняется при выполнении условияUm вх < U mmaxвх =Vmax/(2πf1).17При дальнейшем увеличении Um вх скорость изменения выходного напряжения остается неизменной и равной Vmax. Поэтомуфронт выходного импульса постепенно линеаризируется, а его длительность растет (рис. 12).
На осциллограмме выходного импульсатакие искажения становятся заметными при Um вх = (3…5) U mmaxвх .Рис. 12. Искажения фронта выходного импульса, обусловленные конечной скоростью нарастания выходного напряжения ОУТаким образом, при Um вх< U mmaxвх фронт выходного импульсаопределяется видом ПХ в «области малых времен» (т. е. величиной τв), а при Um вх > (3…5) U mmaxвх – ограниченной скоростью нарастания выходного напряжения ОУ.18ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИПри проведении лабораторного практикума используют лабораторный макет (рис.
13), на котором с помощью перемычек можно собрать схемы инвертирующего и неинвертирующего усилительного каскада на ОУ с различными характеристиками. Дляизмерения параметров входного и выходного сигналов применяютдвухканальный осциллограф АКТАКОМ АСК1022 или его аналоги С1-93, С1-83. При снятии ЛАЧХ для измерения уровня сигналав децибелах используют вольтметр переменного напряженияВ3-38А. Источником входного гармонического сигнала при снятии АХ и АЧХ служит низкочастотный генератор сигналовГ3-112. При исследовании усиления импульсных сигналов в качестве источника входного сигнала используют генератор импульсовГ5-63 или его аналог Г5-54.
Питание макета осуществляется отдвух источников постоянного напряжения ИПС-1 или «Марс».Рис. 13. Вид лицевой панели лабораторного макета19Работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНЫХИ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИККАСКАДА НА ОУЦель работы – изучение методики экспериментальных исследований характеристик усилительного каскада на ОУ при усилениигармонического сигнала; исследование влияния элементов схемыусилительного каскада на ОУ на его параметры и характеристики;получение навыков работы с радиоизмерительными приборами.Расчетная частьПолучив от преподавателя задание на тип усилительногокаскада (инвертирующий или неинвертирующий) и ознакомившись с номиналами элементов схемы макета и справочнымиданными ОУ, рассчитать коэффициент усиления, граничныечастоты полосы усиления каскада и максимальную амплитудувходного напряжения, начиная с которой прекращается линейный режим усиления каскада, для следующих вариантов схемы(см.
рис. 8, 13):1) R1 = R1.1, R2 = R2.2, R3 = R3.1 ⎜⎜ R3.2, Cр = C1.2;2) R1 = R1.1, R2 = R2.1, R3 = R3.1 ⎜⎜ R3.2, Cр = C1.2; резисторR2.2 зашунтирован конденсатором C2.1;3) R1 = R1.1, R2 = R2.1, R3 = R3.1 ⎜⎜ R3.2, Cр = C1.2;4) R1 = R1.1, R2 = R2.1, R3 = R3.1 ⎜⎜ R3.2, Cр = C1.1.Экспериментальная часть1. Снять ЛАЧХ инвертирующего или неинвертирующего (согласно заданию преподавателя) усилительного каскада на ОУ длявариантов, указанных в расчетной части.Собрать на макете схему усилителя согласно варианту 1, подключить измерительные приборы и источники питания согласно20рис. 14. Особое внимание обратить на полярность подключенияисточников питания.
В качестве источника входного сигнала используется генератор Г3-112. Первоначально подключить входнойи выходной сигналы усилителя к осциллографу АСК1022. Послепроверки собранной схемы преподавателем включить источникипитания и установить напряжения питания ±15 В. Установитьамплитуду входного сигнала 20 мВ, частоту 3 кГц.
По осциллограмме выходного сигнала убедиться в правильной работе собранной схемы, оценить коэффициент усиления.Рис. 14. Схема для измерения ЛАЧХ (на примере инвертирующего усилителя)Подключить ко входу усилителя вольтметр В3-38А. Изменяяамплитуду выходного сигнала Г3-112, установить уровень входногосигнала –40 дБ. При дальнейших измерениях контролировать постоянство амплитуды входного сигнала по осциллографу. Далееподключить вольтметр В3-38А к выходу усилителя (отключив осциллограф от выхода). Изменяя частоту входного сигнала, для каждого установленного значения частоты измерить уровень выходногосигнала в дБ и вычислить коэффициент усиления в децибелах:21Ku[дБ] = 20lg(Uвых/Uвх) = 20lg(Uвых/U0) – 20lg(Uвх/U0) == Uвых [дБ] – Uвх [дБ],где U0 – напряжение, уровень которого принимается равным 0 дБ;для В3-38А U0 эфф= 0,775 В.Диапазон изменения частоты ограничивается частотами, прикоторых Ku [дБ] ≥ 0 дБ.
Значения частоты удобно выбирать кратными 2, 4 и 10 для «равномерного» заполнения логарифмическойоси частот (например, 20, 40, 100 Гц и т. д.). Отдельно зафиксировать граничные частоты полосы усиления (т. е. частоты, при которых Ku падает на 3 дБ по отношению к значению на частоте 3 кГц)и частоту единичного усиления f1, при которой Ku = 0 дБ. Измерения повторить для вариантов 2, 3, 4. Результаты представить в виде графиков в одной системе координат.2. Снять АХ инвертирующего или неинвертирующего (согласно заданию преподавателя) усилительного каскада на ОУ для вариантов схемы 1 и 3 на частоте 3 кГц.Рис.
15. Схема для измерения АХ (на примере инвертирующего усилителя)22Собрать схему усилителя согласно варианту 2 и подключить к исследуемой схеме измерительные приборы согласно рис. 15. Постепенно увеличивать амплитуду входного напряжения до тех пор, покане наступит отсечка положительной или отрицательной полуволнывыходного напряжения. С помощью осциллографа измерить соответствующее значение амплитуды входного напряжения Um вх max.
Далееизмерить амплитуду выходного напряжения при Um вх = 0,25Um вх max ;0,5Um вх max ; 0,75Um вх max ; Um вх max ; 1,25 Um вх max. По результатам измерений построить график амплитудной характеристики. Для варианта3 повторить измерения, а также зарисовать осциллограммы выходного напряжения для Um вх = 0,5Um вх max и 1,25 Um вх max .3. Снять АХ усилительного каскада на ОУ для варианта схемы 3на частоте fв/4, где fв – значение верхней граничной частоты, определенное для данного варианта схемы при измерении ЛАЧХ. Амплитуду входного напряжения изменять в пределах 0…3 В с шагом не более 0,5 В. При измерениях следить за формой выходногосигнала и оценить амплитуду выходного напряжения Um вых max, прикоторой начинают проявляться искажения, связанные с конечнойвеличиной скорости нарастания выходного напряжения.
Зарисовать осциллограммы выходного напряжения при Um вх= 0,5; 1,0;1,5 В. Для последнего случая оценить максимальную скорость нарастания выходного напряжения.Содержание отчетаОтчет о работе выполняется индивидуально каждым студентом. Отчет должен содержать название и цель работы; результатывыполнения расчетного задания; схемы выполненных экспериментов (для одного из вариантов схемы усилителя); результаты измерений (графики АХ и ЛАЧХ, осциллограммы), их анализ и сравнение с расчетом; выводы по результатам работы.23Работа 2. УСИЛИТЕЛЬ ИМПУЛЬСНЫХСИГНАЛОВ НА ОУЦель работы – изучение процесса усиления прямоугольногоимпульса в усилителе на ОУ; исследование зависимости временныххарактеристик от элементов схемы усилителя, уяснение связи между временными и частотными характеристиками; освоение методики измерения параметров импульсных сигналов, углубление навыков пользования измерительными приборами.Расчетная частьИспользуя данные о номиналах элементов макета и справочные данные ОУ (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
