Операционный усилитель

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра автоматики и телемеханики

Методические указания по лабораторной работе

Дисциплина "Электроника"

Операционный усилитель

Для студентов специальности 21.01.00

"Управление и информатика в технических системах"

Киров 1997 г.

УДК 621.375

Составитель: к.т.н., доцент А.М. Ланских

Рецензент: к.т.н., доцент А.Г. Корепанов,

кафедра "Конструирование и технология электронно-вычислительных систем"

Редактор А. Н. Корсаков

ЛР № 020519 от 20.06.97 г.

Подписано в печать14. 07. 97Усл. печ. л. 1,5

Бумага типографскаяПечать матричная.

Заказ № 257Тираж 50Бесплатно.

Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного автором

610 000, г. Киров, ул. Московская, 36.

Оформление обложки, изготовление - ПРИП

© Вятский государственный технический университет, 1997

Права на данное издание принадлежат Вятскому государственному техническому университету

Операционные усилители занимают особое место среди аналоговых интегральных микросхем, предназначенных для усиления, преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Операционные усилители (ОУ) являются наиболее универсальным многофункциональным базовым элементом для построения многих узлов, используемых не только для линейного преобразования, усиления и обработки сигналов, но и для нелинейного преобразования.

Целью лабораторной работы является изучение основных свойств операционных усилителей, определение их параметров по экспериментальным данным, исследование основных линейных звеньев на ОУ.

операционный усилитель интегратор дифференциатор

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Операционные усилители

Операционным усилителем (ОУ) принято называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и несимметричным выходом, характеризующийся высоким коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлениями, а также низким уровнем шума при хорошей температурной стабильности. ОУ способен устойчиво работать при замкнутой цепи обратной связи.

Входной каскад операционного усилителя выполняется в виде дифференциального усилителя, поэтому он имеет два входа и реагирует только на разность приложенных напряжений, т.е. на дифференциальный сигнал.

По габаритным размерам и стоимости ОУ мало отличаются от отдельно взятого транзистора. Реализация различных устройств с применением ОУ значительно проще, чем на отдельных транзисторах, одновременно получается выигрыш в габаритах и массе.

Согласно ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) обозначения элементов аналоговой техники, к числу которых относится и ОУ, выполняют на основе прямоугольника (рис 1а). Он может содержать основное и одно или два дополнительных поля, расположенных по обе стороны от основного. На схемах усилитель обозначается треугольником на основном поле. Справа от него указывают коэффициент усиления. Если конкретное значение коэффициента усиления несущественно, его допускается не указывать (можно также выносить знак бесконечности ).

Выводы ОУ делятся на входные, выходные и выводы, не несущие функциональной нагрузки, к которым подключаются цепи напряжения питания и элементы, обеспечивающие нормальную работу ОУ. Входы показывают слева, выход - справа.

Большинство ОУ имеют один несимметричный выход и два входа, симметричных по отношению к общему проводу. Прямые входы и выходы обозначают линиями, присоединенными к контуру графического изображения ОУ без каких - либо знаков, а с кружками в месте присоединения - инверсные входы и выходы. Прямой вход еще называют неинвертирующим, так как фаза выходного сигнала совпадает с фазой сигнала, поданного на его вход. Другой вход называют инвертирующим, так как фаза выходного сигнала сдвинута на 180° относительно входного сигнала (на средних частотах и при чисто активной нагрузке). Поэтому входы оказывают на выходное напряжение равное в количественном отношении, но противоположное по знаку, влияние. Если к входам приложены синфазные, действующие одновременно, одинаковые по величине и фазе относительно общего провода сигналы, то их влияние будет взаимно скомпенсировано и выход будет иметь нулевой потенциал. Благодаря этому параметру, ОУ мало чувствительны к изменениям напряжения питания, температуры и других внешних факторов. Напряжение на выходе ОУ должно быть лишь в том случае, когда на его входах действуют различные по уровню и фазе сигналы. Выходное напряжение пропорционально разности уровней входных сигналов, называемой дифференциальным сигналом. Выходное напряжение ОУ измеряется относительно общего провода.



Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и отрицательными входными сигналами, требуется двухполярное питающее напряжение. При двухполярном питании постоянное напряжение на несимметричном выходе отсутствует при условии, что постоянных напряжений на входе ОУ нет.

Наличие рассмотренных выводов необходимо для функционирования ОУ. К вспомогательным относятся: выводы с метками FC - для подсоединения цепи, корректирующей АЧХ ОУ, выводы NC - для подключения элементов балансировки по постоянному току (установки нуля на выходе при U1 = U2 = 0, а также вывод металлического корпуса () для соединения с общим проводом устройства, в которое входит ОУ.

Для большей наглядности схем допускается упрощенное обозначение ОУ, в котором сохраняется лишь основное поле и сигнальные выводы (рис. 1б). Общий провод также может быть не показан.

На рис. 2 показана цоколевка ОУ К140УД7. ОУ специально созданы для использования в схемах с глубокой отрицательной обратной связью (ООС) так, чтобы параметры устройств определялись преимущественно параметрами цепи ООС, а сам он был функционально незаметен. Такой ОУ по своим характеристикам должен приближаться к идеальному. С идеальным ОУ обычно связывают следующие свойства: бесконечно большой коэффициент усиления в бесконечно большой полосе пропускания, бесконечное входное и нулевое выходное сопротивление. Кроме того, усилитель не должен иметь статических ошибок, изменяющихся от температуры и времени.

Эти свойства даже теоретически полностью не могут быть достигнуты, так как большая часть из них требует бесконечной мощности выходного сигнала при малых геометрических размерах полупроводниковой структуры. Поэтому в каждом случае можно говорить лишь о доступной степени приближения к идеальным свойствам. Например, если коэффициент усиления устройства, определяемый цепью ОС, равен 10, то коэффициент усиления собственно операционного усилителя, т.е. без ОС, равен 105 , и с практической точки зрения достаточно близок к бесконечности. На рис. 3 приведена передаточная характеристика ОУ (1 - для прямого входа, 2 - для инверсного входа).

Как и все электронные приборы, операционные усилители характеризуются своими параметрами - основными показателями, по которым выбирают тот или иной прибор для применения в реальной схеме.

1.2 Основные параметры операционных усилителей

Входное сопротивление - дифференциальное сопротивление по переменному току на входе

Rвх диф = Uвх диф / Iвх

- отношение приращения дифференциального входного напряжения к соответствующему приращению тока неинвертирующего входа в режиме короткого замыкания.

Идеальное Rвх диф . Реальное Rвх в зависимости от схемы входного каскада ОУ составляет от 4 кОм до десятков мегаОм. Большое Rвх позволяет обеспечить управление усилителем при наименьших затратах мощности источником сигнала и передать на вход ОУ без потерь напряжение источника сигнала.

Обычно в ОУ происходит большое подавление синфазной составляющей, и поэтому входное синфазное сопротивление Rвх сф на несколько порядков больше Rвх диф.

Средний ток Iвх - среднее арифметическое значение постоянных токов инвертирующего и неинвертирующего входов в отсутствие сигнала. Обычно Iвх не превышает сотен наноампер.

Входной ток сдвига

Iвх = Iвх+ - Iвх-

- разность между входными токами. Входной ток сдвига в несколько раз меньше среднего входного тока.

Напряжение смещения Uсм - напряжение постоянного тока, которое должно быть приложено к дифференциальному входу ОУ, чтобы его Uвых = 0. Обычно составляет не более единиц милливольт.

Дрейф выходного напряжения смещения

Есм = Uсм / Т°С

- отношение изменения входного напряжения смещения к изменению окружающей температуры. Обычно составляет 1...5 мкВ / °С.



Выходное сопротивление Rвых - внутреннее сопротивление выхода ОУ. Идеальное Rвых 0, при этом все выходное напряжение выделяется без потерь в нагрузке. Реальное Rвых составляет единицы и сотни Ом.

Коэффициент усиления

КU оу = Uвых / Uвх диф = Uвых / (U1 - U2)

- отношение изменения Uвых к соответствующему изменению разности входных напряжений при замкнутой цепи обратной связи. В идеальных ОУ КU оу , в реальных ОУ КU оу составляет от сотен до сотен тысяч. Так как Uвых ограничено напряжением источника питания, которое обычно не превышает 10...15В, то при очень больших коэффициентах усиления Uвх очень мало. При больших Uвх транзисторы попадают в режим насыщения.

Полоса пропускания - полоса частот, в которой КU оу (f) уменьшается не более, чем до 0,707 своего максимального значения КU оу при неизменной амплитуде на входе.

Идеальная полоса пропускания ОУ . Реальная полоса пропускания ограничена. Максимальную частоту полосы пропускания иногда называют fср - частотой среза. На частоте среза коэффициент усиления

КU оу fср = КU оу / = 0,707 КU оу

Иногда указывается частота единичного усиления f1, при которой коэффициент усиления уменьшается до 1.

Скорость нарастания выходного напряжения

VU вых = Uвых / t

- отношение приращения Uвых к интервалу времени t, за который происходит это приращение при подаче на вход прямоугольного импульса. Чем выше частота среза, тем больше скорость нарастания выходного напряжения.

Время установления выходного напряжения tнар - время, в течение которого Uвых ОУ изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения Uвых при воздействии на вход ОУ прямоугольных импульсов. Время установления обратно пропорционально частоте среза.

Максимальный выходной ток Im вых - предельная амплитуда выходного тока, который может быть дан в нагрузку.

Максимальная мощность рассеивания Рмакс - максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна ОУ при наличии входного напряжения и подключенной нагрузке. Операционный усилитель К140УД7 относится к ОУ среднего класса точности с внутренней частотной коррекцией. Подсоединение конденсатора емкостью 68 пФ между выводами 2 и 8 при инверсном включении увеличивает скорость нарастания выходного напряжения до 20 В/мкс. Схема включения усилителя приведена на рис. 4а. Амплитудно-частотная характеристика К140УД7 (рис. 4б) носит традиционный для усилителя постоянного тока характер, имеет падающий участок в области высоких частот, что соответствует математическому описанию ОУ в виде коэффициента передачи звена первого порядка (для откорректированного усилителя)

КU оу (р) = КU оу / (1 + р оу),(1)

где оу = КU оу / 2f1

- постоянная времени ОУ.

Основные параметры ОУ К140УД7:

Коэффициент усиления по напряжению (КU оу)	> 50000
Частота единичного усиления, мГц (f1)	> 0,8
Напряжение источника питания, В (±Uп)	±15
Потребляемый ток, мА (Iпот)	< 2,8
Максимальная амплитуда выходного напряжения, В (IUвых)	11,5
Напряжение смещения, мВ (Uсм)	4
Ток входной, нА (Iвх)	< 200
Разность входных токов, нА (Iвх)	< 50
Сопротивление входное, мОм (Rвх)	> 0,4
Сопротивление выходное, Ом (Rвых)	< 150
Температурный дрейф напряжения смещения, мкВ / град (Uсм / Т°С)	< 6
Скорость нарастания выходного напряжения, В / мкс (VU вых)	0,7
Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ (Кос сф)	70
Напряжение синфазного сигнала (максимально допустимое), В (Uвх сф макс)	15
Сопротивление нагрузки (минимально допустимое), кОм (Rн)	2

1.3 Линейные звенья на ОУ

При анализе схем на ОУ [5, 6, 7] обычно принимают следующие упрощающие предположения (при Rвх оу и КU оу):

1) входы ОУ не потребляют тока;

2) напряжение между входами ОУ равно нулю. Последнее предположение следует из того, что при Квх оу напряжение на выходе ОУ

Uвых = КU оу (U1 - U2)(2)

всегда конечно и по значению меньше напряжения питания Uп, что может иметь место только при

U1 - U2 = 0 или U1 = U2, где U1 и L2

- напряжения на входах ОУ.

Инвертирующий усилитель (рис. 5) представляет собой ОУ, охваченный цепью параллельной отрицательной обратной связи по напряжению на резисторах Rос, R1. Цепи частотной коррекции и установки нуля на рис. 5 не показаны. Входной сигнал подан на инвертирующий вход. Неинвертирующий вход заземлен через резистор R2, сопротивление которого для снижения величины токового дрейфа выбирается:

R2 = Roс || R1 = Roc R1 / (Roc + R1).

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен и разность напряжений между входами

U = Uвых / Квx оy

пренебрежимо мала, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли. Поэтому

Iвх = Uвх / R1.

Так как входы ОУ не потребляют тока, то

Iос = Iвх = Uвх / R1.

Выходное напряжение, то есть напряжение на выходном выводе относительно общей шины, можно найти как падение напряжения от тока Iос на резисторе Rос, т. е.

Uвых = - Roc Ioc = - Uвх Rос / R1.

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя

(3)

При заданной э.д.с. источника сигнала Ег с внутренним сопротивлением Rг 0 формула (3) примет вид

(4)

Ток выходной цепи ОУ, протекающий через резисторы Rн и Rос, включенные параллельно для приращений тока

(5)

не должен превышать нескольких миллиампер.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя при идеальном ОУ определяется сопротивлением резистора R1, Rвх инв = R1. Выходное сопротивление Rвых инв 0. Для реального ОУ с Rвх оу , КU оу можно получить формулу [6], считая Rвых оу = 0.

(6)

Выражение (6) позволяет оценить погрешность величины КU инв при установке в схему любого ОУ данного типа с учетом разброса значений КU оу и Rвх оу.

Погрешность определяется вторым членом в знаменателе выражения (6) и уменьшается при увеличении КU оу и Rвх оу. Так как величина КU оу уменьшается с ростом частоты, то погрешность КU инв зависит от диапазона частот, в котором работает усилитель, и увеличивается в области высоких частот.

Входное сопротивление усилителя, выполненного на реальном ОУ [6] (Rвых оу считается равным нулю),

Rвх инв = R1 + Rвх оу Rос / [Rвх оу (1 + КU оу) + Rос](7)

а выходное сопротивление усилителя [6]

Rвых инв = Rвых оу / P = Rвых оу KU инв / KU оу(8)

где Р = КU оу / КU инв

- глубина параллельной отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель.

Напряжение статической ошибки инвертирующего усилителя на ОУ определяется выражением

(9)

Если R2 (1 + Rос / R1) = Rос, то есть R2 = Rос || R1, то

(10)

Напряжение ошибки, вызванной влиянием Uсм и входными токами ОУ, может быть скомпенсировано путем введения цепей компенсации ошибки (цепей балансировки нуля), схема балансировки для К 140УД7 приведена на рис. 4а.

Для уменьшения составляющей Uвых ош, вызванной входными токами ОУ, применяют ОУ с полевыми транзисторами на входе или уменьшают номиналы резисторов Rос и R1. Выбор R1 производят из условия, что падение напряжения на нем от среднего входного тока Iвх меньше входного сигнала на порядок, то есть Iвх R1 0,1Uвх мин.

Изменение напряжения ошибки при изменении температуры представляет собой дрейф усилителя на ОУ. Дрейф выходного напряжения, вызванный изменением температуры на 1°С, можно найти с учетом выражения:

(11)



где /

- дрейф напряжения смещения и - дрейф разностного входного тока являются справочными данными [1]. Дополнительная погрешность усилителя на ОУ создается за счет изменения напряжения питания схемы. Для оценки влияния изменения величины питания Uп в справочниках приводятся значения коэффициента ослабления влияния напряжения питания КU внп,

или Квлп - коэффициент влияния нестабильности источника питания на напряжение смещения, имеющий размерность мкВ / В и показывающий изменение Ucм при заданном изменении Uп. Для К140УД7 Квлп = 150 мкВ / В.

Неинвертирующий усилитель (рис. 6а) представляет собой ОУ, охваченный цепью последовательной отрицательной обратной связи по напряжению на резисторах Rос, R1. Входной сигнал подан на неинвертирующий вход. Выражение для коэффициента усиления этой схемы можно получить, используя условие равенства напряжений на входах ОУ и считая ОУ идеальным. Тогда

(12)

Отсюда коэффициент усиления схемы

(13)

Наличие R1 (внутреннего сопротивления источника сигнала) не влияет на значение коэффициента усиления схемы, так как входные токи ОУ равны нулю. Для реальных ОУ сопротивления во входных цепях делают равными для уменьшения токовой составляющей погрешности Uвых ош.

Вследствие наличия в схеме неинвертирующего усилителя последовательной отрицательной ОС по напряжению, его входное сопротивление возрастает в F раз. При неидеальном ОУ

Rвх неинв = Rвх оу F Rвх оу KU оу / KU неинв(14)

Выходное сопротивление определяется формулой (8), где КU инв заменяется на КU неинв.

Если в схеме рис. 6а принять R1 = , Rос = 0, то KU неинв = 1 и Uвых = Uвх то есть схема рис. 6б выполняет функции повторителя напряжения с коэффициентом передачи, равным единице, входным сопротивлением Rвх повт = Rвх оу КU оу и выходным сопротивлением Rвых повт = Rвых оу / КU оу.

Расчетное значение входного сопротивления повторителя получается высоким (~ 1012 Ом), но практически это значение не достигается за счет влияния шунтирующего действия утечек и синфазного входного сопротивления ОУ (сопротивление между входами ОУ и землей).

Напряжение статической ошибки в неинвертирующем усилителе по сравнению с инвертирующим усилителем увеличивается за счет синфазной составляющей Uвых ош сф, так как в этой схеме на обоих входах всегда присутствует синфазный сигнал, равный Uвх,

Uвых ош сф = Uвх KU сф = Uвх KU неинв / Kос сф(15)

Тогда с учетом выражения (9) общее напряжение статической ошибки на выходе схемы рис. 6 определяется как

При необходимости более точной оценки параметров линейного звена в инвертирующем или неинвертирующем включении ОУ с учетом неидеальности усилителя (Rвх оу , Rвых оу , КU оу ) следует использовать выражения, приведенные в табл. 1.1. и 1.2. [5]. Подстановка в табличные соотношения коэффициента передачи ОУ в операторной форме (1) позволяет получить выражения КU (р), Rвых (р), Rвх (р) и при последующей замене р = jW найти комплексные функции, дающие возможность оценить частотные зависимости входного сопротивления, выходного сопротивления и коэффициента усиления инвертирующей или неинвертирующей линейной схемы на ОУ.

Интегрирующее звено представляет собой линейную схему на ОУ, в которой в цепи отрицательной обратной связи применен реактивный элемент (индуктивность или емкость). Для построения активного интегратора может использоваться как инвертирующее, так и неинвертирующее включение ОУ.

Простейшая схема инвертирующего интегратора на ОУ с использованием емкости представлена на рис. 7. [7]. Этот интегратор имеет передаточную функцию КU (р) = Xс (р) / R1 = - l / pR1 C, в соответствии с которой

(16)

Идеальное интегрирование было бы возможно только при идеальном ОУ. Если же учесть коэффициент усиления ОУ КU оу и входное сопротивление ОУ Rвх оу, то коэффициент передачи [7]

(17)

Если Rвх оу >>R1, и КU оу >>1, то соотношение (17) упрощается:

(18)

Для гармонического входного сигнала, считая что p=jw, комплексный коэффициент передачи интегратора

КU (j = - КU оу / (1 + jR1C КU оу),

а его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определяется как:

Таблица 1.1 Формулы для расчета инвертирующего усилителя

Параметры	Формула для расчета
Коэффициент усиления по напряжению
Входное сопротивление
Выходное сопротивление	где - синфазное входное сопротивление параллельно соединенных входов ОУ по отношению к земле

Таблица 1.2 Формулы для расчета неинвертирующего усилителя

Параметры	Формула для расчета
Коэффициент усиления по напряжению
Входное сопротивление
Выходное сопротивление

(19)

где

- постоянная времени интегратора.

В логарифмическом масштабе (ЛАЧХ) характеристики ОУ и интегратора представлены на рис. 7б. Если в схему рис. 7а ввести R2, ограничивающий коэффициент усиления схемы величиной |КU сх| = R2 / R1 , то ЛАЧХ интегратора приобретает вид графика, изображенного на рис. 7б прерывистой линией.

Если на входе простейшего интегратора в момент времени t1 (рис. 7в) напряжение изменится скачком от нуля до Uвх m, то напряжение на его выходе будет изменяться не линейно, как это было бы в случае идеального интегратора, а экспоненциально [7]

(20)

где - начальное напряжение на выходе преобразователя при t t1.

Входной ток ОУ и напряжение смещения ОУ приводят к дополнительным погрешностям интегратора. Погрешности вносимую входным током, можно скорректировать, устанавливая между неинвертирующим входом и корпусом резистор, имеющий сопротивление R1. Погрешность, вносимую напряжением смещения, необходимо учитывать добавлением Uсм к напряжению Uвх в выражениях (16) и (20).

Дифференцирующее звено, построенное на ОУ, является усилителем высоких частот. Схема дифференциатора представлена на рис. 8а [4]. Элементы С1, R1 образуют основную дифференцирующую цепь, a R2 и С2 - элементы дифференциатора, ограничивающие его полосу пропускания (рис. 8б).

Для идеального дифференциатора коэффициент передачи КU (р) = - p R1С1, тогда

(21)

Реальная схема рис. 8а с учетом R2 и С2 имеет передаточную функцию

(22)

которой соответствует комплексная функция

Амплитудно-частотная характеристика реального дифференциатора

(23)

представлена на рис. 8б характерные частоты ЛАЧХ:

; ; .

В диапазоне частот от до коэффициент усиления схемы

.

При воздействии на вход схемы дифференциатора скачка напряжения на выходе схемы появляются экспоненциальные изменения, связанные с наличием С2 (фронт реального сигнала ) и с наличием С1 (последующий экспоненциальный подъем выходного сигнала).



2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

При выполнении лабораторной работы используется лабораторная установка ЛУ-5, электронный осциллограф, цифровой вольтметр, генератор гармонических сигналов. На лицевой панели ЛУ-5 представлена принципиальная схема, позволяющая исследовать линейные звенья на ОУ типа К140УД7; инвертирующее, неинвертирующее, интегрирующее и дифференцирующее. Необходимые соединения в схеме выполняются с помощью короткозамкнутых перемычек (КЗП), для чего предусмотрены специальные гнезда. Установка ЛУ-5 позволяет осуществить балансировку ОУ с помощью специального регулятора. В качестве источников входных сигналов могут применяться встроенные генераторы (G1) прямоугольных сигналов и гармонического сигнала или внешние генераторы сигналов. Встроенные генераторы вырабатывают сигналы с постоянным периодом и регулируемой амплитудой и используются для изучения прохождения прямоугольных импульсов и синусоидальных сигналов через линейные звенья на ОУ. Форма от генератора G1 показана для каждого положения переключателя - SA1 на лицевой панели.

3. СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1 Задание на выполнение лабораторной работы

1. Ознакомиться с принципиальной схемой, представленной на лицевой панели лабораторной установки ЛУ - 5, и правилами пользования контрольно-измерительными приборами, применяемыми при проведении данной работы.

2. Исследовать инвертирующий усилитель.

3. Исследовать неинвертирующий усилитель.

4. Исследовать интегратор.

5. Исследовать дифференциатор.

6. Оформить отчет.

3.2 Методические рекомендации по выполнению задания

Внимание! Все исследуемые схемы следует собирать при отключенном питании лабораторной установки, подключение питания производится только после проверки правильности схемы лаборантом.

3.2.1 Исследование инвертирующего усилителя

Используя короткозамкнутые перемычки (КЗП), соберите схему (рис. 9). С разрешения преподавателя включите лабораторную установку тумблером "СЕТЬ". Измерьте напряжения, подаваемые на ОУ (выводы 07 и 04 ОУ) относительно корпуса. Сделайте вывод о величине и полярности напряжений питания.

Отключите КЗП, соединяющую G1 и резистор R2. С помощью КЗП подсоедините резистор R2 к гнезду . Таким образом, оба входных напряжения равны нулю. Измерьте величину выходного напряжения. В идеале оно должно быть равно нулю. Если это не так, то ручкой потенциометра "БАЛАНС' добейтесь, чтобы выходное напряжение было равно нулю на самом маленьком пределе прибора. После балансировки ОУ положение ручки "БАЛАНС" изменять нельзя.

Установите тумблер SA1 в положение "~". Подключите к выходу генератора G1 осциллограф и с помощью ручки потенциометра Um вх задайте амплитуду синусоидального сигнала порядка 0,1 0,2 В. Получите на экране осциллографа устойчивое изображение одного периода гармонического сигнала. Измерьте его амплитуду и период. Подайте этот сигнал на вход усилителя (соедините выход генератора с резистором R2). Осциллографом измерьте амплитуду выходного сигнала. Рассчитайте коэффициент усиления напряжения, используя амплитудные значения входного и выходного напряжений и значения номиналов резисторов, которые установлены в цепи ООС (R10) и на инвертирующем входе (R2):

Не изменяя амплитуды входных сигналов, замените резистор в цепи ООС R10 R11 и посмотрите как изменилась амплитуда выходного сигнала. Рассчитайте коэффициент усиления напряжения. Поменяйте резистор во входной цепи R2 на R3. Посмотрите осциллограмму выходного сигнала. Сделайте вывод о том, как зависит коэффициент усиления усилителя от величины сопротивления резисторов и собственного коэффициента усиления ОУ.

Восстановите во входной цепи резистор R2, а в цепи ООС - R10. Снимите передаточную характеристику инвертирующего усилителя, т. е. зависимость

.

Для этого необходимо задаваться амплитудой входного сигнала и измерять соответственно амплитуду выходного сигнала.

Подайте на инвертирующий вход усилителя импульсы прямоугольной формы амплитудой 0,4 0,5 В. Для этого выключатель SA1 переведите в положение "". Посмотрите на осциллограмму выходного сигнала. Измерьте амплитуду и обратите внимание на полярность импульсов. Сделайте вывод.

Получите на экране осциллографа один выходной импульс и, "растянув" его передний фронт, измерьте время установления. Рассчитайте скорость нарастания выходного напряжения

.

С помощью КЗП соедините инвертирующий вход 02 через конденсатор С2 с выводом 08 ОУ. Как изменилась скорость нарастания выходного напряжения? Сделайте вывод о назначении конденсатора С2.

Установите ручку потенциометра в крайнее левое положение и выключите установку.

Отключите КЗП, соединяющую встроенный генератор G1 со схемой усилителя. Соберите схему рис. 9, в которой вместо встроенного генератора G1 используйте внешний генератор гармонических сигналов. На частоте 1000 Гц установите такую амплитуду выходного сигнала генератора, которая обеспечивает неискаженную форму схемы рис. 9. Снимите АЧХ усилителя в диапазоне частот от 0 до частоты единичного усиления. Определите по АЧХ все параметры, характеризующие режим передачи гармонических сигналов в частотном диапазоне: полосу пропускания, коэффициент усиления в рабочем диапазоне частот, добротность усилителя.



3.2.2 Исследование неинвертирующего усилителя

Соберите схему неинвертирующего усилителя (рис. 10). Включите установку и пользуясь методикой, приведенной в п. 1, произведите балансировку ОУ, для этого неинвертирующий вход ОУ с помощью КЗП соедините с корпусом, временно отключите генератор G1. После балансировки ОУ ручку "БАЛАНС" не трогайте! Соедините генератор G1 с неинвертирующим входом ОУ и подайте на него прямоугольные импульсы амплитудой 0,2 0,3 В. Обратите внимание на их полярность. Подключите осциллограф к выходу усилителя и измерьте амплитуду выходных импульсов. Изменилась ли полярность импульсов? Рассчитайте коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.

Сравните полученные результаты с предыдущими. Замените резистор R11 на R10. Как изменилась амплитуда выходных импульсов?

Восстановите в цепи ООС R11 и подайте на вход усилителя сигнал синусоидальной формы. Снимите передаточную характеристику неинвертирующего усилителя. Выключите установку и сделайте вывод о работе усилителя.

В схему рис. 10 вместо встроенного генератора G1 подключите внешний генератор гармонических сигналов, снимите АЧХ в соответствии с методикой, изложенной при исследовании неинвертирующего усилителя, оцените по АЧХ параметры для неинвертирующей схемы.

3.2.3 Исследование повторителя напряжения

Используя КЗП, соберите схему повторителя (рис. 11). Включите установку и произведите балансировку ОУ. Подайте на неинвертирующий вход ОУ прямоугольные импульсы амплитудой 0,6 0,7 В. Запомните их полярность. Подключите осциллограф к выходу усилителя, измерьте амплитуду выходных импульсов и обратите внимание на их полярность. Изменилась ли она по сравнению с полярностью входных импульсов? Измените амплитуду входных импульсов. Как изменится амплитуда выходных импульсов? Рассчитайте коэффициент усиления для данной схемы. Сделайте вывод об области применения данного усилителя.

Установите амплитуду входных импульсов на неинвертирующем входе 0,3 0,4 В. Максимально используя рабочую площадь экрана осциллографа, оцените крутизну входных и выходных импульсов и определите скорость нарастания выходного напряжения. Посмотрите, как изменяются осциллограммы выходных импульсов при изменении амплитуды входных. Выключите установку и сделайте выводы.

Отключите встроенный генератор G1 и, подключив внешний генератор гармонических сигналов, изучите режим передачи гармонических сигналов разных частот в соответствии с методикой, изложенной при исследовании инвертирующей схемы усилителя.



3.2.4 Исследование интегратора

Соберите схему активного интегратора (рис. 12). Включите установку и проведите балансировку ОУ, после чего подайте на его вход прямоугольные импульсы с генератора G1. Эта схема чувствительна к малым изменениям постоянной составляющей входного сигнала. Определите коэффициент усиления на постоянном токе этой схемы. Какова роль резистора R9? Что случится, если его убрать? Посмотрите при этом осциллограммы входных и выходных сигналов. Измерьте амплитуды входных и выходных импульсов. Определив выходное напряжение для данной схемы по формуле

сравните ее с измеренным значением.

Замените R1 на R2. Как изменилась форма выходных импульсов? К чему приведет изменение амплитуды входных импульсов? Проведите эксперименты и сделайте вывод. Выключите установку.

Соберите схему рис. 12, заменив встроенный генератор G1 на внешний генератор гармонических колебаний. Снимите АЧХ интегратора, определите по ней постоянную времени схемы. Замените R1 на R2. Как изменилась постоянная времени схемы?

3.2.5 Исследование дифференциатора

Соберите схему активного дифференциатора (рис. 13). Подайте на его вход прямоугольные импульсы. Посмотрите осциллограммы входных и выходных импульсов, измерьте их амплитуды. Определите выходное напряжение по формуле

и сравните его с измеренным значением.

Измените амплитуду входных импульсов. Как изменится форма выходных? Выключите установку. Сделайте вывод.

Соберите схему рис. 13, заменив встроенный генератор G1 на внешний генератор гармонических колебаний. Снимите АЧХ дифференциатора. Определите все характерные параметры по АЧХ в соответствии с теорией рассматриваемой схемы. Сопоставьте эксперимент с результатами расчетов по приведенным в разделе 1.2 (дифференцирующее звено) соотношениям и сделайте выводы.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА И ТРЕБОВАНИЯ К ЕГО ОФОРМЛЕНИЮ

Отчет выполняют аккуратно в соответствии с ГОСТами ЕСКД на принципиальные схемы. К отчету прилагаются осциллограммы и графики экспериментально снятых зависимостей.

Отчет должен содержать:

1. Схемы испытаний.

2. Данные измерений в виде осциллограмм, таблиц и графиков.

3. Формулы и результаты теоретического расчета параметров схем и сопоставление их

с экспериментальными значениями.

4. Выводы по каждому пункту задания.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каковы общие принципы построения линейных звеньев на ОУ?

2. Каковы основные достоинства интегральных ОУ ?

3. В чем причины статических ошибок инвертирующей и неинвертирующей схем на ОУ и каковы способы их уменьшения?

4. Чем ограничено максимальное значение выходного напряжения линейных звеньев на ОУ?

5. Как влияет величина R11 схемы на ОУ на ее выходной сигнал, на динамический диапазон входных сигналов?

6. Как связаны частотные свойства линейных звеньев с изменениями формы прямоугольных импульсов, проходящих через эти звенья?

7. Каковы возможные схемы сумматоров на ОУ?

8. Сравните АЧХ ОУ и АЧХ линейных звеньев на ОУ. В чем разница и чем определяется рабочий диапазон частот каждой схемы?

9. Сравните характеристики и параметры пассивного интегратора и интегрирующего звена на ОУ, сделайте выводы.

10. Сравните характеристики и параметры пассивного и активного дифференцирующих звеньев, сделайте выводы.

6. ЛИТЕРАТУРА

1. Булычев А.Л., Галкин В.И., Прохоренко В.А., Аналоговые интегральные схемы: Справочник. - 2е изд., перераб. и доп. - Мн.: Беларусь, 1994. - 382 с., ил.

2. Агаханян Г.М. Интегральные микросхемы: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 464 c., ил.

3. Скаржепа В.А., Луценко A.Н. Электроника и микросхемотехника Ч. 1 Электронные устройства информационной автоматики: учебник / Под общ. ред. А.А. Краснопрошиной. - К.: Выщашк. Головное изд-во, 1989. - 431 с., ил.

4. Коломбет Е.А., Юркович К., Зодл Я. Применение аналоговых микросхем, - М.: Радио и связь, 1990. - 320 с., ил.

5. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфологии микроэлектронной аппаратуры. - М.: Сов. Радио, 1977. - 405 с., ил.

6. Расчет электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. Пособие для вузов по спец. электрон. техники / Г.И. Изъюрова и др. - М.: Высш. шк., 1987. - 335 с., ил.

7. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1988. - 304 с., ил.

8. Операционные усилители. Описание лабораторной работы. НППРТ "Электрофото" - Вильнюс, 1990. - 20 с., ил.

Размещено на Allbest.ru