Исследование активных цепей

Цель работы: изучить передаточные свойства цепей с активным элементом; изучить входные свойства активных цепей.

 

Домашнее задание

1. Изучить по [4.1] передаточные и входные свойства активных цепей с операционным усилителем.

2. Изучить по [4.1] свойства операционных усилителей.

3. Подготовить бланк отчета с предварительным расчетом (см. п. 3.4).

4. Выполнить предварительный расчет: рассчитать входное сопротивление и коэффициент передачи цепи, изображенный на рисунке 4.1, если R₁=1 кОм, R₂=2 кОм.

5. Ответить на вопросы самопроверки.

 

Вопросы для самопроверки

1. Какие элементы называются активными? Приведите пример активных элементов.

2. Какие элементы называют пассивными? Приведите пример пассивных элементов.

3. Приведите условно графическое изображение операционного усилителя.

4. Какой вход операционного усилителя является инвертируемым и неинвертируемым?

5. В каких пределах находится коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи? Дайте определение обратной связи.

6. Поясните разницу между отрицательной и положительной обратными связями.

7. Почему операционный усилитель обычно работает с глубокой отрицательной обратной связью?

 

Приборы и оборудование

1 Лабораторный стенд ЛКТЦ.

2 Соединительные провода (3 шт).

 

Порядок выполнения работы

1. Проверка подготовки студентов к лабораторной работе по вопросам самопроверки.

2. Подготовка лабораторной установки к работе, получение инструктажа по технике безопасности.

2.1 Ознакомление с элементами, из которых собирают исследуемую цепь, (рисунок 4.1): блок активных цепей смонтирован в нижней левой части стенда, исследуемый операционный усилитель (ОУ) находится в нижней левой части этого блока, тумблер режима работы ОУ имеет два положения: "СОС" (с обратной связью) и "Без ОС" (без обратной связи), сопротивление обратной связи R₂ включено внутри ОУ, в качестве R₁ используют магазин сопротивлений (R_м).

2.2 Собрать электрическую цепь по схеме на рисунок 4.1. Соединения, показанные на схеме штриховой линией, можно не выполнять, они сделаны внутри стенда. Пригласить преподавателя проверить собранную цепь.

 

Рисунок 4.1 – Электрическая схема исследования операционного усилителя

 

2.3 Включить тумблеры "СЕТЬ", "ГЕНЕРАТОР", "КОММУТАТОР ОСЦИЛОГРАФА", "ПЛАТА ЭЛЕМЕНТОВ".

2.4 Проставить переключатели в следующие позиции:

- переключатель формы сигналов в позицию 3 ();

- оба регулятора "ПОДСТРОЙКА" повернуть против часовой стрелки;

- тумблер режима работы ОУ перевести в позицию "СОС";

- на Г3 установить регулятор выходного напряжения в положение, при котором вольтметр U₁=U_вх показывает 2 Впо верхней шкале.

2.5 На электронном коммутаторе осциллографа (ЭК) регулятором "УСИЛ." второго канала получить на экране синусоиду размахом в одну клетку.

3. Исследовать коэффициент передачи ОУ. Для этого:

3.1 Уменьшать сопротивление на магазине R_м. При этом коэффициент передачи ОУ К = будет возрастать, и размах выходного напряжения будет увеличиваться. Однако выходное напряжение в ОУ не может превышать напряжения источника питания. Поэтому по мере увеличения коэффициента передачи, выходное напряжение начинает все более ограничиваться и, следовательно, искажается.

3.2 Занести в таблицу 1 размах выходного напряжения и его форму.

3.3 Измерить осциллографом размах напряжения на входе цепи (между точками А и В) и занести в таблицу 4.1.

3.4 Перенести провод с выхода ОУ на его вход.

3.5 Рассчитать коэффициент передачи цепи и занести в таблицу 4.1.

 

Таблица 4.1 – Таблица данных исследования операционного усилителя

 

При U1=2 В размах Uвх= клетки При U1=1 В размах Uвх= клетки

Rм = R1, Ом

U1=2 В

Uвых

клетки

форма

К

U1=1 В

Uвых

клетки

форма

К

 

3.6 Проделать измерения, аналогичные выполненным в пункте 6.3 при входном напряжении U₁=1 В. Зарисовать форму выходного напряжения при U₁= 1 В, R_м = 160, 5120 Ом.

3.7 Тумблер работы ОУ перевести в положение "Без ОC". Убедиться, что в этом случае происходит весьма большое ограничение при любом сопротивлении R_м. Зарисовать форму выходного напряжения при U₁ = 1 В, R_м = 160, 5120 Ом.

4. Измерить входное сопротивления в положении "Без ОС". Для этого:

4.1 Измерить осциллографом напряжение между точками АВ и ДВ.

4.2 Убедиться, что напряжение между точками ДВ при любом сопротивлении R_M = R₁ практически равно напряжению между точками АВ. Значит, падение напряжения на резисторе R₁ в режиме без обратной связи близко к нулю. Это возможно только при чрезвычайно малом токе во входной цепи. Малый ток I_вх свидетельствует, что R_вх чрезвычайно велико у ОУ в режиме без обратной связи.

4.3 Определить экспериментально входное сопротивление ОУ в режиме с обратной связью. Для этого тумблер режима работы ОУ поставить в положение «СОС» проделать измерения, аналогичные выполненным в пунктах 6.4.1-6.4.2. Убедиться, что напряжение между точками ДВ при любом значении R1 практически равно нулю. В этом случае, R_ВХ = U_ВХ /I_ВХ = U_ВХ /(U_ВХ /R_АД) = R_АД = R₁

что подтверждает теоретические положения.

4.4 Подключить входной зажим осциллографа к точке Д и переключить несколько раз тумблер обратной связи.

4.5 Убедиться, что при наличии обратной связи R_вх = R₁, а без обратной связивходное сопротивление весьма велико.

4.6 Тумблер режима работы ОУ поставить в положение "СОС".

5. Исследовать фазы выходного напряжения. Для этого:

5.1 Установить входное напряжение U₁ = 2 В.

5.2 Магазин R_м переключить на сопротивление, при котором коэффициент передачи активной цепи близок к единице, т.е. напряжение на выходе U₂ близко к входному U₁, переключатель "КАНАЛЫ" на ЭК перевести в среднее положение, при этом будут включены оба канала.

5.3 Тумблер "ВХ. 1 КАНАЛА" установить в положение "ВНУТР". При этом на экране окажутся два изображения: на первом канале – входное, а на втором – выходное.

5.4 Регуляторы "УСИЛ." в обоих каналах установить в такие положения, при которых каждое изображение занимает по две клетки. Регулятором "РАСХОЖДЕНИЕ" передвинуть изображение так, чтобы они не накладывались друг на друга.

5.5 Тумблер режима работы ОУ установить в положение СОС.

5.6 Зарисовать изображения при включенной и выключенной цепи обратной связи.

5.7 Установить переключатель на блоке Г2 в след. позицию: «». Повторить п.п 5.6

5.8 По окончании каждого измерения оба регулятора «ПОДСТРОЙКА» повернуть до отказа против часовой стрелки.

5.9 Установить переключатель Г2 в позицию «», для этого повернуть регулятор «ПОДСТРОЙКА 2» по часовой стрелке. Повторить п.п 5.6.

 

Содержание отчета

1 Наименование и цель работы.

2 Схема исследования (рисунок 4.1).

3 Заполненная таблица 4.1.

4. Расчет сопротивления обратной связи R₂.

5 Зарисованные изображения формы выходного напряжения при U₁ = 1В, R_M = 160, 5120 Ом в режимах с "СОС" и "Без ОС".

6. Зарисованные изображения входного и выходного сигнала согласно пункта

7. Сделать выводы по работе:

- о передаточных свойствах ОУ в различных режимах работы;

- о величине входного сопротивления ОУ;

- о свойствах работы ОУ, замеченных в процессе эксперимента.

8. Ответить на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

1 Приведите схему операционного усилителя с отрицательной обратной связью.

2 Чему равны коэффициент передачи по напряжению и входное сопротивление схемы предыдущего вопроса?

3 Какое максимальное напряжение может быть на выходе операционного усилителя?

4 Приведите эквивалентные схемы замещения операционного усилителя с обратной связью и без нее.

5 Поясните когда на выходе операционного усилителя будет сигнал прямоугольной формы.

6 Что такое отрицательное сопротивление?

7 Можно ли получить такое сопротивление с помощью операционного усилителя?

8 Какие еще преобразующие свойства операционного усилителя применяются в технике?

9 Поясните когда на выходе операционного усилителя появляются искажения?

 

Краткие теоретические сведения

Все цепи делятся на пассивные и активные.

Пассивными называются цепи, не содержащие усилительных элементов, а активными – содержащие (например, транзисторы). Операционный усилитель (ОУ) содержит несколько транзисторов, соединенных определенным образом и выполняется в микроэлектронном виде. Электрическая схема включения операционного усилителя приведена на рисунке 4.2.

 

Рисунок 4.2 – Электрическая схема включения операционного усилителя

 

ОУ – усилитель обладает разнообразными возможностями. Он имеет очень большой коэффициентом усиления μ (теоретически бесконечно большим), очень большое входное сопротивление и очень малое выходное сопротивление.

Для улучшения ряда характеристик в цепи с ОУ вводится обратная связь. В схеме с ОУ обратная связь осуществляется через сопротивление R₂ (рисунок 4.1). При этом часть выходного напряжения подается снова на вход ОУ.

Коэффициент передачи

К = (3)

в цепи ОУ с обратной связью определяется как

К = (4)

Таким образом, коэффициент передачи зависит от сопротивления обратной связи R₂.

Входное сопротивление ОУ с обратной связью равно R₁, а при отсутствии обратной связи весьма велико.

Следует иметь в виду, что все соотношения справедливы для ОУ до тех пор, пока U_вых равно или меньше напряжения источника питания. Если инвертируемый и неивертируемый КU_вх › U_пит, то на выходе ОУ появляются искажения.

Операционный усилитель имеет два входных зажима: инвертируемый и неинвертируемый. Если часть выходного напряжения подводится к инвертируемому (отрицательному) входу, как, например, в цепи рисунок 4.1, то обратная связь получается отрицательной. При этом ОУ обладает свойством переворачивать фазу напряжения, т.е. на выходе получается напряжение противоположной полярности.

Устройство, содержащая ОУ с двумя цепями обратной связи – отрицательной и положительной, дает возможность инвертировать сопротивления и, следовательно, получать отрицательные резистивные элементы.

 

Литература

4.1 Добротворский, И.Н. Теория электрических цепей./ И.Н. Добротворский. – М.: Высшая школа, 1989.

4.2 Методическое руководство к работе.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5