24206

Исследование устройств на операционных усилителях

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Научиться измерять: входные токи напряжение смещения входное и выходное сопротивления время нарастания выходного напряжения операционных усилителей. ОУ в своём составе имеет входной каскад каскад сдвига уровня напряжения и выходной каскад. Каскад сдвига уровня напряжения выполнен по схеме эмиттерного повторителя и исключает из сигнала уровень постоянной составляющей. Входные токи проходят через внутреннее сопротивление источника входного сигнала и создают на нём падение напряжения.

Русский

2013-08-09

614.5 KB

27 чел.

5

Лабораторная работа  №3

Исследование устройств на операционных усилителях

Цель работы: закрепить теоретические знания по операционным усилителям. Научиться моделировать схемы на основеоперационных усилителей с помощью программ Electronic Workbench. Научиться измерять: входные токи, напряжение смещения, входное и выходное сопротивления, время нарастания выходного напряжения операционных  усилителей.

Используемое оборудование и средства: Персональный компьютер, программа Electronic Workbench.

Методические указания: Работа выполняется  студентами за 4 часа аудиторных занятий.

Краткие теоретические сведения

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель с большим коэффициентом усиления, имеющий два высокоомных входа и один низкоомный выход, с глубокой обратной связью. Они выполняются в виде интегральных микросхем и предназначены  для построения на их основе разнообразных функциональных узлов электронной аппаратуры  (разнообразных усилителей, интеграторов, фильтров, генераторов, коммутаторов и проч.)

ОУ в своём составе имеет входной каскад, каскад сдвига уровня напряжения и выходной каскад.

Входной каскад выполнен по хеме (рис .1), которая имеет два входа. Если обеспечить

Рис.3.1 Входной каскад ОУ

условие R1=R2 и идентичность параметров транзисторов VT1 и VT2,то выходное напряжение будет равно разности входных  напряжений, умноженной на коэффициент усилителя К .  

Каскад сдвига уровня напряжения выполнен по схеме эмиттерного  повторителя и исключает из сигнала уровень постоянной составляющей. Этим исключается искажение входного сигнала в усилителе.

   Выходной каскад обеспечивает выходные характеристики ОУ.

   На схемах интегральные ОУ обозначаются, как показано на рис.2.

Рис. 3.2. Обозначение ОУ

Основными параметрами ОУ являются:

Средний входной ток Iвх  и разность входных токов  Iвх  :

Iвх =(I1+I2)/2;  Iвх = I1-I2,                                              (1)

где I1   и    I2 соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов при отсутствии сигналов на входах ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами биполярных транзисторов, или токами утечки затворов полевых транзисторов, на которых выполнены входные каскады ОУ. Входные токи проходят через внутреннее сопротивление источника входного сигнала и создают на нём падение напряжения. Это означает, что  при  отсутствии  сигнала  на  входе  ОУ имеется  напряжение  (Uвх ≠ 0), которое приводит к появлению выходного напряжения (Uвых ≠ 0).Чтобы избежать ошибки в работе ОУ это напряжение необходимо компенсировать.

         Напряжение смещения    Uсм – значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы при отсутствии сигнала напряжение на его выходе было равно нулю. Напряжение смещения Uсм можно вычислить, зная выходное напряжение (Uвых) при отсутствии входного сигнала и коэффициент усиления (К):

Uсм= Uвых/K                                                         (2)

        Коэффициент усиления напряжения постоянного тока К0 показывает во сколько раз усиливается входной сигнал. У идеального ОУ  К0  . Для реальных схем коэффициент усиления напряжения вычисляется по формуле:

К=-Rос/Rвх ,                                                           (3)

где   Rос и Rвх   соответственно , сопротивление обратной связи и входное сопротивление. Входное сопротивление Rвх. Различают две составляющие Rвх:

а) входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между входом и “землёй” ):

   Rвх.сф=Uвх.сфIвх.ср ,            (4)

где ΔUвх.сф – приращение входного синфазного напряжения за счёт приращения     среднего входного тока ΔIвх.ср.

б) дифференциальное ( разностное) входное сопротивление:

    Rвх. диф = ΔUвх/ΔIвх ,             (5)

где ΔUвх – изменение напряжения между входами ОУ, ΔIвх – изменение входного тока. Обычно Rвх. диф =10 кОм…10 МОм.

Выходное сопротивление Rвых =20…2000 Ом.

Скорость нарастания выходного напряжения. Определяется временем за которое выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90%.

        V = Uвых/tу,                                                           (6)

Усилители и повторители напряжения на ОУ. Основные схемы усилителей и повторителей напряжения показаны на рис. 3:

 

                               

   а)                   б)                                в)

Рис. 3.3. Инвертирующий (а) и неинвертирующий (б) усилители и повторитель напряжения (в) на ОУ

Усилитель (рис.3,а) называется инвертирующим потому, что его выходной сигнал находится в противофазе с входным. Коэффициенты усиления по постоянному току K и в диапазоне частот K (jω) этого усилителя определяются формулами:

                                                K = – Rос/ R1;   K (jω) = K/(1+ jω/ωгр),                                         (7)

где ωгр – граничная частота ОУ по уровню 0,707K.

Для неинвертирующего усилителя (рис. 3, б) коэффициенты усиления по постоянному току K и в диапазоне частот равны:

                                                K = 1+Rос/ R1;   K (jω) = K/(1+ jω/ωгр),                                        (8)

Частным случаем усилителя (рис. 3,б) является усилитель (рис. 3,в) с коэффициентом усиления K=1, поэтому его называют повторителем напряжения.

Сумматоры напряжений на ОУ. Схема суммирующего усилителя изображена на рис. 4:


Рис.
3.4. Сумматор на ОУ

На основании схемы рис. 4 можно записать следующие выражения:

I1 = U1/R1;   I2 = U2/R2;   Iос = I1 + I2 = - Uвых/Rос;

                                         Uвых = - (I1 + I2)Rос = - (U1/R1 + U2/R2)Rос = (U1 + U2),                 (9)

где R = R1 = R2.

Дифференцирующие и интегрирующие ОУ. Дифференцирующие и интегрирующие устройства, созданные на основе ОУ изображены на рис. 5:

             

                                            а)                                                                            б)

Рис. 3.5. Интегрирующий (а) и дифференцирующий (б) ОУ

Для инвертирующего устройства (рис. 5,а) выходное напряжение определяется выражением:

      (10)

На начальном интервале интегрирования, когда t << τинт, изменение выходного напряжения Uвых будет достаточно близко к линейному, и скорость его изменения равна:

                                                                ΔUвыхt = - Uвх/CR1                                                   (11)

Для дифференцирующего устройства (рис.5,б) выходное напряжение Uвых пропорционально скорости изменения входного напряжения и равно:

   (12)

2. Задание на подготовку к работе.

1. Изучить схемы входного и выходного каскадов ОУ.

2. Изучить параметры и характеристики ОУ, сумматора, интегратора и дифференцирующего ОУ.

3. Изучить порядок выполнения работы и нарисовать необходимые схемы и таблицы.

3.Контрольные вопросы.

1. По какой схеме собран входной каскад ОУ?

2. Почему входной каскад ОУ называется дифференциальным?

3. Объясните причину возникновения входных токов.

4. Почему при отсутствии входных сигналов на входе ОУ напряжение на выходе не равно 0?

5. Чем обусловлено входное сопротивление ОУ по синфазному сигналу?

6. Объясните назначение напряжения смещения.

7. Какую роль в ОУ выполняет входной каскад?

8. Какую роль в ОУ выполняет каскад сдвига напряжений?

9. Напишите выражение для выходного напряжения интегратора.

4. Порядок выполнения работы.

1. Измерение входных токов ОУ:

соберите схему, изображенную на рис. 6;

включите схему, измерьте входные токи и заполните таблицу 1:

Рис. 3.6. Схема для измерения входных токов ОУ.

                                                                                Табл. 1.

Ток неинвертирующего входа

I1изм =

Ток инвертирующего входа

I2изм =

Средний входной ток

Iвх.ср. =

Разность входных токов

Iвх. =

2. Измерение напряжения смещения ОУ:

соберите схему, изображенную на рис. 7;

Рис. 3.7. Схема для измерения напряжения смещения.

используя формулу (3) и принимая, что Rос = R2, Rвх = R1 определите коэффициент усиления ОУ;

включите схему и запишите показания вольтметра ΔUвых;

используя формулу (2) определите напряжение смещения.

3. Измерение входного и выходного сопротивлений ОУ:

соберите схему, изображенную на рис. 8;

Рис. 3.8. Схема для измерения входного и выходного сопротивления

включите схему и запишите значения входного тока Iвх и выходного напряжения Uвых;

переключите ключ клавишей [Spase] и запишите значения входного тока Iвх;

рассчитайте изменения входного напряжения ΔUвх и тока Iвх;

используя формулу (5), вычислите дифференциальное входное сопротивление;

уменьшайте сопротивление резистора нагрузки Rн до тех пор, пока выходное напряжение Uвых не будет равно примерно половине Uвых, полученного ранее;

запишите значение Rн, которое приблизительно равно выходному сопротивлению (Rвых) усилителя.

4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ:

соберите схему, изображенную на рис. 9;

Рис. 3.9. Схема для измерения времени нарастания выходного напряжения ОУ

включите схему и зарисуйте осциллограмму выходного напряжения;

по осциллограмме определите величину выходного напряжения Uвых, время его установления tуст. Используя формулу (6) вычислите скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс;

Сравните измеренные результаты с паспортными данными для ОУ LM741:

- средний входной ток ОУ 0,08 мкА;

- разность входных токов ОУ 0,02 мкА;

- напряжение смещения ОУ 1 мВ;

- входное сопротивление ОУ 2 МОм;

- выходное сопротивление ОУ 75 Ом;

- скорость нарастания выходного напряжения ОУ 0,5 В/мкс.

5. Исследование характеристик инвертирующего усилителя:

cоберите схему рис.3, а и установите следующие параметры элементов: R1=1 кΩ, R2=1 кΩ, Rос=100 кΩ, Rн=100 кΩ, ОУ типа LM741;

используя параметры элементов схемы рассчитайте коэффициент усиления по напряжению по формуле (7);

к входу усилителя подключите функциональный генератор, заземлите его и установите следующие параметры гармонического входного сигнала: Um=5 mB, ƒ=1 кГц;

вход и выход усилителя подключите к осциллографу, осциллограф заземлите;

получите на экране осциллографа изображения входного и выходного сигналов, измерьте их амплитуду и разность фаз;

зарисуйте осциллограммы и по результатам измерений определите коэффициент усиления по напряжению:

Ku= – Um вых/Um вх.

6. Исследование сумматора напряжений.

соберите схему рис.4 со следующими параметрами элементов: R1=5 кΩ, R2=5 кΩ, Rос=5 кΩ, Rн=10 кΩ, ОУ типа LM741;

включите амперметр для измерения токов I1, I2, Iос и мультиметр для измерения Uвых;

подключите к входным цепям источники постоянного тока U1=5B и U2=3B и заземлите их;

включите схему и запишите показания приборов;

используя формулу (9) и параметры элементов схемы рассчитайте значения токов I1, I2, Iос и значение выходного напряжения Uвых;

7. Исследование интегратора.

соберите схему рис. 5,а и установите следующие номинальные значения элементов:

R1=10 кΩ, Rос=100 кΩ, C=0,01 μF, ОУ типа LM741;

к входу схемы подключите функциональный генератор и установите следующие параметры прямоугольных импульсов: ƒ=2 кГц, коэффициент заполнения 50%, амплитуду 5B;

осциллограф подключите к входу и выходу схемы и заземлите его;

включите схему и зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения, запишите их амплитудное значение;

используя выражение (11) определите скорость изменения выходного напряжения;

установите амплитуду сигнала на выходе генератора 2В. Повторите исследования и сравните результаты.

8. Исследование дифференцирующего ОУ.

Соберите схему рис. 5,б и установите следующие номинальные значения элементов: R1=500 Ω, Rос=5 кΩ, C=0,05 μF, ОУ типа LM741;

к входу схемы подключите функциональный генератор и установите следующие параметры линейно изменяющегося сигнала: ƒ=1 кГц, коэффициент заполнения 50%, амплитуду 5В;

осциллограф подключите к входу и выходу схемы и заземлите его;

включите схему и зарисуйте осциллограммы входного и выходного сигналов и запишите их амплитудные значения;

по осциллограмме определите скорость изменения входного напряжения;

используя выражение (12) определите величину выходного напряжения и сравните с экспериментальным значением.

Содержание отчёта

1.   Название и цель лабораторной работы.

2.   Наименование каждого пункта работы, схемы и результаты измерений и расчётов.

3.   Выводы по результатам исследований.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12407. Измерение длины световой волны с помощью прозрачной дифракционной решетки 98 KB
  Отчёт по лабораторной работе По дисциплине: Физика. Тема: Измерение длины световой волны с помощью прозрачной дифракционной решетки Общие теоретические сведения: Интерференция явление перераспределения волны в результате наложения когерентных волн...
12408. Контролер станочных и слесарных работ 156.5 KB
  Для приобретения квалификации контролера станочных и слесарных работ необходимо: технологию сборочных работ; технические условия на приемку деталей и проведения испытаний операций, механической и слесарной обработки...
12409. Исследование свободных электрических затухающих колебаний 234.5 KB
  Отчет. К лабораторной работе 5.2. Исследование свободных электрических затухающих колебаний. Цель работы: Исследование закономерностей свободных электрических незатухающих колебаний в последовательном колебательном контуре определение их физических характерис
12410. Исследование вынужденных колебаний в последовательном контуре 80.5 KB
  Отчёт по лабораторной работе 53. Исследование вынужденных колебаний в последовательном контуре. Цель работы: исследовать зависимость резонансной частоты и вида резонансной кривой от параметров контура. Расчёт погрешностей
12411. Технологический процесс приготовления блюд: Рассольник Ленинградский; Котлета натуральная из филе птицы, со сложным гарниром; Торт Прага 3.25 MB
  Для приправы практически всех блюд используется соевый соус, который является одним из основных ингредиентов китайской кухниэто экстракт из соевых бобов, который практически ничем не заменяется. В европейских условиях этот соус готовят из местной сои. Кроме этого широко используется вей-су - глютаминат натрия...
12412. Исследование волны в натянутом шнуре 42 KB
  Отчёт по лабораторной работе 6. Исследование волны в натянутом шнуре. Цель работы: Исследование стоячих волн в горизонтальном натянутом шнуре. Измерение частоты источника методом стоячих волн. Рабочие формулы Пример расчета полной абсолютной погр
12413. Исследование резонанса в металлической струне 98.5 KB
  Отчет к работе № 55 Исследование резонанса в металлической струне II. РАБОЧАЯ ФОРМУЛА III.КОНСТАНТЫ КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Uвых. ген.=5В IV. ТАБЛИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ N № измерения 1...
12414. Измерение постоянной Планка 83 KB
  Отчет. К лабораторной работе 6.2. Измерение постоянной Планка. Цель работы: Определить постоянную Планка. Приборы и инструменты № Название Предел измерения Цена деления Аб
12415. Изучение закона интегральной светимости нагретого тела 86 KB
  Отчет. К лабораторной работе 6.3. Изучение закона интегральной светимости нагретого тела. Цель работы: . Приборы и инструменты № Название Предел измерения Цена деления Абсолю...