Методические указания к лабораторной работе практикума по радиоэлектронике Новосибирск, 1997 (стр. 3 из 4)
, (3)где U0 – напряжение на выходе при t = 0 (емкость C может быть заряжена перед началом интегрирования).
Рис. 8. Интегрирующий (a) и дифференцирующий (б) усилители
Нулевое начальное условие можно задать при помощи управляемого ключа (обычно МОП-транзистора). Если R>>rкл~50 Ом, то при замкнутом ключе КОС » 0, Uвых = UC = 0; при разомкнутом идет интегрирование.
Точность вычисления интеграла определяется коэффициентом усиления К0, входными токами ОУ, напряжением смещения Uсм. Для интеграторов обычно используются ОУ с полевыми транзисторами на входе и конденсаторы с малыми токами утечки.
С помощью интеграторов можно решать обыкновенные дифференциальные уравнения, в том числе нелинейные (аналоговые вычислительные машины).
Дифференцирующий усилитель получается, если R и C поменять местами (рис. 8,б): КОС(w) = ‑jwRC = ‑pRC, где p = jw - отображение операции дифференцирования. Эта схема сравнительно редко используется на практике, так как обладает большим КОС на высоких частотах и усиливает импульсные наводки и собственные шумы.
Логарифмический усилитель (ЛУ). Для получения логарифмической зависимости Uвых ~lg(Uвх) в цепь ОС вводят нелинейный элемент – диод или биполярный транзистор (рис. 9,а).
Рис. 9. Логарифмирующий (а) и потенцирующий (б) усилители.
Ток, протекающий в цепи ОС, при Iвх- = 0, равен коллекторному току транзистора и определяется равенством
, (4)где Iко – тепловой ток p‑n перехода (обратный ток коллектора), Uэб – напряжение на переходе эмиттер-база, k - постоянная Больцмана, T - температура в град. К, q - заряд электрона, h - постоянная рекомбинации. Величина hkT/q = jт называется температурным потенциалом; jт » 26 мВ для германия, jт » 30 мВ для кремния. Для большинства транзисторов Iко < 10‑8А.
С учетом Uэб > 30 мВ, Iко << Ik из (4) следует
. (5)Потенцирующий усилитель получается, если резистор и транзистор в цепи ОС поменять местами (рис. 9,б). Все расчеты аналогичны.
Так как ЛУ часто применяются для расширения диапазона измеряемых токов (для схемы рис. 9,а этот диапазон составляет 9 декад 10‑12А < Ik < 10‑3А), в них используются ОУ с полевыми транзисторами, которые тщательно балансируют (при этом зануляется и второй член в (5)). Принимаются также меры для компенсации температурного дрейфа, поскольку в (4) температура входит явно.
С помощью ЛУ можно возводить в произвольную степень и перемножать аналоговые сигналы. Точность ЛУ невелика - порядка нескольких процентов. Схемы рис. 9 работают только с однополярными сигналами.
Прецизионный выпрямитель. Полупроводниковые диоды непригодны для выпрямления сигналов амплитудой меньше 1 В, так как для получения заметной проводимости на кремниевые диоды нужно подать смещение примерно 0.7 В, а на германиевые - около 0.4 В. Применение ОУ позволяет получать выпрямители, хорошо работающие с сигналами до 1 мВ. Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 10,а.
Рис. 10. Однополупериодный выпрямитель
Эпюры напряжений, показанные на рис. 10,б, поясняют работу схемы. При положительном входном сигнале ток течет через диод D1, а при отрицательном - через диод D2. Рассуждения, полностью аналогичные тем, что проводились при рассмотрении инвертирующего усилителя, приводят к выводу, что коэффициент передачи U+вых/Uвх равен ‑1 для отрицательной полуволны на входе, равен 0 для положительной. От характеристик диодов качество выпрямителя практически не зависит, от них требуется только малый обратный ток.
Для двухполупериодного выпрямления требуется еще один ОУ для получения суммы {Uвх + 2×U+вых} (см. рис. 10,б).
По результатам выполнения практических заданий составьте итоговую таблицу для измеренных параметров ОУ (Uсм), (Iвх), (DIвх), (f1), (DUсм/DT), (dUвых/dt) в сравнении со справочными данными.
Измерения, имеющие оценочный характер, можно проводить с помощью осциллографа. Это удобно еще и потому, что, если ОУ возбудится, то сразу будет видно. Но для точности следует использовать цифровой или стрелочный вольтметр, а по осциллографу контролировать возбуждение.
При больших Кос измерения следует проводить после выравнивания температуры спаев, иначе контактная термо-э.д.с. может сильно исказить результат.
3.1. Измерение (Uсм), (f1), (Iвх), (DIвх)
а) Соберите схему по рис. 11,а с биполярным ОУ (140УД7, 140УД708) при значениях резисторов R1 = R3 = 100 Ом, R2 = 10 кОм. Напряжение питания ±6¸12 В.
Заземлите вход. По измеренному Uвых, найдите (Uсм) и сравните его со справочными данными. По справочным же данным оцените влияние входных токов смещения. Так как измеряется Uсм, то напряжение сдвига, вызванное разностью входных токов, должно быть много меньше Uсм.
Рис. 11. Инвертирующий усилитель (а); балансировка ОУ по входу (б)
б) Для компенсации смещения нуля по измеренному Uсм рассчитайте величину резистора Rx, а по знаку Uсм - полярность напряжения питания, к которому его следует подключить (рис. 11,б). Сбалансируйте ОУ.
в) Подайте на вход инвертирующего усилителя (R1) синусоидальный сигнал уровня 10¸20 мВ. Измеряя Uвых на разных частотах, постройте ЛАЧХ, подобный рис. 4. Определите частоту единичного усиления (f1).
г) Разомкните цепь ООС, т. е. уберите R2 и попытайтесь установить на выходе напряжение, близкое к нулю. Объясните результат.
д) Не меняя положения движка R4, отсоедините его от схемы и измерьте сопротивление между средним и нижним выводами (Ry). Вычислите падение напряжения на Ry (компенсирующее напряжение) и сравните результат с предыдущим (пункт а).
е) Для сбалансированного ОУ, когда на среднем выводе переменного резистора R4 установлено напряжение, равное (‑Uсм); замените резистор R3 на номинал 100 кОм. Измерив Uвых, вычислите (Iвх+) и сравните результат со справочными данными.
ж) Замените резистор R1 тоже на 100 кОм, а R2 – на 1 МОм. По измеренному Uвых оцените разность входных токов (DIвх).
3.2. Наблюдение температурного дрейфа и низкочастотного шума
Соберите схему по рис. 12 при значениях R1=R3=100 Ом, R2 = 100 кОм, C = 0.1 мкф. Заземлите вход и тщательно сбалансируйте ОУ. На выходе ОУ должны наблюдаться плавные уходы напряжения в ту и другую сторону (так называемый "шум 1/F"). Подержите минуту-другую палец на корпусе ОУ, не касаясь выводов и деталей. Для уменьшения наводок (ваше тело в данном случае работает как антенна) палец другой руки удерживайте на "земле". Вы увидите систематический уход Uвых, если случайно вам не попался ОУ с нулевым температурным дрейфом. Оцените грубо (DUсм/DT).
Примечание. Конденсатор C служит для уменьшения шумов и наводок .
 Рис. 12. Интегратор |
В схему по рис. 12 установите резисторы R1=R3=10 кОм, R2 = 1 МОм, оставив C = 0.1 мкф и цепь балансировки без изменений. Заземлите вход и тщательно сбалансируйте ОУ.
Подайте на вход прямоугольный сигнал со скважностью 2 (меандр) амплитудой 1 В, частотой 1 кГц. Сигнал на выходе должен иметь треугольную форму с хорошей линейностью. Рассчитайте по формуле (3) амплитуду треугольного сигнала на выходе и сравните с измеренным значением.
3.4. Компаратор с гистерезисом
 Рис. 13. Компаратор с гистерезисом |
Соберите схему по рис. 13. Подайте на вход синусоидальный или треугольный сигнал амплитудой 100 мВ, частотой 100¸200 Гц. Вращая резистор R4, получите на выходе сигналы различной скважности.
В режиме большого входного сигнала (Uвх ~ 1¸3 В) определите скорость нарастания выходного напряжения (dUвых/dt).
Подобная схема используется в качестве порогового устройства для подсчета импульсов с амплитудой больше заданного уровня. Положительная ОС предотвращает срабатывание схемы от шумов и наводок, уменьшает фронты импульсов на выходе.