Лабораторная работа  №3

 

Исследование устройств на операционных усилителях

 

Цель работы: закрепить теоретические знания по операционным усилителям. Научиться моделировать схемы на основе операционных 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 I_вх  и разность входных токов D I_вх  :

 

I_вх =(I₁+I₂)/2;  DIвх = 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  (U_вх ≠ 0), которое приводит к появлению выходного напряжения (U_вых ≠ 0).Чтобы избежать ошибки в работе ОУ это напряжение необходимо компенсировать.

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

U_см= U_вых/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=-R_ос/R_вх ,                                                           (3)

где   R_ос и R_вх   соответственно , сопротивление обратной связи и входное сопротивление. Входное сопротивление R_вх. Различают две составляющие R_вх:

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

    R_вх.сф=DU_вх.сф/ΔI_вх.ср ,                                                   (4)

где ΔU_вх.сф – приращение входного синфазного напряжения за счёт приращения     среднего входного тока ΔI_вх.ср.

б) дифференциальное ( разностное) входное сопротивление:

     R_{вх. диф} = ΔU_вх/ΔI_вх ,                                                    (5)

 

где ΔU_вх – изменение напряжения между входами ОУ, ΔI_вх – изменение входного тока. Обычно R_{вх. диф} =10 кОм…10 МОм.

Выходное сопротивление R_вых =20…2000 Ом.

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

         V = Uвых/t_у,                                                           (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 = – R_ос/ R1;   K (jω) = K/(1+ jω/ω_гр),                                         (7)

 

где ω_гр – 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+R_ос/ R1;   K (jω) = K/(1+ jω/ω_гр),                                        (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;   I_ос = I₁ + I₂ = - U_вых/R_ос;

                                          U_вых = - (I₁ + I₂)R_ос = - (U₁/R₁ + U₂/R₂)R_ос = (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 << τ_инт, изменение выходного напряжения U_вых будет достаточно близко к линейному, и скорость его изменения равна:

                                                                 ΔU_вых/Δt = - U_вх/CR₁                                                   (11)

Для дифференцирующего устройства (рис.5,б) выходное напряжение U_вых 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 вхоных 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	DIвх. =

 

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 R_ос = R₂, R_вх = R₁ определите коэффициент усиления ОУ;

включите схему и запишите показания вольтметра ΔU_вых;

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 I_вх и выходного напряжения U_вых;

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

рассчитайте изменения входного напряжения ΔU_вх и тока I_вх;

используя формулу (5), вычислите дифференциальное входное сопротивление;

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

запишите значение R_н, которое приблизительно равно выходному сопротивлению (R_вых) 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 U_вых, время его установления t_уст. 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, R_ос=100 кΩ, R_н=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: U_m=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:

K_u= – U_{m вых}/U_{m вх}.

6. Исследование суммара напряжений.

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

включите амперметр для измерения токов I₁, I₂, I_ос и мультиметр для измерения U_вых;

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, I_ос и значение выходного напряжения U_вых;

7. Исследование интегратора.

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

R₁=10 кΩ, R_ос=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, R_ос=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.