Исследование операционного усилителя в режимах активного фильтра и генератора (Лабораторная работа № 14)

Лабораторная работа № 14

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

В РЕЖИМАХ АКТИВНОГО ФИЛЬТРА И ГЕНЕРАТОРА

Цель работы: исследование операционного усилителя с частотно-зависимыми RC-цепями обратной связи в режимах активного фильтра и генератора синусоидальных колебаний.

Общие сведения

Усилители напряжения, например, на биполярных транзисторах, и операционные усилители являются широкополосными, так как обладают примерно постоянным коэффициентом усиления в широком диапазоне частот. Часто необходимо сузить полосу усиливаемых частот, т.е. осуществить избирательное усиление с целью выделения или подавления какой-либо одной частоты из широкого спектра частот. Для этого в схему усилителя вводятся частотно-зависимые элементы, образующие обратную связь между выходом и входом усилителя, по которой часть выходного напряжения через частотно-зависимую цепь обратной связи поступает на вход усилителя (рис. 14.1). Так, если коэффициент усиления самого усилителя , а коэффициент передачи цепи обратной связи , то при  получаем значение коэффициента усиления усилителя, охваченного цепью обратной связи, .

Если произведение  вещественно и положительно, то коэффициент усиления усилителя с обратной связью  увеличивается и такая обратная связь называется положительной (ПОС). Если же  вещественно и отрицательно, то  снижается, а обратная связь называется отрицательной (ООС). При ПОС коэффициент усиления  возрастает при 0 <  < 1. Если же  ≥ 1, то  становится бесконечно большим, что соответствует возбуждению усилителя, т. е. устойчивому генерированию колебаний с частотой, определяемой цепью обратной связи. Поэтому ПОС находит применение в генераторах колебаний, а ООС применяется для улучшения качественных показателей усилителей и построения избирательных усилителей или активных фильтров.

Условие самовозбуждения усилителя  ≥ 1 можно разбить на два условия:

 ≥ 1 – условие баланса амплитуд;

φ_у + φ_ос = 0; 2π; 4π; … – условие баланса фаз, где φ_у, φ_ос – фазовые сдвиги, вносимые усилителем (активным элементом) и цепью обратной связи соответственно. Из условия баланса фаз следует, что самовозбуждение инвертирующих усилителей (φ_у = π) возникает тогда, когда и цепь обратной связи изменяет фазу напряжения обратной связи относительно выходного напряжения на π. Самовозбуждение неинвертирующих усилителей (φ_у = 0) возможно, если цепь обратной связи не вносит фазового сдвига либо поворачивает фазу напряжения обратной связи на целое число периодов.

Как известно, с изменением частоты изменяются индуктивные и емкостные сопротивления. Поэтому на высоких частотах применяются избирательные (частотно-зависимые) LC-цепи. В области низких частот используются преимущественно избирательные RC-цепи, т. к. при низких частотах LC-цепи имеют большие габариты и массу.

Избирательные RC-цепи можно разбить на две группы:

‑ цепи, изменяющие фазу сигнала определенной частоты на 180^° (рис. 14.2);

‑ цепи без фазового сдвига сигнала (рис. 14.3).

Рис. 14.2

Рис. 14.3

Цепи без фазового сдвига весьма разнообразны и их можно разделить на три группы в зависимости от значения β:

‑ цепи, у которых на выделяемой частоте (частоте резонанса) β имеет максимум (рис. 14.3, а);

‑ цепи, у которых на выделяемой частоте β имеет минимум (рис. 14.3, б);

‑ цепи, у которых на выделяемой частоте β = 0 (рис. 14.3, в).

В лабораторной работе исследуется операционный усилитель, имеющий цепи и положительной, и отрицательной обратных связей (рис. 14.4).

Положительная обратная связь (с выхода операционного усилителя на его неинвертирующий вход) образована частотно-зависимым звеном (рис. 14.3, а), называемым мостом Вина, и служит для выделения резонансной частоты . Отрицательная обратная связь (с выхода операционного усилителя на его инвертирующий вход) обеспечивает необходимый коэффициент усиления резонансной частоты путем изменения сопротивления R_ос.

Предварительное задание к эксперименту

1. Рассчитать резонансную частоту, если номинальные значения резисторов и конденсаторов частотно-зависимой ПОС (мост Вина) равны: