Оcновы радиоэлектроники

2.8 Регистры

Регистры -- это устройства для приема, хранения и передачи информации, причем информация здесь -- это некоторое сочетание нулей и единиц. Кроме того, на регистрах выполняются некоторые операции над числами. В качестве простейшего регистра может быть использован тактируемый триггер RS. На вход, например, R, поступает один разряд информации (один разряд двоичного числа), который надо запомнить; на вход S подается инверсия этого разряда, т. е. S=. Тогда с приходом тактирующего импульса триггер устанавливается в соответствующее состоявшие и в дальнейшем сохраняет его независимо от состояния входов R и S до прихода следующего тактирующего импульса. Информация может быть снята с выходов и , т. е. уровень напряжения на выходах говорит о том, какие потенциалы были на входе в момент прихода тактирующего импульса. Аналогично работает такой регистр на триггере Q. Соединяя несколько триггеров-регистров параллельно (по тактируемому входу), можно запомнить многоразрядные двоичные числа и получить так называемый параллельный регистр, характеризуемый одновременной записью всех разрядов. Пример последовательного регистра (регистр сдвига) представлен на рис. 16.

Рис. 16. Последовательный регистр на триггерах D:

С -- тактируемые входы триггеров

Информация поразрядно поступает на вход D₁. Будем обозначать состояние m-го триггера после прихода n-го тактирующего импульса . С приходом тактирующего импульса (после поступления информации) первый триггер устанавливается в состояние , соответствующее первому разряду (обозначим его ) числа. Затем на вход D₁ поступает второй разряд , а на С - следующий тактирующий импульс.

В результате второй триггер устанавливается в состояние, в котором до этого был первый: , а в первом триггере запишется информация о втором разряде и т. д., т. е. последовательно слева направо происходят запись и сдвиг разрядов информации.

После поступления n-тактовых импульсов в регистре запишется n-разрядное число и с выходов оно может быть снято, как и в параллельном регистре, т. е. одновременно по всем разрядам. Если тактирующие импульсы продолжать подавать на входы

С, то с выхода информация может быть снята уже в виде последовательного кода.

При этом информация, хранящаяся в регистре, стирается.

Имеются микросхемы, полностью выполняющие функции многоразрядного регистра.

2.9 Счетчики

Счетчиком называется устройство, имеющее N устойчивых состояний, которые последовательно переходят одно в другое при поступлении входных сигналов (импульсов). Таким образом, состояние счетчика позволяет судить о том, сколько импульсов поступило на вход. Такие устройства широко применяются, например, в ядерной физике. Второе применение счетчиков -- деление частоты. Пусть у счетчика имеется N устойчивых состояний, при поступлении на вход счетчика последовательности импульсов счетчик будет последовательно переходить из одного состояния в другое. Через каждые N импульсов определенное состояние счетчика будет повторяться. Таким образом, частота повторения того или иного состояния счетчика будет в N раз меньше частоты входных импульсов, т. е. мы получим N-кратное деление частоты. Структурная схема счетчика показана на рис. 17.

Рис. 17. Счетчик на тактируемых D-триггерах

3. Экспериментальная установка

Установка предназначена для практической сборки логических цепей на цифровых интегральных микросхемах. В данной работе используются микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) серии К155 с параметрами:

1. Напряжение логического нуля U⁰ +0,4 В

2. Напряжение логической единицы U¹ +2,4 В

3. Максимальная частота входного сигнала 10 МГц

4. Коэффициент разветвления (количество

выводов логических элементов, подключаемых к выходу элемента) 10

5. Напряжение питания +5 В 5%

Рабочий макет включает в себя пять микросхем KI55ТM2, по одной -- К155ЛИ1, К155ЛЛ1, К155ЛН1, а также светодиодные индикаторы. В состав одного корпуса микросхемы К155ТМ2 входят два D-триггера. Светодиодные индикаторы подключены к инверсным выходам триггеров таким образом, что их свечение сигнализирует о наличии уровня логической единицы на прямых выходах триггеров. Микросхема К155ЛИ1 состоит из 4 элементов 2И, К155ЛЛ1 -- 4 элементов 2ИЛИ, К155ЛН1 -- 6 элементов НЕ. Для индикации логических уровней на выходах элементов используются группы светодиодных индикаторов. Свечение светодиода с надписью «0» или «1» сигнализирует о наличии соответствующего логического уровня на выходе элемента. Шины с надписями «0» и «1» предназначены для установки данных логических уровней на входах элементов.

Приборы, используемые в работе: 1) генератор прямоугольных импульсов; 2) источник питания.

4. Порядок выполнения работы

4.1. Проверить работу логических схем И, ИЛИ, НЕ при различных наборах переменных на входе. Составить таблицы истинности логических элементов.

4.2. Собрать на микросхемах рабочего макета заданную преподавателем сложную логическую функцию, предварительно составив функциональное уравнение и минимизировав его.

4.3. Собрать схему четырехразрядного счетчика. Проверить его работу, подавая на вход заданное число импульсов.

5. Методические указания

5.1 Перед началом работы внимательно изучить рабочий макет. Необходимо четко представлять, какой вывод корпуса микросхемы соответствует одноименному выводу на принципиальной схеме. Нумерация выводов микросхем производится по часовой стрелке. Первый вывод обозначен на корпусе микросхемы точкой. Напряжение питания рабочего макета не более 5 В. Недопустимо подключать выходы триггеров и выходы логических элементов к шине 0, а также объединять выходы логических элементов и триггеров. Невыполнение этих требований приводит к выходу из строя микросхем макета.

5.2 Перед включением приборов в сеть, а также при всех переключениях в цепях необходимо установить на источнике питания нулевое напряжение. На генераторе Г5-54 регулятор «Выход» установить в крайнее левое положение, множитель амплитуды выхода -- 0,1, режим запуска -- ручной, полярность выходных импульсов положительная.

5.3 Счетчик импульсов собирается на микросхемах К155ТМ2. Один корпус микросхемы содержит два D-триггера. Принципиальная схема счетчика импульсов на D-триггерах приведена в разделе «Счетчики». Импульсы внешнего генератора подаются на С -- вход первого триггера. Перед началом счета импульсов необходимо нажать кнопку «Сброс» на рабочем макете, установив тем самым уровень логического нуля на выходах триггеров. Результат счета, представленный в двоичном коде, отображается на светодиодных индикаторах, подключенных к выходам триггеров.

6. Контрольные вопросы

1. Что называется полной системой булевых функций? Приведите примеры.

2. Как составить функциональное уравнение, соответствующее заданной логической операции?

3. Напишите функциональное уравнение, определяющее операцию сложения трех двоичных чисел. Нарисуйте схему, реализующую эту операцию.

4. Представьте в двоичном коде числа 25, 50, 75.

7. Литература

1. Букреев И.Н., Мансухов Б. М., Горячев В.И. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М., 1975.

2. Ефимчик М.К., Шушкевич С.С. Основы радиоэлектроники. Минск, 1986.

Лабораторная работа № 12

Операционные усилители

1. Цель работы

Изучение устройства, принципа действия и применения операционных усилителей в различных радиотехнических устройствах. Практическая сборка схем на операционных усилителях и измерение их параметров.

2. Краткие теоретические сведения

2.1 Общие сведения

Операционные усилители в настоящее время являются основными элементами аналоговых радиотехнических устройств. Изменяя параметры цепи обратной связи, можно на одном операционном усилителе получить большое число устройств, выполняющих различные операции над сигналом, такие как генерация, усиление, сравнение двух сигналов, ограничение, дифференцирование и др. В данной работе изложены физические основы работы операционных усилителей, основные схемы их использования и практические рекомендации по построению этих схем и проведению измерений. Операционный усилитель (ОУ) по принципу действия сходен с обычным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения (мощности входного сигнала). Однако в отличие от него свойства и параметры устройства, собранного на операционном усилителе, определяются не внутренним его устройством, а внешними по отношению к ОУ цепями. В частности, изменяя параметры цепи обратной связи, можно получить большое число устройств, выполняющих различные операции над сигналом, такие как усиление, сравнение двух сигналов, ограничение, дифференцирование и др.

Операционные усилители выполняются по схеме усилителей постоянного тока. Они характеризуются большим коэффициентом усиления, высоким входным сопротивлением, низким выходным сопротивлением. Ранее подобные высококачественные усилители использовались исключительно в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения таких математических операций, как суммирование и интегрирование. Отсюда и произошло их название операционные усилители.

В настоящее время операционные усилители выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим параметрам и цене мало отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей, проектировать и создавать работоспособные схемы на их основе в большинстве случаев проще, чем эквивалентные им схемы на дискретных компонентах. Поэтому операционные усилители вытесняют отдельные транзисторы как элементы схем во многих областях электроники. Чтобы определить, какой тип операционного усилителя подходит для конкретного случая его применения, достаточно, как правило, знать его основные характеристики. Только в особых случаях необходимо знание внутренней структуры операционного усилителя.

2.2 Свойства операционного усилителя

Операционный усилитель имеет два входа и один выход (рис. 1). Если на входы ОУ подать два напряжения (U₊ и U_-), то усиливаться будет их разность. Поэтому такой усилитель называется дифференциальным:

U_диф= U₊-U_-

Если на один из входов подать нулевой потенциал (заземлить), то в области низких частот выходное напряжение будет находиться либо в фазе, либо в противофазе с входным напряжением, поданным на другой вход. В первом случае незаземленный вход называется неинвертирующим (+), а во втором инвертирующим (-).

Рис. 1. Схематическое изображение операционного усилителя:

1 -- инвертирующий вход, 2 -- неинвертирующий вход, 3, 4 -- питание постоянным напряжением, 5 -- выход

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительным, так и с отрицательным входным сигналом, используется двухполярное питающее напряжение. Для этого необходимо предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые, как это показано на рис. 1, подключаются к соответствующим выводам операционного усилителя. Рассмотрим основные параметры операционного усилителя:

1. Дифференциальный коэффициент усиления по напряжению представляет собой отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения:

Обычно К весьма велико и составляет 10³ч10⁵.

2. Коэффициент подавления синфазного сигнала представляет собой отношение дифференциального коэффициента усиления к коэффициенту усиления синфазного сигнала:

.

Коэффициент подавления синфазного сигнала обычно составляет величину 10³10⁴.

3. Входное сопротивление (R_вх) -- сопротивление со стороны любого входа, в то время как другой соединен с «землей». Входное сопротивление для разных типов усилителей может быть от десятков килоом до нескольких мегаом.

4. Выходное сопротивление (R_вых) -- сопротивление со стороны выхода в таком режиме работы, когда напряжение на входе равно нулю. Сопротивление R_вых для разных типов выходных каскадов может быть равно 25500 Ом.

5. Полоса пропускания ОУ определяется как частотный диапазон, в котором выходное напряжение уменьшается не более чем до 0,707 от своего максимального значения при неизменной амплитуде на входе. Нижняя граница полосы пропускания ОУ равна нулю (ОУ усиливают постоянные напряжения), верхняя граница полосы пропускания определяется типом ОУ и может изменяться от десятков килогерц до сотен мегагерц.

6. Максимальное выходное напряжение (U_{вых. макс.}) -- амплитуда выходного напряжения относительно нуля при работе усилителя на линейном участке. У разных типов ОУ U_{вых.макс.}=(313) В.

2.3 Составные части операционного усилителя

Усилитель постоянного тока (УПТ).

УПТ отличается от усилителей переменного тока отсутствием каких-либо емкостей.



Рис. 2. Простейший усилитель постоянного тока.

Рассмотрим работу простейшего усилителя постоянного тока на транзисторе (рис. 2). Постоянное входное напряжение, которое требуется усилить, одновременно играет роль напряжения питания базы. Коэффициент усиления такой схемы по напряжению равен

, (1)

где -- коэффициент усиления тока базы, R_вх -- входное сопротивление, равное R_вх=r_б+(+1)(r_э+R_э), r_б и r_э соответственно собственные сопротивления базы и эмиттера транзистора. При условии R_э>>r_э, коэффициент усиления по напряжению K_U будет определяться по приближенной формуле

, (2)

т. е. он не будет зависеть от свойств транзистора. Таким образом, температурные изменения параметров транзистора практически не изменяют коэффициент усиления усилителя и в случае выполнения R_K и R_Э из одного материала почти полностью исключается температурная зависимость К_U.

Дифференциальный каскад.

Основным каскадом ОУ является дифференциальный. Он состоит из двух усилителей У₁ и У₂ с

Рис. 3. Блок-схема дифференциального усилителя (ДУ)

коэффициентами усиления K₁ и K₂ вычитающего устройства В (рис. 3). Напряжение на выходе ОУ будет равно:

_. (3)

Введем синфазную U_C и дифференциальную U_д составляющие входных сигналов:

, (4)

Выражая отсюда U₁ и U₂ через U_C и U_Д и подставляя эти формулы в (3), получаем

. (5)

Обозначив

, (6)

получим

_. (7)

Величины К и К_С называются коэффициентами усиления дифференциальной и синфазной составляющих входного сигнала ОУ. Их физический смысл заключается в том, что если на вход поступают одинаковые сигналы (U₁=U₂), то на выходе напряжение определяется K_C, а если сигналы противофазны (U₁=-U₂), то выходное напряжение определяется K. Обычно К>>K_C. В реальных схемах операционных усилителей дифференциальный каскад выполняется на двух биполярных или двух полевых транзисторах, а соотношение К>>K_C получается благодаря общему сопротивлению в эмиттерных цепях транзисторов.

Рис. 4. Принципиальная схема дифференциального каскада

Действительно, через сопротивление R_Э/2 течет ток, равный сумме эмиттерных токов транзисторов VT1 и VT2. Если входные сигналы равны по величине и противоположны по фазе, то изменение напряжения на эмиттерном сопротивлении не происходит, т. к. увеличение эмиттерного тока через один транзистор полностью компенсируется уменьшением тока через другой. Таким образом, эмиттеры по переменному току можно считать заземленными и схема ДУ распадается на два независимых каскада с заземленными эмиттерами. Коэффициент усиления одного такого каскада и есть дифференциальный коэффициент усиления. Он может быть определен по формуле (1) при R_Э =0. Если входные сигналы равны по величине и синфазны, то оба транзистора находятся в одинаковых условиях. Сопротивление R_Э/2 можно представить в виде двух параллельно соединенных резисторов значением R_Э каждый. Тогда схема дифференциального усилителя снова распадается на два независимых каскада (рис. 2). Коэффициент передачи такого каскада определяется также по формуле (1), но при R_Э>0, и тем меньше, чем больше R_Э. При снятии сигнала с одного из выходов 1 или 2 он и будет равен синфазному коэффициенту передачи ДУ K_C. Коэффициент подавления синфазного сигнала () будет примерно пропорционален R_Э:

_. (8)

Чтобы увеличить R_Э, не увеличивая при этом напряжение питания E₁ и E₂, сопротивление R_Э обычно заменяют транзистором с фиксированным током базы (рис. 5). Выходное сопротивление этого транзистора играет роль R_Э и является малым для постоянного тока и большим для переменного, как это следует из выходной характеристики транзистора (рис. 6).



Рис. 5. Дифференциальный каскад с транзистором в эмиттерной цепи

Для постоянного тока -

,

для переменного тока. -

.

Рис. 6. Выходная характеристика транзистора

Чтобы еще больше увеличить сопротивление в эмиттерной цепи усилительных транзисторов, используют схему стабилизации коллекторного тока транзистора VT3. Такая схема получила название источника стабильного тока (рис. 7).

Рис. 7. Источник стабильного тока

Предположим, что в результате каких-либо, например, температурных, изменений коллекторный ток транзистора увеличивается. При этом, во-первых, увеличивается падение напряжения на R3 и, следовательно, уменьшается напряжение U_бэ, что несколько компенсирует изменение коллекторного тока. Во-вторых, если транзистор VT4 обладает такими же температурными свойствами, что и транзистор VT3, то его сопротивление уменьшится и потенциал базы VT3, вследствие изменения коэффициента деления делителя R1, VT4, R2, уменьшится, что дополнительно скомпенсирует коллекторный ток транзистора vT3.

Иногда такой источник стабильного тока ставится в коллекторные цепи уменьшительных транзисторов VT1 и VT2 для увеличения эффективного коллекторного сопротивления R_K, что увеличивает дифференциальный коэффициент усиления согласно формуле (1).

Каскад сдвига уровня

При построении усилителя постоянного тока возникает проблема согласования постоянных напряжений между каскадами. Рассмотрим для примера двухкаскадный усилитель постоянного тока (УПТ) (рис. 8). Для работы транзисторов в активном режиме необходимо обеспечить определенные напряжения между базой и эмиттером, эмиттером и коллектором каждого транзистора.

Так как в схеме УПТ отсутствуют переходные емкости, то постоянное напряжение с коллектора транзистора VT1 передается на базу транзистора VT2, и тогда для обеспечения нормального напряжения между базой и эмиттером этого транзистора требуется увеличить R3, а для обеспечения U_кэ2 нужно уменьшить R4. При этом коэффициент усиления второго каскада падает по сравнению с первым. Чтобы не уменьшался коэффициент усиления второго каскада, используют каскад сдвига уровня, который включается между VT1 и VT2.

Каскад сдвига уровня (рис. 9а) представляет из себя эмиттерный повторитель с делителем в цепи эмиттера. Постоянное напряжение в точке «b» практически равно постоянному напряжению в точке «а» (т. к. U_ва0,3 В -- мало).

Рис. 8. Двухкаскадный УПТ



Рис. 9. Каскады сдвига уровней

Следовательно, постоянное напряжение на выходе каскада U_C равно:

. (9)

Выбрав достаточно малое отношение R3/R2, получим снижение напряжения на входе следующего каскада. Чтобы обеспечить большой коэффициент передачи цепочки R2, R3 для переменной составляющей напряжения, вместо R3 ставят иногда транзистор со стабилизированным током коллектора. Выходное сопротивление такого транзистора для переменной составляющей R~ много больше сопротивления постоянной составлявшей R=.

Поэтому при малом коэффициенте передачи постоянной составляющей

можно добиться практически полной передачи переменной составляющей

.

Сопротивление R4 служит дня обеспечения нормального режима работы транзистора VT2.

Выходные каскады.

Чтобы нагрузка не влияла на работу схемы ОУ и с целью снижения выходного сопротивления на выходе ОУ часто ставят эмиттерный повторитель (рис. 10). Иногда для увеличения выходного сигнала ставят двухтактный каскад (рис. 11).

Рис.10 Рис.11

В случае двухтактного каскада при подаче на вход периодического сигнала транзисторы VT1 и VT2 открываются разными полуволнами поочередно и на выходе напряжение возрастает по сравнению с обычным усилителем примерно в два раза.

Схема операционного усилителя К14ОУД1Б (рис. 12).

Первый каскад -- дифференциальный усилитель собран на транзисторах VT2, VT3. Транзистор VT1 играет роль эмиттерного сопротивления этого каскада. Транзистор VT9 -- транзистор в диодном включении, стабилизирует коллекторные токи VT1 и VT8. Второй каскад -- VT4, VT5. Транзистор VT5 работает как обычный УПТ с общим эмиттером; VT4 подключен ко второму плечу дифференциального каскада и симметрирует коллекторные токи VT2 и VT3. Цепочка VT6, VT8 -- цепь сдвига уровня. Выходной каскад собран на VT7 и представляет собой эмиттерный повторитель. Подключение его эмиттера к части эмиттерной нагрузки транзистора VT8 обеспечивает слабую положительную обратную связь, увеличивающую усиление выходного каскада. Этот ОУ является одним из простейших.

Рис. 12. Схема операционного усилителя К140УД1Б

2.4 Радиотехнические устройства на основе операционного усилителя.

Идеальный операционный усилитель

При расчете схем с ОУ широко пользуются понятием об идеальном операционном усилителе, у которого:

1. Коэффициент усиления по напряжению бесконечно велик: K.

2. Входное сопротивление велико: R_вх.

3. Выходное сопротивление мало: R_вых0.

4. Усилитель полностью симметричен (), усиливает одинаково колебания любых частот (полоса пропускания бесконечна) и не имеет дрейфа нуля.

Свойства схем идеального ОУ определяются только внешними по отношению к ОУ элементами. Рассмотрим несколько простейших таких схем.

Инвертирующий усилитель (рис. 13).

Поскольку коэффициент усиления по напряжению К=, а выходное напряжение ограничено, то можно считать, что U₁=0, а токи определяются из выражений:

. (10)

Ввиду того, что U₁0, a R_вх, входной ток также равен нулю и I₁=-I₂. Выражая токи с помощью (10), получаем коэффициент усиления схемы:

. (11)

Рис. 13. Схема инвертирующего усилителя

Знак «минус» означает, что входной и выходной сигналы находятся в противофазе. Отметим: чтобы реальный ОУ работал как идеальный, необходимо выполнение соотношений:

, (12)

где R_H -- сопротивление цепи нагрузки. Погрешность коэффициента усиления схемы в результате невыполнения этих условий определяется по следующим формулам:

_. (13)

Входное сопротивление схемы для источника сигналов определяется сопротивлением R1, т. е. R'_вх=R1.

Неинвертирующий усилитель.

Здесь (рис. 14) входной сигнал подается на вход (+), а по инвертирующему входу осуществляется обратная связь. Коэффициент передачи цепи обратной связи

_. (14)

Знак «минус» поставлен потому, что обратная связь подается на инвертирующий вход. Коэффициент передачи всей цепи (коэффициент усиления) равен:

_. (15)

Входное сопротивление схемы из-за наличия отрицательной обратной связи возрастает: , a выходное сопротивление уменьшается . Кроме этих положительных качеств, существенно возрастает стабильность коэффициента усиления (определяется только стабильностью отношения R₂/R₁) и увеличивается полоса пропускания усилителя.

Рис. 14. Схема неинвертирующего усилителя

В некоторых случаях не столь важным является усиление по напряжению, как способность усилителя согласовывать высокое внутреннее сопротивление источника сигналов c низким и, возможно, изменяющимся, сопротивлением нагрузки. Для этих целей используют повторитель (рис. 15) напряжения c полной обратной связью по инвертирующему входу: R1=, R2=0.

Рис. 15. Схема повторителя напряжения

В этом случае

;.

Как видно, коэффициент передачи такой цепи равен единице, входное сопротивление сильно возрастает, а выходное уменьшается. Таким образом, можно ставить низкоомную нагрузку R_н=R_вых при высокоомном сопротивлении генератора R_г=R_вх.

Интегратор.

Данная схема (рис. 16) получается из схемы инвертирующего усилителя (рис. 13) заменой сопротивления R2 на емкость C, имеющую для синусоидального сигнала комплексное сопротивление . Производя замену в (11) для коэффициента передачи цепи, получим:

_. (16)

Выражение (16) является условием интегрирования сигнала, так как все составляющие спектра сигнала на входе делятся на j. Для сигнала произвольной формы получим:

_. (17)



Рис. 16. Схема интегратора

В отличие от пассивной интегрирующей цепи, произведение RС здесь может быть даже меньше длительности (или периода) сигнала Т. Необходимо только, чтобы сигнал на выходе в К (коэффициент усиления ОУ) раз был больше, чем при пассивной интегрирующей RC цепи.

Дифференциатор.

Рис. 17. Схема дифференциатора

Данная схема (рис. 17) получается из схемы интегратора, заменой емкости и сопротивления. Заменяя в формуле (11) R1 на и R2 на R, для коэффициента передачи цепи получим:

. (18)

Это является условием дифференцирования сигнала, так как каждая составляющая спектра на входе умножается на j. Итак,

_. (19)

Выражение (19) применимо при выполнении условия RC<<KT, где Т -- длительность сигнала, что является гораздо менее жестким условием, чем условие дифференцирования пассивной RC цепью RC<<Т.

Логарифмирующие схемы.

Рис. 18. Логарифмирующая схема

В цепи обратной связи ставится диод или эмиттерный диод (рис. 18). Известно, что вольт-амперная характеристика p-n перехода определяется равенством, которое является достаточно точным при . Логарифмируя, получаем , отсюда

_. (20)

Суммируя выходные напряжения нескольких логарифмических усилителей, можно получить сумму логарифмов от нескольких напряжений, равную логарифму произведения этих напряжений. Обратную операцию - нахождение произведения по логарифму можно осуществить с помощью антилогарифмической схемы, в которой диод VD и сопротивление R меняются местами.

Генератор колебаний прямоугольной формы.

ДУ можно включить таким образом, что они будут работать как генераторы сигналов различной формы (синусоидальной, прямоугольной, треугольной, пилообразной). Рассмотрим схему генератора прямоугольных колебаний на ДУ (рис. 19). В момент подачи напряжения питания на инвертирующий вход 1 поступает нулевое напряжение с первоначально разряженного конденсатора С. В тот же момент на инвертирующий вход 2 может поступать небольшое напряжение U₂ через делитель R₁R₂ с выхода усилителя.

Рис. 19. Схема генератора прямоугольных колебаний

Небольшое напряжение на выходе может появиться даже при отсутствии дифференциального сигнала между входами 1, 2. Однако даже если U₂ очень мало, оно начнет переводить ОУ в режим насыщения вследствие большого коэффициента усиления ОУ без обратной связи, которая в начальный момент не работает вследствие разряженности конденсатора С. Когда ОУ насыщен, конденсатор заряжается через резистор R. Когда напряжение на конденсаторе U_C станет равным напряжению

,

дифференциальное напряжение входов 1, 2 ОУ меняет знак, вследствие чего меняется знак напряжения на выходе U_вых и напряжения U₂ (рис. 20 )

Рис. 20. Форма напряжений на выходе U_вых и на конденсаторе U_C

Вследствие этого отрицательное дифференциальное напряжение входов 1, 2 еще более возрастает и скачком переводит ОУ в режим отрицательного насыщения. Конденсатор С начинает теперь разряжаться и затем перезаряжаться на минус. При U_C = -U₂ снова произойдет скачок выходного напряжения и начнется новый цикл. Период колебаний генератора не зависит от свойств ОУ, а определяется временем перезаряда конденсатора C:

_. (21)

Отношение R2/R1 определяет уровень напряжений перезарядки конденсатора. На ОУ можно также строить схемы фильтров и множество других устройств. В настоящее время функции ОУ еще более расширились и под ОУ понимают высококачественный универсальный усилитель напряжения, предназначенный для решения разнообразных задач.

3. Экспериментальная установка

Установка предназначена для изучения характеристик операционного усилителя и его применения в различных радиотехнических устройствах. В данной работе используется микросхема серии KI40 (К140УД1Б) с параметрами:

Рис. 21. Схема рабочего макета

1. Коэффициент усиления К=135012000.

2. Максимальное выходное напряжение 6 В.

3. Максимальный входной ток I_вх=9,0 мкА.

4. Напряжение источников питания U= ±12,6 В.

5. Входное сопротивление R_вх > 5 кОм.

6. Выходное сопротивление R_вых < 700 Ом.

7. Напряжение смещения нуля l7 мВ.

Наличие напряжения смещения требует применения корректирующих цепей. Схема ОУ К140УД1Б приведена на рис. 12. Рабочий макет имеет схему, приведенную на рис. 21.

Приборы, используемые в работе:

-- генератор синусоидальных сигналов;

-- генератор прямоугольных импульсов;

-- осциллограф;

-- источник питания.

4. Порядок выполнения работы

4.1 Рассчитать и смонтировать неинвертирующий усилитель переменного напряжения с коэффициентом усиления K_U =100, 200, 500. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя. Определить его входное сопротивление.

4.2 Рассчитать и смонтировать активный интегратор и дифференциатор, взяв за основу расчета постоянную времени цепи:

_диф = 20 мкс, 100 мкс, I мс;

_инт = 5 мс, 10 мс, 20 мс.

Проверить работу схем при подаче на вход прямоугольного сигнала длительностью _U = I мс, F = 500 Гц.

4.3 Смонтировать генератор прямоугольных импульсов с заданным периодом повторения Т=3 мс, 5 мс. Зарисовать формы напряжений на выходе. Изменяя параметры схемы, определить зависимость частоты повторения от постоянной времени R_C и от соотношения плеч делителя R₁, R₂.

5. Методические указания

Сопротивление нагрузки для всех схем выбирается с учетом предельного значения тока:

_.

Так как коэффициент усиления ОУ велик, а выходное напряжение ограничено (U_вых = 6 В), то амплитуда входного сигнала должна быть мала (U_вх = 0,01 В).

5.1 Усилитель.

Если во входных каскадах не используются полевые транзисторы, то через входы операционного усилителя обязательно будут протекать базовые токи. Следовательно, входы всегда должны соединяться с землей через омическое сопротивление. Благодаря этому токи смещения приводят к появлению на обоих входах одинаковых напряжений, которые взаимно вычитаются и поэтому не вносят дополнительного сдвига. В усилителе на рис. 22. во входную цепь включен дополнительно резистор R3 для того, чтобы получить на нем падение напряжения, равное напряжению на параллельном соединении резисторов R1 и R2. Рекомендуемые параметры схемы: R1 = 4-10 кОм, R2 = R3 = 400 кОм-1,5 МОм, R_H = 5 кОм.



Рис. 22

5.2 Дифференциатор

При подборе RC элементов необходимо учитывать, что уменьшение реактивного сопротивления _c с увеличением частоты приводит к тому, что схема дифференциатора имеет высокий коэффициент усиления по отношению к высокочастотным составляющим на входе, даже если их частоты лежат выше полосы частот полезного сигнала. Следовательно, наряду с высокочастотными составляющими спектра полезного входного сигнала схема усиливает собственные шумы сопротивлений и полупроводниковых элементов. Такая схема имеет тенденцию к потере устойчивости в той области частот, где частотная характеристика дифференциатора пересекается с характеристикой скорректированного усилителя. Чтобы избежать проявления только что описанных нежелательных свойств дифференциатора, принимаются меры по его динамической стабилизации.



Рис. 23

Добавление к схеме сопротивления R_K приводит к появлению на частотной характеристике горизонтального участка и прекращению дифференцирования на частотах, превышающих частоту f₁=1/2R_KC. В полосе частот от f до f₁=1/2R_KC схема является устойчивым дифференциатором. Частоту f₁=1/2R_KC следует задавать возможно более низкой при заданных полосе частот полезного сигнала и точности дифференцирования. R_K и С_K часто выбираются так, чтобы R_KC=RC_K. Дифференциатор собирается по схеме (рис. 23). Рекомендуемые параметры схемы: R 100 кОм - 1 МОм, С = 30 пФ.

5.3 Интегратор

Так как в схеме интегратора мы имеем дело не с идеальным операционным усилителем, а реальным, имеющим некоторое напряжение сдвига, то он нуждается в некотором токе смещения (рис. 24). Напряжение сдвига интегрируется как ступенчатая функция, что дает дополнительный линейно нарастающий (или спадающий) выходной сигнал. Ток смещения течет через конденсатор обратной связи, что также приводит к появлению наклонного выходного сигнала. В результате действия этих двух эффектов конденсатор обратной связи через некоторое время неизбежно заряжается до максимально возможного выходного напряжения усилителя. Такое постоянное накопление заряда на конденсаторе обратной связи накладывает ограничение на интервал времени, в течение которого может быть осуществлено интегрирование с достаточной точностью.

Ошибку напряжения сдвига можно уменьшить следующими приемами:

1) использовать операционный усилитель с низким U_СДВ;

2) периодически сбрасывать интегратор (т. е. разряжать конденсатор до некоторого заранее выбранного значения);

3) шунтировать сопротивлением R_раз. Все это уменьшит ошибки интегратора.

R_балR , т. к. входной ток протекает по резистору источника сигнала R.

Рекомендуемые параметры схемы: R_раз= 10 МОм, R=10 кОм, C=1200 пФ.

Рис. 24

5.4 Генератор

Генератор прямоугольных импульсов собирается по схеме (рис.19). Рекомендуемые параметры схемы: R1=4,7 кОм, R2= 47 кОм, R 100 кОм - 2 МОм, С 0,001-0.1 мкФ.

6. Контрольные вопросы

1. Объяснить устройство операционного усилителя.

2. Объяснить работу дифференциального каскада ОУ.

3. Объяснить работу неинвертирующей схемы на ОУ.

4. Как работает активный интегратор на ОУ?

5. Каковы условия дифференцирования схемы дифференциатора на ОУ?

6. Как работает схема генератора колебаний прямоугольной формы на ОУ?

7. Литература

1. Рутковски Дж. Интегральные операционные усилители. М.: Мир, 1971.

2. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы. М.: Советское радио, 1979.

3. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М.: Советское радио, 1976.

Меры безопасности при выполнении лабораторных работ

1. Напряжение, используемое при измерениях, не должно превышать 30 В и в таком случае оно опасности не представляет.

2. Так как внутри имеется высокое напряжение осциллографа (до 8 кВ), внутри контрольно-измерительных приборов и источников постоянного и переменного напряжения (до 450 В), вскрытие приборов запрещается, корпуса приборов должны быть заземлены.

3. Необходимо предохранять электронно-лучевую трубку осциллографа от ударов, потому что она взрывоопасна.

4. Перед включением приборов в сеть необходимо проверить целостность сетевых шнуров, розеток и надежность заземления всех приборов.

5. Ознакомиться по справочнику с исследуемыми приборами, их цоколевкой, выяснить предельно допустимый и номинальный режимы работы. Устанавливать напряжения и токи больше предельно допустимых значений нельзя!

Размещено на Allbest.ru