Операционный усилитель

д) построить на одном графике внешние характеристики Uda=f(Idα) однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя при углах управления α = 0 и α=90. При построении осей координат шкалы должны начинаться с нуля.

6.  Контрольные вопросы

1.  Нарисовать вольтамперную характеристику тиристора, указав на ней характерные точки.

2.  По каким параметрам выбираются тиристоры для схемы выпрямления?

3.  При каких условиях в цепи с тиристором будет протекать электрический ток?

4.  Что такое угол управления α ?

5.  Что такое регулировочная характеристика тиристора и как она снимается экспериментально?

6.  Что такое внешняя характеристика выпрямителя и как она снимается экспериментально?

7.  Объяснить вид осциллограмм напряжений на нагрузке и на тиристоре для однополупериодной и двухполупериодной схем выпрямления.

РАБОТЫ 3-1…3-4, 3-8 ПОЛНОСТЬЮ ГОТОВЫ. В КОНЦЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНО ДОБАВИТЬ 3-8 ОСЦИЛЛОГРАФ. Прошу ДО сентября подготовить к печати 3-5…3-7. С уважением ЛР

Работа №3-5. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

1.Цель работы

Изучение основных характеристик и параметров операционного усилителя. Знакомство с его применением в усилителях и интеграторах.

2.Описание лабораторной установки

В лабораторной работе исследуется операционный усилитель (ОУ) типа К140УД17, некоторые характеристики которого приведены в табл. 3.5.1. Передняя панель лабораторного модуля операционного усилителя представлена на рис.3.5.1. Типовая схема включения операционного усилителя типа К140УД17 приведена на рис.3.5.2.

Рис. 3.5.1 Рис. 3.5.2

На ней изображена мнемосхема исследуемого усилителя и установлены коммутирующие элементы. Лабораторный модуль позволяет исследовать характеристики и параметры инвертирующего усилителя, инвертирующего интегратора и фильтра нижних частот. Исследуемые схемы собираются на модуле установкой соответствующих перемычек. С помощью ключа SA1 на вход усилителя может быть подан постоянный сигнал от потенциометра RP1 модуля или переменный сигнал от функционального генератора. С помощью ключей SA2, SA3 и SA4 изменяются параметры соответствующих элементов схемы (табл. 3.5.2).

Для получения нужных свойств в ОУ вводят отрицательные обратные связи В ОУ с отрицательной обратной связью коэффициент усиления зависит только от параметров цепи обратной связи и не зависит параметров самого усилителя.

В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой делитель напряжения. При этом ОУ работает как линейный усилитель. Используют две основные схемы включения ОУ, охваченного цепью ОС: инвертирующую не инвертирующую Инвертирующее включение (рис.3.5.3) применяют в большинстве аналоговых устройств.

Качественно работа инвертирующего усилителя иллюстрируется амплитудной (передаточной) характеристикой UBbIX= f(UBX) (рис. 3.5.4) и амплитудно-частотной характеристикой Ku=F(f) (рис.3.5.5).

Амплитудная характеристика усилителя (рис.3.5.4) имеет явно выраженные нелинейные участки и линейный участок. В пределах линейного участка выходное напряжение пропорционально входному напряжению. При отсутствии входного сигнала UBX = 0 выходное напряжение покоя Uовых отлично от нуля и определяет статическую погрешность ОУ. Она обусловлена напряжением смещения нуля ОУ Uсм (милливольты),средним входным током IВХ и разностью входных токов ∆IBX ОУ. Поэтому рекомендуется выбирать R2 =RlR0C/(R] + R0C). Обычно R1 > 5кОм . Устранить выходное напряжение покоя U0вых можно внешней регулировкой (балансировкой нуля). Однако лучшей гарантией получения минимального напряжения ошибок является правильный выбор типа операционного усилителя и выполнение необходимых соотношений резисторами схемы.

При этом желательно использовать в устройстве резисторы небольших номиналов. При приближении ивых к иИП ОУ выходит из линейного режима и переходит в режим ограничения с уровнем насыщения ивых max, близким к напряжению питания.

Коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя на основе идеального операционного усилителя

Ku = UBbK / UBX= — R2/R1,

где знак «минус» указывает на инверсию сигнала.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя RBX ≈ R1.

Амплитудно-частотная характеристика Ku = F (f), представляющая собой зависимость модуля коэффициента усиления по напряжению Ки от частоты f, характеризует частотные свойства усилителя. Логарифмическая амплитудно-частотная_характеристика операционного усилителя показана на рис.3.5.5.

Схема инвертирующего интегратора на основе операционного усилителя (рис. 3.5.6), в цепи обратной связи которого установлен конденсатор С, получается установкой соответствующей.

Выходное напряжение интегрирующего усилителя (рис.3.5.7)

Uвых(t)=-1/R1C,

где U вых(0)- напряжение на выходе интегратора к моменту начала интегрирования. При подаче, например, на инвертирующий вход ОУ сигналов прямоугольной формы выходное напряжение имеет треугольную форму с тем же периодом, что и у входного прямоугольного сигнала. Амплитуда выходного напряжения интегратора при прямоугольной форме входного сигнала

ивыы = —UBX ,

где tu — длительность входного импульса,

U вх — амплитуда входного сигнала.

Такое включение ОУ часто используется при создании генераторов пилообразного напряжения или напряжения треугольной формы.

Избирательными усилителями (активными фильтрами) называют усилители, которые из совокупности принимаемых сигналов выбирают и усиливают только синусоидальные сигналы, занимающие определенный участок спектра частот. Активные фильтры часто реализуют, используя пассивные RC — цепи и ОУ в качестве активного элемента.

Избирательные (селективные) свойства таких устройств (то есть их способность выделятъ полезный сигнал и ослаблять помехи) характеризуются их АЧХ. Избирательные усилители обладают особой формой АЧХ.

Полосу частот, в которой осуществляется усиление сигнала, называют полосой пропускания (прозрачности). Полосу частот, в которой сигналы подавляются, называют полосой заграждения. В зависимости от взаимного расположения полос пропускания и заграждения различают виды фильтров: нижних частот, верхних частот, полосовые пропускания, полосовые заграждения. Значения коэффициента передачи (усиления) в полосах пропускания и заграждения могут значительно различаться. Поэтому обычно АЧХ фильтра представляет собой зависимость его нормированного коэффициента усиления к/к0 от частоты f в логарифмическом масштабе. Фильтр нижних частот без изменения передает сигналы низкой частоты и обеспечивает затухание высокочастотных сигналов. Вид АЧХ активного фильтра нижних частот определяется типом rc —фильтра.

На рис. 3.5.8 приведена схема активного фильтра, построенного на основе инвертирующего ОУ и интегратора. Такой фильтр представляет собой инвертирующий усилитель с постоянным коэффициентом усиления в полосе часто от fH=0 до fc Частота среза fc, с которой начинается уменьшение коэффициента усиления, регулируется цепью обратной связи

fc =

На частоте выше коэффициент усиления уменьшается на 20 дБ/дек, что соответствует уменьшению коэффициента усиления в два раза при удвоении частоты. Для получения АЧХ с большой крутизной применяют каскадное соединение простых_фильтров.

3.Порядок выполнения работы

3.1. Подготовить стенд для проведения эксперимента. Для этого установить соответствующие перемычки на модуле, подключить к входу операционного усилителя выход функционального генератора и. мультиметр, а к выходу ОУ — мультиметр и осциллограф. Установить переключатели SA2 и SA3 в соответствующие положения с учетом заданных преподавателем значений.

3.2. Исследование инвертирующего усилителя.

Снять и построить амплитудную (передаточную) характеристику UBblx= f(UBX) на постоянном токе при двух полярностях входного сигнала. Сопротивления резисторов установить в соответствии с указанием преподавателя. Включив электропитание, определить максимальные выходные напряжения ±UBbIX m и соответствующие ним входные напряжения ±Uвхm. Затем, изменяя входное постоянное напряжение в пределах от -1,2UBXm до + 1,2 UBXm снять амплитудную характеристику. Результаты измерений занести в табл. 3.5.3.