Моделирование электронных устройств в среде MultiSim

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





К.Ю. ПИНИГИН, В.А. ЖМУДЬ





МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ В СРЕДЕ MULTISIM
Учебно-методическое пособие














НОВОСИБИРСК

2012

УДК 621.38 : 004.42(075.8)
      П 326



Рецензент
д-р техн. наук, проф. Г.А. Французова

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия

        Пинигин К.Ю.

П 326 Моделирование электронных устройств в среде MultiSim: учеб.-метод. пособие / К.Ю. Пинигин, В.А. Жмудь.- Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012- 74 с.

         ISBN978-5-7782-2106-2

         Пособие предназначено для студентов очного и заочного отделения, обучающихся по направлению подготовки 220200.62 «Автоматизация и управление», по дисциплине «Моделирование систем», (бакалавр, 4 курс), в качестве практикума по программированию однокристальных микроконтроллеров
         Пособие содержит учебные материалы и методические рекомендации по самоконтролю (вопросы для самопроверки).
         Работа выполнена по заданию Министерства образования и науки РФ, проекты № 7.559.2011 (Гемплан).
         Для успешного овладения курсом требуется успешное обучение по ранее изученным курсам «Программирование и основы алгоритмизации», «Электроника», «Схемотехника».




УДК 621.38 : 004.42(075.8)




ISBN 978-5-7782-2106-2

                   © Пинигин К.Ю., Жмудь В.А., 2012 © Новосибирский государственный технический университет, 2012

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1


            ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ


ЦЕЛЬ РАБОТЫ
   Изучение принципа работы операционных усилителях и исследование характеристик устройств на их основе: инвертирующего усилителя, интегратора, дифференциатора и избирательного усилителя.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

        1. НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ ОУ

   Операционный усилитель (ОУ) - это малогабаритный (в интегральном исполнении отечественных серий К140, К544, К553, КР1040УД, КР1435 и др. и импортных серий AD8041, ОР275, LM339 и др.) многокаскадный усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами и большим коэффициентом усиления.
   Операционные усилители предназначены как для усиления электрических сигналов, так и для осуществления различных операций над сигналами: сложение, вычитание, интегрирование, логарифмирование и др. Кроме этого, операционные усилители часто используют при конструировании компараторов, генераторов гармонических колебаний и сигналов различной формы, избирательных усилителей и других устройств. Такие усилители имеют симметричный дифференциальный высокоомный вход, высокий коэффициент усиления, низкоомный (сравнительно мощный) выход и сконструированы таким образом, что к ним могут быть подключены различные корректирующие цепи и цепи обратной связи.
   Функциональная схема типового ОУ представлена на рис. 1.1, а, а его условное обозначение - на рис 1.1,6. Входной дифференциальный каскад ОУ, обычно реализуемый на полевых транзисторах, обеспечи

3

вает высокое входное сопротивление. Выходным каскадом является двухтактный усилитель мощности с низким выходным сопротивлением (эмиттерный повторитель, работающий в режиме усиления В или .О). В настоящее время ОУ проектируют по двухкаскадной схеме.

ивых

ДУ - дифференциальный усилитель
УН - промежуточный усилитель ЭП - эмиттерный повторитель

+ип

Входы

Выход

■о

■U„

— I

а

б

Рис. 1.1

   Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий (И) и неинвертирующий (Н). Их название связано с тем, что в первом случае выходное напряжение находится в противофазе с входным, а во втором случае - в фазе с входным напряжением. Для питания ОУ обычно используют два разнополярных источника питания +Uₙ и -Uₙ или один биполярный источник, а его среднюю точку соединяют с общей шиной (заземляют), относительно которой измеряются напряжения + Uₙ и -Uₙ, равные ±ЗВ ...± 15 В. Для получения нужных свойств к дополнительным выводам ОУ подключают звенья обратной связи.



        2. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ОУ

   Без обратных связей ОУ не применяется из-за его большого коэффициента усиления (для идеального ОУ Ки = да; RBX = да; RBbLV = 0 и бесконечная полоса частот усиливаемого сигнала), вследствие чего даже незначительная асимметрия плеч входного дифференциального усилителя или весьма малое входное напряжение могут привести к насыщению ОУ (формированию на выходе ОУ напряжения, близкого по уровню к напряжению питания) и его неспособности обрабатывать входные сигналы.
   Подключив звено отрицательной обратной связи (ООС), состоящее из двух резисторов (делителя), например, Rос ® 200 кОм и R₁ ® 5 кОм между выходом и инвертирующим входом и соединив вход Н с общей

4

точкой, получим инвертирующий усилитель (рис. 1.2, а) с фиксированным коэффициентом усиления, амплитудная характеристика которого ивьк = f (ивх) изображена на рис. 1.2, б, на которой напряжение смещения С7см = £/ВЬ₁Х,₀ / Ки.ос (при ивых = 0) есть приведенный к входу ОУ дрейф нуля С7вых,₀ при t/BX = 0 от всех дестабилизирующих факторов.
   Схема неинвертирующего усилителя и его амплитудная характеристика представлены на рис. 1.2, в, г.

Д ивых

Рис. 1.2

ивых

вх

   Основными параметрами ОУ с ООС являются:
   •    коэффициент усиления напряжения Ки,ос = ДиВЬ₁Х / Дивх, где Дивх -разность потенциалов между входными выводами, и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ (Ки = 10⁵.. .10⁶). Для инвертирующего ОУ с ООС Ки,ос приближенно определяется отношением сопротивлений резисторов Rос и R₁ звена ООС по напряжению, т. е. Ки,ос ® -Rос / R₁.

5

   Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя (см. рис. 1.2, в) '„ .ое * RОС/ R + 1.

   Максимальное значение напряжения, при котором нелинейные искажения пренебрежительно малы, UBbKₘₐₓ = Kiy ~ (0,8...0,9)Uₙ, т. е. меньше напряжения питания Uₙ на 0,5 ...3 В в зависимости от уровня U„;

   •    входное сопротивление для разностного сигнала между входами ОУ на низкой частоте RBX ® 10³.10⁷ Ом;
   •    выходное сопротивление RBbIX <100 Ом;
   •     входное напряжение смещения нуля UCM (единицы милливольт) -дифференциальное напряжение, которое нужно приложить между входами ОУ, чтобы его выходное напряжение в отсутствие входных сигналов стало равно нулю;
   •    частота среза/„, соответствующая спаду АЧХ ОУ на 3 дБ;
   •     частота единичного усиления f, (достигает сотен мегагерц), т. е. частота, при которой Ки =1;
   •     скорость нарастания выходного напряжения (v ® 1.100 В/мкс) при подаче ступенчатого напряжения на вход и коротком замыкании выхода на инвертирующий вход;
   •    время установления выходного напряжения (фст = 0,05.2 мкс) от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения.
   Одним из важных достоинств ОУ является подавление (ослабление) синфазного сигнала ивх.Сф = (ивх₁ + ивх₂)/2, соответствующего равным по значению и одинаковым по знаку напряжениям, приложенным к обоим входам. Коэффициентом ослабления синфазного сигнала


K^= 201g (Ки .Ое/К Ф) = 60.120 дБ,


где Ки.ое - коэффициент усиления напряжения ивх.Сф, приложенного между входными выводами ОУ, т. е. разностного напряжения Ди = = ивх1 - ивх₂; КСф = ивьк.сф / ивх.Сф - коэффициент усиления напряжения ивх.сф, приложенного между общей шиной и каждым входом ОУ. Чем больше К₀С.Сф, тем меньшую разность входных сигналов сможет различить ОУ на фоне большого синфазного напряжения.
   Формирование напряжения на выходе ОУ в отсутствие входных сигналов (дрейф нуля) обусловлено неполной идентичностью напряжений эмиттерных переходов транзисторов входного дифференциального усилителя, изменением температуры окружающей среды, параметров источников питания, старением активных элементов схемы и т.


6

п. Введением внешних цепей коррекции (балансировки), подключаемых к специально предусмотренным для этой цели выводам ОУ, можно компенсировать погрешности, обусловленные действием всех перечисленных выше дестабилизирующих факторов, приводящих к дрейфу нуля.

        3. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ НА ОСНОВЕ ОУ

   На основе ОУ строят функциональные узлы для выполнения различных математических операций (рис. 1.3): повторитель (а), выходной сигнал которого практически равен входному, интегратор (б), выходной сигнал которого пропорционален интегралу по времени от его входного сигнала, дифференциатор (<?), выходной сигнал которого пропорционален производной от его входного сигнала, избирательный усилитель (г), усиливающий входной сигнал в узкой полосе частот, сумматор (А), выходное напряжение которого равно инвертированной сумме входных напряжений, и др.
   Параметры компонентов схемы определяют из условия получения приемлемой точности выполнения операций. Например, для уменьшения ошибки интегрирования и влияния входного тока и напряжения смещения параллельно конденсатору С интегратора (см. рис. 1.3, б) подключают резистор, сопротивление которого значительно больше сопротивления R₁.
   С той же целью в дифференциаторе последовательно с конденсатором С (см. рис. 1.3, в) включают резистор. Кроме того, при моделировании процессов интегрирования и дифференцирования входных сигналов (импульсов), исходя из свойств ОУ и скорости изменения входных импульсов, определяют допустимую максимальную длительность входного сигнала для интегратора и минимальную для дифференциатора.
   Диапазон интегрирования реального интегратора ограничен снизу частотой сигнала госн = 1/RC(Kw + 1), а сверху частотой госв = (К + + 1)/тоу, где тоу - постоянная времени ОУ, а допустимое максимальное время интегрирования t„,тах << т = RC. При этом в интеграторе должны быть введены внешние цепи принудительного его обнуления, так как выходное напряжение интегратора равно

1              1 %и
w= U₀ +------ [iCdt = U₀----[— dt,
ВЫХ  ВХ О х—г С C   ВХ О г-1 J d J
⁽-'0С О        ⁽-'ос О R1
где f/Bₓ₀ - значение напряжения на зажимах конденсатора в момент начала новой волны интегрирования периодического сигнала.


7

<S>№

и

ивъа ® ивх

ивых

R1

Roc

                      R1
               и 2 о_|-                      R i и 3 0—1


<?>гс>

ивых

ивьix-—~( и 1 + и 2 + и з⁾ Ri


д
Рис. 1.3
   На практике при интегрировании выбирают постоянную времени звена обратной связи т = RC, по крайней мере, в 10...100 раз больше длительности входного сигнала, а при дифференцировании ее выбирают в 10.100 раз меньше длительности нарастания фронта входного сигнала и, тем более, существенно меньше его длительности.


8