ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧНА РОБОТА № 8
«Дослідження операційного підсилювача із зворотними зв'язками»
1. Мета роботи:
1. Ознайомлення з методикою побудови схем і моделювання роботи пристроїв в комп'ютерній лабораторії електротехніки і електроніки.
2. Дослідження амплітудних і частотних властивостей операційного підсилювача.
3. Вивчення впливу негативного зворотного зв'язку на характеристики операційного підсилювача.
2. Короткі теоретичні відомості.
2.1 Операційні підсилювачі.
Підсилювачі постійного струму (УПТ) є основою для конструювання операційних підсилювачів (ОУ). Сучасні операційні підсилювачі є багатоцільовими елементами, виконаними у вигляді напівпровідникових інтегральних мікросхем. Вони широко застосовуються при конструюванні різних підсилювальних пристроїв, пристроїв збудження сигналів синусоїдальної і імпульсної форм (генераторів сигналів), фільтрів і так далі.

Рис.1
Умовне позначення ОУ показане на малюнку 1. Символ означає посилення, а символ ( - великий вхідний опір. Один з входів підсилювача Uвх+ є неінвертуючим, інший Uвх- - інвертуючим (по аналогії з диференціальними підсилювачами). Принципові електричні схеми ОУ, як правило, містять декілька каскадів УПТ. При цьому вхідний каскад завжди виконується по диференціальній схемі, а вихідний каскад по схемі емітерного повторітеля, що забезпечує що вимагається навантаженням здатність всієї схеми.
Сучасні інтегральні ОУ володіють високим значенням коефіцієнта посилення (К=104(107), вхідного опору (Rвх=104(109 Ом), можуть працювати від різнополярних джерел живлення і перетворювати електричні сигнали в широкому діапазоні частот (від 0 до 107 Гц).
Амплітудна і амплітудно-частотна характеристики такого підсилювача аналогічні характеристикам УПТ.
2.2 Зворотні зв'язки в операційних підсилювачах.
Конструювання різних електронних пристроїв на основі ОУ виробляється з використанням зворотних зв'язків.
Зворотним зв'язком називається передача частини енергії вихідного сигналу підсилювача на його вхід (Рис.2).

Рис.2
З вихідного ланцюга у вхідний енергія передається через електричний ланцюг зворотного зв'язку з коефіцієнтом передачі
.
К0 - коефіцієнт посилення підсилювача без зворотного зв'язку (у області середніх частот, де дією реактивних елементів ОУ і зворотного зв'язку можна нехтувати).
Зворотний зв'язок називається позитивним, якщо передаваний нею з виходу на вхід сигнал Uос = (Uвых співпадає по фазі (складається) з вхідним сигналом Uвх = U1+(Uвых (на Рис.2 позитивний зворотний зв'язок позначений (+). Коефіцієнт посилення підсилювача Кb+ з позитивним зворотним зв'язком визначається виразом
.
Зворотний зв'язок називається негативним якщо сигнал зворотного зв'язку Uос знаходиться в протифазі (віднімається) з вхідним сигналом Uвх = U1-(Uвых (на Рис.4.2 негативний зворотний зв'язок позначений (-).
Коефіцієнт посилення підсилювача Кb- при негативному зворотному зв'язку буде
.
Застосування негативного зворотного зв'язку (OOC) в підсилювачах істотно покращує їх параметри:
- підвищує стабільність коефіцієнта посилення;
- збільшує вхідний опір;
- зменшує вихідний опір;
- розширює смугу пропускання.
Тому ООС широко застосовується в підсилювальних пристроях.
Позитивний зворотний зв'язок (ПОС) впливає на параметри підсилювачів протилежним чином.
Підвищуючи нестабільність коефіцієнта посилення, вона приводить підсилювач до самозбудження, тобто переходу його в режим генератора.
Тому ПОС використовується в генераторах гармонійних коливань і імпульсів.
2.3 Операційний підсилювач з ООС
Операційний підсилювач з негативним зворотним зв'язком найчастіше застосовується на практиці (Рис.3).

Рис.3
Негативний характер зворотного зв'язку обумовлений подачею напруги на інвертуючий вхід ОУ так, що . Негативний зворотний зв'язок здійснюється через опори і . Оскільки вхідний опір ОУ великий (приймаємо ?, то вхідний струм ОУ і тоді , звідки
.
При великому коефіцієнті посилення ОУ (() напруга на вході буде
і тому ,
звідки .
2.3.1 Масштабуючий підсилювач
При і вираз для коефіцієнта посилення прийме вигляд
,
а підсилювач виконує роль масштабуючого інвертуючого підсилювача у якого
Uвых= -UвхКb-.
Схема підсилювача в цьому випадку представлена на малюнку 4.

Рис.4
2.3.2 Виборчий підсилювач
Розглянуті вище схеми підсилювачів призначені для посилення вхідних сигналів в широкій смузі частот. На практиці (у системах зв'язку, радіотелепередачі, в багатьох системах автоматичного управління і контролю) необхідно підсилювати корисний сигнал однієї частоти, так щоб сигнали інших частот пригнічувалися (не посилювалися). Таку задачу вирішує виборчий підсилювач, що є ОУ охоплений частотно-залежною ООС у вигляді подвійного Т-образного моста.

Рис.5
Амплітудно-частотна характеристика подвійного Т-образного моста
(=F(f) приведена на малюнку 6.

Рис.6
На низьких частотах, коли частота прагне до нуля (f(0), коефіцієнт передачі моста ((1, оскільки опір Хс конденсаторів стає великим і вся напруга через “верхній” одинарний Т-образний міст (R, 2C, R) передається на вхід підсилювача у вигляді напруги зворотного зв'язку .
На дуже високих частотах (f((, ((1) унаслідок того, що опори конденсаторів Хс стають невеликими, і вся вихідна напруга через “нижній” Т-образний міст (З, R/2, З) передається на вхід ОУ.
Коефіцієнт посилення такого підсилювача відомий
.
Аналіз цього виразу показує, що на низьких і високих частотах при ((1 ,
тобто посилення практично не відбувається.
На резонансній частоті коефіцієнт передачі моста ((0 і тоді ,
маємо максимальне посилення.
Амплітудно-частотна характеристикаа Kb-== виборчого підсилювача приведена на малюнку 7.

Рис.7
Вона побудована з урахуванням виразу для Kb- і амплітудно-частотної характеристики Т-образного моста. Потрібна величина K0 забезпечується правильним вибором номіналів резисторів R2 і R1 виходячи з того, що .
2.4 Операційний підсилювач з ПОС
Генератори гармонійних сигналів призначені для перетворення енергії джерела живлення в енергію електричного сигналу синусоїдальної форми необхідної частоти і потужності.
На практиці, часто, такий генератор є ОУ охоплений глибоким позитивним зворотним зв'язком з коефіцієнтом передачі (+ (див. рис.8). Для отримання стійкого режиму автогенерації, поліпшення форми коливань і стабілізації амплітуди коливань, що генеруються, часто вводиться негативний зворотний зв'язок ((- ).

Рис.8
Для цієї схеми вхідна і вихідна напруги зв'язані співвідношеннями:
, .
Перемножуючи одне на інше, одержуємо формулу ,
яка справедлива при .
Виконання останньої умови забезпечує в автогенераторі незгасаючі коливання. Величини і у рівнянні є комплексними величинами, тому можна записати
,
останнє виконується при:
- умова балансу фаз автогенератора,
- умова балансу амплітуд.
Умова балансу фаз означає, що в схемі існує позитивний зворотний зв'язок. Умова балансу амплітуд відповідає тому, що енергія, що втрачається в генераторі за одне коливання заповнюється енергією від джерела живлення. Виконання умов балансу фаз і амплітуд забезпечує виникнення сигналів генератора складної форми, що складаються з великого числа гармонійних складових.
Для виникнення сигналу генератора потрібної частоти забезпечують виконання умов балансу фаз і амплітуд, тільки для частоти , шляхом включення частотно-залежних схем, наприклад, моста Вина.
Приклад виконання автогенератора гармонійних коливань з мостом Вина приведений на рис.9.
Негативний не-залежний зворотний зв'язок створюється резисторами R2 і R1.

Рис.9
Оскільки в ланцюзі позитивного зворотного зв'язку включений міст Вина, то умови самозбудження генератора виконуються тільки для однієї резонансної частоти (на інших частотах До малий). Отже, виникаючі коливання матимуть гармонійну форму.
Порядок виконання роботи.
Досвід №1. Операційний підсилювач з негативним зворотним зв'язком,
Кос=25 і Кос=50 .
Схема проведення досвіду (Рис.10).

Рис.10
3.1.1. Амплітудна характеристика підсилювача.
Зніміть амплітудну характеристику підсилювача Um.вх = f(Um.вых),
при f=1кГц і Uвх = 10 – 1000 мВ.
(Дивіться методику зняття амплітудних характеристик).
3.1.2 Скопіюйте осцилограми вхідних і вихідних напруг на лінійній і нелінійній ділянках амплітудної характеристики підсилювача.
3.1.3 Амплітудно-частотна характеристика підсилювача.
Зніміть амплітудно-частотну характеристику підсилювача Кус = f(f)
при uвх=100мВ і f=0 -20.103.
(Дивіться методику зняття амплітудно-частотних характеристик).
Побудуйте амплітудну характеристику підсилювача.
Побудуйте амплітудно-частотну характеристику підсилювача.
Досвід №2. Виборчий підсилювач з негативним зворотним зв'язком, Кос=50 і подвійним Т-образним мостом .
Амплітудно-частотна характеристика моста.
Схема проведення досвіду (Рис.11).

Рис.11
Зніміть амплітудно-частотну характеристику моста До = f(f)
при uвх=1мВ і f=0 -2.103.
(Дивіться методику зняття амплітудно-частотних характеристик).
Амплітудно-частотна характеристика підсилювача.
Схема проведення досвіду (Рис.12).

Рис.12
Зніміть амплітудно-частотну характеристику підсилювача Кус = f(f)
при uвх=1мВ і f=0 -2.103.
(Дивіться методику зняття амплітудно-частотних характеристик).
Побудуйте амплітудно-частотну характеристику моста.
Побудуйте амплітудно-частотну характеристику підсилювача.
3.3 Опыт№3. Автогенератор RC-типу, з негативним зворотним зв'язком Кос=1,5, мостом Вина в ланцюзі позитивного зворотного зв'язку і автостабілізацією на стабілітронах.
Схема проведення досвіду (Рис.13).

Рис.13
Скопіюйте осцилограму вихідної напруги.
4. Методики проведення дослідів.
4.1. Методика зняття амплітудно-частотних характеристик.
При знятті амплітудно-частотних характеристик підсилювальних пристроїв необхідно змінювати частоту вхідного сигналу при незмінній його амплітуді. Для цього відкриваємо діалогове вікно функціонального генератора і задаємо вхідний сигнал синусоїдальної форми.
Далі встановлюємо необхідну амплітуду сигналу на вході (наприклад, Amplitude 1 mV) і його частоту (наприклад, Frequency 5kHz). Натиснувши в правому верхньому кутку клавішу , вимірюємо сигнали на вході і виході з допомогою відповідних вольтметрів.
Обчислюємо коефіцієнт посилення
і записуємо його в таблицю.
Повторюємо дані вимірювання для різних частот вхідного сигналу, заповнюючи таблицю.
Таблиця
f (Гц)

20
200

2(103

10(103

100(103

1(106

10(106

20(106

50(106


Кус











4.2. Методика зняття амплітудних характеристик.
При знятті амплітудних характеристик підсилювальних пристроїв необхідно змінювати амплітуду вхідного сигналу при незмінній частоті. Для цього відкриваємо діалогове вікно функціонального генератора і задаємо вхідний сигнал синусоїдальної форми.
Далі встановлюємо необхідну частоту сигналу на вході (наприклад, Frequency 5kHz) і амплітуду сигналу (наприклад, Amplitude 1.5 mV). Натиснувши в правому верхньому кутку клавішу , вимірюємо сигнали на вході і виході з допомогою відповідних вольтметрів і записуємо свідчення в таблицю.
Повторюємо дані вимірювання для різних амплітуд вхідного сигналу, заповнюючи таблицю.
Таблиця
ег (мВ)

1,5

7,1

14,1

28,3

42,5

56,6


Uвх (мВ)









Uвых (мB)








4.3. Методика роботи з осцилографом.
Для отримання форми кривих напруги в будь-якій крапці схеми в програмі EWB використовується осцилограф. Відкриваємо діалогове вікно осцилографа подвійним натисненням лівої кнопки миші. При цьому з'являється зменшене зображення панелі осцилографа. Осцилограф має чотири клеми: Ground (Земля), Trigger (Синхронізація), Channel А (Канал А), Channel B (Канал B).

Розгортка за часом (Time base) задається відповідними клавішами.
У даному конкретному випадку маємо 5,00ms/div, тобто 5,00миллисекунд на 1деление.
Вертикальна розгортка задається окремо по кожному каналу.
У даному конкретному випадку маємо 20V/div, тобто 20 вольт на 1деление.
На екрані осцилографа зображені дві криві вхідна і вихідна напруги однополуперіодного випрямляча, що відображають.
Для того, щоб виробляти вимірювання за допомогою осцилографа необхідно натиснути кнопку Expand і тоді з'явиться збільшене зображення панелі осцилографа, яке має додаткові елементи для вимірювання.

На екрані осцилографа з'являються дві вертикальні риси, які можна пересувати за допомогою лівої кнопки миші, тим самим, встановлюючи місце вимірювання. У додаткових вікнах з'являються координати відмічених позицій.
У даному конкретному випадку маємо: Третє вікно дає різницю свідчень
T1=12.4765s, VA1=27.2384v, VB1=25.4764v T2-T1=35.1250ms, VA2-VA1=-12.8163v,
T2=12.5116s, VA2=14.4222v, VB2=13.1085v. VB2-VB1=-12.3679v.
Канал А, У position = -1.00. Канал В, У position = 1.00.