41991

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ (ОУ)

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Идеальный усилитель имеет следующие свойства: бесконечный коэффициент усиления по напряжению А→ ∞; бесконечное полное входное сопротивление Zвх → ∞; нулевое полное выходное сопротивление Zвых → 0; равенство нулю выходного напряжения Uвых = 0 при равных напряжениях на входах U1 = U2; бесконечная ширина полосы пропускания ∆fпр= ∞. За входным каскадом следуют один или несколько промежуточных; они обеспечивают уменьшение напряжения сдвига на выходе усилителя до близкой к нулю величины и усиление по напряжению и по току....

Русский

2013-10-26

202 KB

72 чел.

Лабораторная работа №8

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ (ОУ)

Цель работы: измерение параметров (ОУ).

Краткие теоретические сведения

  1.  Основные сведения об операционных усилителях

Операционный усилитель – это усилитель постоянного тока, который по своим характеристикам приближается к  “идеальному усилителю”.

Идеальный усилитель имеет следующие свойства:

  1.  бесконечный коэффициент усиления по напряжению (А→ ∞);
  2.  бесконечное полное входное сопротивление (Zвх → ∞);
  3.  нулевое полное выходное сопротивление (Zвых →  0);
  4.  равенство нулю выходного напряжения (Uвых = 0) при равных напряжениях на входах (U1 = U2);
  5.  бесконечная ширина полосы пропускания (∆fпр= ∞).

На практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться с достаточной для многих приложений точностью.

Первый каскад ОУ (рис.8.1)– это дифференциальный усилитель (ДУ). ДУ имеет высокий коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов U2U1 и низкий коэффициент усиления по отношению к одинаковым сигналам, поданным на входы одновременно (синфазные сигналы). Входной каскад ОУ является наиболее ответственным, поскольку именно им определяется величина Zвх и в нем минимизируется чувствительность к синфазным сигналам и  напряжение сдвига.

За входным каскадом следуют один или несколько промежуточных; они обеспечивают уменьшение напряжения сдвига на выходе усилителя до близкой к нулю величины и усиление по напряжению и по току.

Выходной каскад должен обеспечивать низкое полное выходное сопротивление ОУ и ток, достаточный для питания ожидаемых нагрузок. В качестве выходного каскада обычно используется  эмиттерный повторитель.

Рис.8.1. Упрощенная схема ОУ

На рис.8.2 для примера показано условное обозначение и цоколевка ОУ К544УД2.

Рис. 8.2. Условное обозначение ОУ

7, 4 -  выводы  питания  операционного усилителя;

1, 8 - выводы частотной коррекции (эти выводы используются для предотвращения генерации ОУ, если последний не имеет внутренней коррекции);

6 – выход (вывод, с которого снимается усиленное напряжение);

2 – инвертирующий вход (если неинвертирующий вход заземлен и сигнал подан на инвертирующий вход, то сигнал выхода окажется сдвинутым по фазе на 180˚ относительно сигнала на входе);

3 – неинвертирующий вход (если инвертирующий вход заземлен, а сигнал подан на неинвертирующий вход, то выходной сигнал окажется синфазным с сигналом на входе).

ОУ характеризуется рядом параметров. Среди параметров, обычно приводимых в справочных данных, основными являются следующие.

Средний входной ток  Iвх. В отсутствии сигнала на входах ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходят через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Компенсация этого падения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10…20%.

Входные токи ОУ можно оценить по среднему входному току:

Iвх=,

где I1 и I2 соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов.

Разность входных токов  Iвх определяется выражением: ∆ Iвх= I1 - I2

В справочниках указывают модуль этой величины.

Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе А. У идеального ОУ коэффициент усиления А стремится к бесконечности.

Напряжение смещения  Uсм – напряжение, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю.

Входное сопротивление Rвх. Различают две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и «землей»). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ находятся обычно в пределах 10 кОм…10МОм. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения ∆Uвх.сф. к вызванному приращению среднего входного тока ∆Iвх. ср.:

Rвх.сф. = .

Дифференциальное входное сопротивление (между входами ОУ)  может быть определено по формуле:

Rвх.диф.= ,

где ∆Uвх – изменение напряжения между входами ОУ, ∆Iвх – изменение входного тока.

Выходное сопротивление Rвых в интегральных ОУ составляет 20…2000 Ом.

Скорость нарастания выходного напряжения VUвых  равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течении которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений.

Измерения проводятся при подаче импульсов в виде ступени на вход ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

Порядок проведения экспериментов

Все полученные результаты занесите в соответствующий  раздел «Результаты экспериментов».

1.Измерение входных токов.

    Собрать схему, изображенную на рис.8.3. Включить схему. Измерьте входные токи ОУ. По результатам измерений вычислите средний входной ток  Iвх и разность ∆Iвх входных токов ОУ.

2. Измерение напряжения смещения. Собрать схему, изображенную на рис.8.4. 

Включить схему. Записать показания вольтметра в раздел «Результаты экспериментов». По результатам измерений, вычислите напряжение смещения Uсм, используя коэффициент усиления схемы на ОУ.

Коэффициент усиления напряжения схемы усилителя на ОУ (рис. 8.4) вычисляется по формуле: Ку = -

 Рис.8.3.

Рис.8.4

3. Измерения входного и выходного сопротивлений.

а) Собрать схему, изображенную на рис.8.5.

Включить схему. Измерить входной ток Iвх и выходное напряжение Uвых. Переключите ключ клавишей [Space]. Измерьте входной ток после переключения ключа. Рассчитайте изменение входного напряжение и тока. По полученным результатам вычислите дифференциальное входное сопротивление ОУ.

б) Уменьшайте сопротивление нагрузочного резистора R2 до тех пор, пока выходное напряжение Uвых не будет примерно равно половине значения, полученного в пункте а). Запишите значение сопротивления  R2, которое в этом случае приблизительно равно выходному сопротивлению Uвых ОУ.  

4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ.

 Рис.8.5

Собрать схему, изображенную на рис.8.6.

Включить схему. Зарисуйте осциллограмму выходного напряжения в раздел «Результаты экспериментов». По осциллограмме определите величину выходного напряжения, время его установления и вычислите скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс.

Рис.8.6.

Результаты экспериментов.

1. Измерение входных токов.

Ток неинвертирующего входа I1=________________

Ток инвертирующего входа I2=________________

Средний входной ток Iвх (расчет по результатам измерений) _____

Разность входных токов ∆Iвх (расчет по результатам измерений) __

2. Измерение напряжения смещения.

Выходное напряжение усилителя Uвых                _______________

Коэффициент усиления схемы    (расчет)        _________________

Напряжение смещения Uсм (расчет по результатам измерений) __

3. Измерения входного и выходного сопротивлений.

а) Входной ток Iвх, мкА до переключения ключа ____________

Входной ток Iвх, мкА после переключения ключа ____________

Изменение входного напряжения, мВ (расчет) ______________      

Изменения входного тока, мкА (расчет) ____________

Входное дифференциальное сопротивление ОУ(расчет) _____Ом

б) Выходное напряжение Uвых =  __________В

Выходное сопротивление ОУ Rвых __________Ом

4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ.

Выходное напряжение Uвых _______________

Время установления выходного напряжения _______________

Скорость нарастания выходного напряжении ОУ Vuвых    ______

Осциллограммы входного и выходного напряжений

Контрольные вопросы и задания

  1.  Назовите характеристики идеального усилителя.
  2.  Назовите причину возникновения  Uсм.
  3.  Почему повторитель напряжения является хорошим буферным каскадом.
  4.  Кратко изложите принцип действия схемы для измерения коэффициента усиления без обратной связи.
  5.  Укажите причины, приводящие к появлению частотной зависимости коэффициента усиления ОУ.
  6.  Указажите условия, выполнение которых приводит к самовозбуждению ОУ.
  7.  С какой целью осуществляется частотная коррекция ОУ.
  8.  Начертите по памяти следующие схемы с ОУ:

а) повторитель напряжения;

б) неинвертирующий усилитель;

в) инвертирующий усилитель.

Лабораторная работа №9

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕИНВЕРТИРУЮЩИХ И ИНВЕРТИРУЮЩИХ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ (ОУ)

Цель работы: исследование схем неинвертирующих и инвертирующих усилителей.

Краткие теоретические сведения

Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя на ОУ (рис.9.1) вычисляется по формуле:

.

Постоянная составляющая выходного напряжения усилителя U0вых определяется произведением напряжения смещения Uсм на коэффициент усиления схемы Ку:

U0вых= Uсм Ку .     (1)

Рис. 9.1. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ с обратной связью (рис. 9.2) вычисляется по формуле:

.

Знак "минус" в формуле означает, что выходное напряжение инвертирующего усилителя находится в противофазе с входным напряжением.

Рис. 9.2.Инветирующий усилитель

Постоянная составляющая выходного напряжения U0вых усилителя вычисляется по формуле (1).

 

Порядок проведения экспериментов

Результаты всех измерений, расчетов и осциллограммы занести в раздел «Результаты измерений».

Эксперимент 1. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения

Соберите схему, изображенную на рис. 9.1. Рассчитайте коэффициент усиления напряжения Ку усилителя по заданным значениям параметров компонентов схемы. Включите схему. Измерьте амплитуды входного и выходного синусоидальных напряжений, постоянную составляющую выходного напряжения U0вых и разность фаз между входным и выходным напряжениями. По результатам измерений вычислите коэффициент усиления по напряжению Ку усилителя. Используя значение напряжения смещения Uсм вычисленное в предыдущей лабораторной работе, и вычисленное теоретическое значение коэффициента усиления, вычислите постоянную составляющую выходного напряжения U0вых.

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы

В схеме, приведенной на рис. 9.1, уменьшите значение сопротивления R1 до 10кОм. Включите схему. Повторите все операции эксперимента 1 при новых параметрах компонентов.

Эксперимент 3. Работа инвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения

Соберите схему, изображенную на рис. 9.2. Рассчитайте коэффициент усиления напряжения Ку усилителя по значениям параметров компонентов схемы. Включите схему. Измерьте амплитуду входного и выходного синусоидального напряжения, постоянную составляющую выходного напряжения U0вых и разность фаз между входным и выходным напряжением. По результатам измерений вычислите коэффициент усиления по напряжению усилителя. Используя значение входного напряжения смещения Uсм вычисленное в предыдущей лабораторной работе и найденное значение коэффициента усиления, вычислите постоянную составляющую выходного напряжения.

Эксперимент 4. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы

Установите значение сопротивления R1 равным 1кОм. Включите схему. Для новых параметров схемы повторите все измерения и вычисления эксперимента 3.

Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения

Коэффициент усиления напряжения Ку по заданным значениям параметров компонентов схемы.

Амплитуды входного и выходного синусоидальных напряжений,

Постоянная составляющая выходного напряжения U0вых 

Разность фаз между входным и выходным напряжениями

По результатам измерений вычислите коэффициент усиления по напряжению Ку усилителя.

Используя значение напряжения смещения Uсм вычисленное в предыдущей лабораторной работе, и вычисленное теоретическое значение коэффициента усиления, вычислите постоянную составляющую выходного напряжения U0вых.

Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы

Параметры

Расчет

Измерение

Коэффициент усиления Ку

Амплитуда напряжения Uвх

Амплитуда напряжения Uвых

Постоянная составляющая  напряжения U0вых

Разность фаз между входным и выходным напряжениями

Эксперимент 3. Работа усилителя в режиме усиления синусоидального входного сигнала

Параметры

Расчет

Измерение

Коэффициент усиления Ку

Амплитуда напряжения Uвх

Амплитуда напряжения Uвых

Постоянная составляющая  напряжения U0вых

Разность фаз между входным и выходным напряжениями

Эксперимент 4. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы

Параметры

Расчет

Измерение

Коэффициент усиления Ку

Амплитуда напряжения Uвх

Амплитуда напряжения Uвых

Постоянная составляющая  напряжения U0вых

Разность фаз между входным и выходным напряжениями

Контрольные вопросы и задания

1) Сколько процентов от амплитуды выходного напряжения, измеренного в эксперименте 9.1 и 9.3, составляет постоянная составляющая в выходном напряжении?

2) Какие параметры схемы на рисунках 9.1 и 9.2 влияют на ее коэффициент усиления?

3) Как влияет коэффициент усиления схемы рис.9.1 на постоянную составляющую выходного напряжения?

4) Как изменятся основные соотношения для схемы рис.9.3, если на неинвертирующий вход ОУ подать постоянное напряжение?

PAGE  3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

14580. Внутренние интерфейсы системной платы 499.09 KB
  Лабораторная работа №7 Внутренние интерфейсы системной платы Цель работы: Изучение внутренних интерфейсов системной платы. Задание 1 Идентифицируйте внутренние интерфейсы системной платы. Задание 2 Дайте сравнительную характеристику внутренних интерфе
14581. Интерфейсы периферийных устройств IDE, SCSI, SATA 253.13 KB
  Лабораторная работа №8 Интерфейсы периферийных устройств IDE SCSI SATA Цель лабораторной работы: – Изучение интерфейсов периферийных устройств; Методические указания: Периферийные шины используются в основном для внешних запоминающих устройств. Интерфей...
14582. Параллельные и последовательные порты и их особенности работы 59.13 KB
  Лабораторная работа №9 Параллельные и последовательные порты и их особенности работы Цель лабораторной работы: – Изучение особенностей работы параллельных и последовательных портов Порт персонального компьютера предназначен для обмена информацией межд
14583. Исследование преобразователя напряжения 383.65 KB
  ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к лабораторной работе Исследование преобразователя напряжения Цель работы: ознакомиться с принципом действия методами испытаний преобразователя и получить инженерные навыки анализа технических параметров преобразователей. Рисунок 1
14584. Исследование импульсного стабилизатора напряжения 170.16 KB
  ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к лабораторной работе Исследование импульсного стабилизатора напряжения Цель работы: ознакомиться с принципом действия методами испытаний импульсного стабилизатора и получить инженерные навыки анализа технических параметров импульсных ст...
14585. Распределение термоэлектронов по скоростям. Контактная разность потен-циалов 417 KB
  ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 1 Распределение термоэлектронов по скоростям. Контактная разность потенциалов по дисциплине Физика твердого тела Содержание Цель работы Используемые приборы Схема измерений Результаты экспериментальных иссл
14586. Исследование параметров естественного освещения производственных помещениях 17.36 KB
  Лабораторная работа № 3 Тема: Исследование параметров естественного освещения производственных помещениях. Цель: 1. Изучить существующие санитарногигиенические нормы и требования к естественному освещению производственных помещений. 2. Освоить методику измерения ...
14587. Архиватор 7-Zip 71 KB
  Лабораторная работа. Архиватор 7Zip Цель: Приобрести навыки в использовании программыархиватора 7Zip. 1. Использование программыархиватора 7Zip Способы запуска программы: 7Zip File Manager можно запустить тремя способами: в режиме графической оболочки со стан
14588. Теплоемкость. Определение теплоемкости модуляционным методом 188 KB
  ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 3 Определение теплоемкости модуляционным методом по дисциплине Физика твердого тела Содержание Цель работы Изучение модуляционного метода измерения теплоемкости и определение теплоемкости вольфрама при высоких