Главная | Обратная связь

Отчет по лабораторной работе

«Исследование параметров операционного усилителя»

 

 

Выполнили:студенты гр. 535

Илларионов С.Е.

Варгаев И.В.

Данилов Д.В.

 

Проверил:

Кричевский С.В.

 

 

Самара 2009 г.

Цель работы: закрепление знаний в области физических основ операционного усилителя (ОУ) путем теоретического и экспериментального изучения механизмов формирования его характеристик гальванически взаимодействующими электронными схемами дифференциального усилителя, преобразователя уровня (интегрального усилителя) и усилителя мощности.

Приборы и принадлежности: лабораторный стенд, набор проводников.

 

Условное графическое обозначение и характеристики ОУ:

Согласно условному графическому обозначению ОУ (рис. 1), он имеет два входа и один выход. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180° относительно выходного напряжения, называется инвертирующими обозначается кружочком.

Современные ОУ имеют следующие основные параметры.

Коэффициент усиления напряжения Куи — отношение изме­нения входного напряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения. В общем случае коэффициент усиления напряжения, не охваченного обратной связью ОУ, равен произведению Куи всех его каскадов. В настоящее время Куи некоторых усилителей по постоянному току превышает 3*10⁶. Однако значение его уменьшается с ростом частоты входного сигнала. При этом суммарная АЧХ имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ. Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотной коррекции — внешних нагрузочных RC -цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного - две. Многие ОУ последних выпусков не требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимые элементы.

Частота единичного усиления ft - значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы (см. рис.6). Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока, примерно в 30 раз.

Максимальное выходное напряжение U_вых. _макс — максимальное значение выходного напряжения, при котором искажение не превышает заданного значения (см. рис.4). В отечественной практике этот параметр измеряется относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону ± U_afcJx. _макс. В зарубежных каталогах приводится значение максимального диа­пазона выходных напряжений, который равен 2U_BbIX„ Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении нагрузки. С уменьшением сопротивления нагрузки величина О_{эих макс} уменьшается.

Скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых. - отношение изменения и_вых. от 10 до 90 % от своего номинального значетя ко времени, за которое произошло это изменение (см. рис. 7). Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе, при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

Напряжение смещения (/см - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно нулю (см. рис. 4). ОУ реализуется в виде микросхемы со зна­чительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводит к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Параметр Ucm помогает разработчикам рассчитывать схемы устройств, под­бирать номиналы компенсационных резисторов.

Входные токи I_вх - токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполяр­ных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падение напряжений, которое может вызвать появление напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе.

Разность входных токов _ДI_вх. Входные токи отличаются друг от друга на 10-12%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора.

Все параметры ОУ изменяют свое значение — дрейфуют с изменением температуры.

Особенно важными являются дрейф напряжения смещения A Uru. дрейф разности входных токов A I&

Максимальное входное напряжение U_вх - напряжение, прикладываемое между входными выводами ОУ, превышение которо­го ведет к выходу ряда параметров за установленные границы или разрушению прибора. В отечественных справочных материалах приводятся значения ± Uk., в зарубежной литературе дано абсолютное значение диапазона.

Максимальное синфазное входное напряжение U_{вх сф} - наибольшее значение напряжения, прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора. В отечественной документации приводится модуль величины U_BX. _сф, а в зарубежной - диапазон. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Кос. сф — отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления, общего для обоих входов напряжения.

Выходной ток 1_ШХ — максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значения емкостной или индуктивной составляющей сопротивле­ния нагрузки резко' изменяются, и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.

 

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Установка для исследования статических и динамических па­раметров ОУ представлена на рис. 12. Она включает в себя ОУ, потенциометр R1 (для измерений входного напряжения ОУ), гене­ратор синусоидальных сигналов Т\ (для снятия АЧХ ОУ), генера­тор импульсных сигналов Г₂ (для оценки скорости нарастания вы­ходного напряжения ОУ), универсальные вольтметры Vi и V₂ (для контроля соответственно входного и выходного напряжений, при­чем при снятии амплитудной характеристики оба вольтметра реги­стрируют постоянное напряжение, а при снятии АЧХ вольтметр V₂ регистрирует переменное напряжение; переключение рода работ осуществляется органами управления вольтметров), осциллограф О для контроля динамических параметров выходного напряжения ОУ. Подключение к ОУ необходимых элементов и приборов для снятия той или иной характеристики осуществляется с помощью переключателя SA1, имеющего три положения. Подключение со­противления нагрузки R_H. к выходу ОУ осуществляется с помощью переключателя SA2. Питание схемы происходит от двух источни­ков постоянного напряжения ± U„_n.

 

Режим SA1
U вх mB	-1	-0,70	-0,45	-0,20	0,05	0,35	0,7
U вых B	-10,8	-9	-6	-3				9,6
U вых мах	-10,8	-9,6	-6,3	-2,9	0,1	2,8	5,9	9,0
U смещ mB
K уu
V1	-10	-8	-6	-4	-3	-2	-1
f кГц     Режим SA2
U вх mB	-0,8	-0,6	-0,4	-0,2	0,3	0,5	0,7	0,8
U вых B	-10,1	-9	-7,1	-4,7			7,4	8,5
U смещ mB
U вых мах	-10,2	-8,4	-6.8	-3.9		3.6	6.1	9.4
K уu
f кГц
V2	-15	-12	-9	-6	-3	-1

Вывод: исследовали операционный усилитель и сняли его характеристики. Сравнив их с данными таблицы, пришли к выводу, что наиболее подходит под полученные характеристики усилитель К140 УД. Закрепили знаний в области физических основ операционного усилителя (ОУ) путем теоретического и экспериментального изучения механизмов формирования его характеристик гальванически взаимодействующими электронными схемами дифференциального усилителя, преобразователя уровня (интегрального усилителя) и усилителя мощности.