Практикум по курсу «Усилительные устройства», представлены теоретические сведения и основные характеристики оу, описание порядок выполнения лабораторных работ

Дифференциаторы
Схема :

Рис. 2.12

Дифференциатор создает на выходе напряжение, пропорциональное скорости изменения входного

Uвых = - RC
При дифференцировании усилитель должен пропускать только переменную составляющую входного напряжения и коэффициент усиления дифференцирующей схемы должен возрастать при увеличении скорости изменения входного сигнала.
Ток через конденсатор имеет вид
Ic = C
Напряжение на конденсаторе равно входному напряжению U1.
Если считать, что ОУ идеальный, то ток через сопротивление ОС можно считать равным току через конденсатор , т. е. Ir = Iс
Но Uвых = R Ir = - R Ic, поэтому Uвых = - RC
Уменьшение реактивного сопротивления Хс с увеличением частоты приводит к тому, что схема дифференциатора имеет высокий коэффициент усиления по отношению к высокочастотным составляющим на входе, даже если их частота лежит выше полосы частот полезного сигнала.
Схема имеет тенденции к потере устойчивости в той области частот, где частотная характеристика дифференциатора (имеющая подъем 6 дб/окт ) пересекается с имеющей спад 6 дБ/окт характеристикой скорректированного усилителя.

Рис. 2.13

Частотная характеристика разомкнутого контура ОС имеет в некоторой части своего частотного диапазона спад 12 дб/окт, при этих условиях возможно самовозбуждение.

Реальные дифференциаторы
В дифференциаторах применяется динамическая стабилизация.

Схема:

Рис. 2.14

Конденсатор Ск выбирается так, чтобы участок АЧХ со спадом 6 дб/окт начинался на частоте более высокой, чем максимальная частота полезного дифференцированного сигнала. Уменьшается доля ВЧ шумов в выходном сигнале.

Этот участок начинается на частоте F2 =
Сопротивление Rк ограничивает коэффициент усиления на BЧ, обеспечивает динамическую устойчивость.
Частотная характеристика скорректированного дифференциатора приведена на рис. 2.15

Рис. 2.15

Добавление Rк приводит к появлению на АЧХ горизонтального участка и прекращению дифференцирования на частотах, превышающих частоту:

Примеры дифференцирования сигналов
Подаем на вход синусоидальное напряжение.
Выходное напряжение:
Таким образом напряжение на входе изменяется по закону косинуса, т.е. dsinU = cosUdU
Подадим на вход сигнал треугольной формы:

Рис. 2.16

Выходной сигнал - это прямоугольное напряжение, частота которого равна частоте входного сигнала

таким образом, любому линейно изменяющемуся сигналу на входе дифференциатора соответствует постоянный выходной сигнал, величина которого пропорциональна крутизне входного сигнала; этот выходной сигнал остается постоянным в течении всего времени, пока входной сигнал сохраняет постоянный наклон.
На вход подаем прямоугольный сигнал:

Рис. 2.17

Участки входного сигнала, на которых его значение постоянно не дают никакого напряжения на выходе дифференциатора, так как производная постоянной величины равна нулю.

Участки нарастания и спада импульсов можно аппроксимировать наклонными прямыми. Так как tн = tс выходное напряжение во время нарастания равно выходному напряжению во время спада и противоположно ему по закону. Ненулевое выходное напряжение вообще появляется только во время спада или нарастания импульсов:



Выводы:
Напряжение на выходе интегратора пропорционально среднему по времени от его входного напряжения. АЧХ интегратора должна иметь спад - 6 дб/окт в диапазоне частот, в котором схема используется как интегратор.
Выходное напряжение интегратора удовлетворяет уравнению:

Если интегратор используется для интегрирования переменных напряжений, то для уменьшения его чувствительности к дрейфу напряжения сдвига и к заряду конденсатора током смещения следует параллельно С включать корректирующее сопротивление Rp. Для получения хорошей точности нижняя граничная частота должна быть задана на уровне не более 1/10 наинизшей частоты интегрирующего сигнала; при наличии Rp эта граничная частота равна: .
Если интегратор используется для интегрирования медленно меняющихся сигналов, то конденсатор интегратора следует периодически разряжать, чтобы за счет тока смещения, не появилась чрезмерная ошибка.
Если R и Rp выбирать так, чтобы обеспечить желательный коэффициент усиления по напряжению, а С выбирать так, чтобы задать желательную первую граничную частоту, то интегратор можно использовать как RC - фильтр НЧ с усилением.
Выходное напряжение дифференциатора пропорционально скорости изменения входного напряжения. Выражение для выходного напряжения дифференциатора имеет вид:

коэффициент усиления дифференциатора должен расти с наклоном 6 дб/окт в диапазоне частот, в котором схема используется как дифференциатор. Такая АЧХ обеспечивается применением конденсатора на входе.
Во избежании появления не желательных ВЧ шумов на выходе дифференциатора его следует корректировать.
Для осуществления коррекции параллельно R включается конденсатор Ск для получения хорошей точности Ск надо выбирать таким образом, чтобы частота приблизительно в 10 раз превышала наибольшую частоту дифференцируемого сигнала.
Так как дифференциатор имеет емкостной вход, следует во избежании перегрузки источники напряжения: Uвх включать последовательно с C сопротивление Rк. Это сопротивление выбирается так, чтобы выполнялось равенство: