Методические указания

к выполнению лабораторной работы № 7

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

 

Цель работы: Изучить возможности усиления электрических сигналов с помощью интегральных операционных усилителей (ОУ) на примере ОУ К140УД1201.

 

1.  ВВЕДЕНИЕ

Одними из важнейших функций выполняемых устройствами медицинской техники являются усиление полезных (информационных) сигналов, в частности биоэлектрических и ослабление помех. Для этой цели в качестве основных используют различные схемы с ОУ. Их применение позволяет добиваться высоких значений коэффициента усиления дифференциального сигнала, коэффициента подавления синфазного сигнала, входного сопротивления.   

В данной работе предлагается изучить основные параметры ОУ.

 

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

Основой теоретической части являются материалы лекционных занятий по соответствующей теме.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель с большим коэффициентом усиления (например 10000, 100000 и т.д.), имеющий два высокоомных входа и один низкоомный выход. 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 схеме (рис .1), которая имеет два входа. Если обеспечить условие R1=R2 и идентичность параметров транзисторов VT1 и VT2,то выходное напряжение будет равно разности входных  напряжений, умноженной на коэффициент усилителя К.

Рис.1 Входной каскад ОУ

 

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. 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:

Рис. 3.

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

K = 1+R_ос/ R1;   K (jω) = K/(1+ jω/ω_гр),                                                                 (7)

Усилитель (рис.3,б) 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),                                                                  (8)

где ω_гр – граничная частота ОУ по уровню 0,707K (3 дБ).

Частным случаем усилителя (рис. 3, а) является усилитель (рис. 3, г) с коэффициентом усиления K=1, поэтому его называют повторителем напряжения. На рис. 3, в показано синфазное включение ОУ.

 

 

 

 

 

 

3.ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

 

ЭЛЕМЕНТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

           

1.      Генератор синусоидальных сигналов (рис. 4, а), подключается к входу цепи (рис. 5).

2.      Осциллограф двухлучевой (рис. 4, б), подключается к входу и выходу цепи (рис. 5).

3.      ОУ (рис. 4, в).

Рис. 4.

Рис. 5.

 

            Для исследований предложены три способа включения ОУ: для дифференциального сигнала по неинвертирующей схеме (рис. 6, а),  для дифференциального сигнала по инвертирующей схеме (рис. 6, б), для синфазного сигнала по инвертирующей схеме (рис. 6, в).

            Внешний вид макетной платы показан на рис. 7. Коэффициенты усиления для схем регулируются с помощью ручек переменных резисторов R1 и R3 (рис. 6). Значения их сопротивлений подобраны так что бы при крайнем максимальном положении ручек соотношение R1 / R2 = 10 и R3 / R4 = 10, а при крайнем минимальном R1 / R2 → 0 и R3 / R4 → 0.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

 

1. Подключите неинвертирующую схему включения ОУ для дифференциального сигнала (рис. 6, а). Пример подключения генератора и осциллографа к экспериментальной установке на основе макетной платы для исследований инвертирующей усиления показан на рис. 7.

 

 

Рис. 6.

2. Снимите амплитудно-частотную характеристику данной цепи (установив ручку переменного резистора примерно в среднее положение), амплитуду сигнала генератора установить в 1 В, изменяя частоту сигнала в диапазоне 20 Гц – 10 кГц (50 Гц, 100 Гц, 500 Гц, и т.д.), повышая разрешающую способность измерений в районе частоты среза, изменения частоты генератора производить с помощью ручек «множитель» и «частота». Измерения производить с помощью осциллографа. Измерение частоты исходного и  преобразованного сигнала производить опосредованно через измерение периода сигнала Т вх и Т вых. Данные занесите в таблицу 1.

 

Рис. 7.

Таблица 1.

Номер измерения / параметр		1	2	3	4	5	6	7	8	9	…
Генератор	F вх, Гц
Результаты измерения осциллограмм	Т вх, мс
	Т вых, мс
	U вх, В
	U вых, В
	F вх., Гц
	F вых., Гц
	Кu, дБ

 

3. Исследуйте динамический диапазон работы схемы. Для этого подавайте на вход сигнал с частотой 10 Гц, с амплитудой от 1 мВ до 3 В (1 мВ, 10 мВ, 100 мВ, 500 мВ, 1000 мВ, 1500 мВ, 2000 мВ, 3000 мВ) для двух крайних положений переменного резистора (R1, R3). С помощью осциллографа измерьте значения амплитуд напряжения сигнала (U вых) и шума (U шум). Данные измерений занести в таблицу 2. Отметить значение входного напряжения, при котором появляются нелинейные искажения, зарисовать соответствующую осциллограмму.

 

 

 

 

 

Таблица 2.

Положение R1		1	2	1	2	1	2	1	2	1	2
Генератор	U вх, мВ	1		10		100		…		3000
Результаты измерения осциллограмм	U вх, мВ
	U вых, мВ
	U шум, мВ
	Кu, дБ
	Наличие нелинейных искажений

 

4. Подключите инвертирующую схему включения ОУ для дифференциального сигнала (рис. 6, б), повторить измерения по пунктам 2 и 3. Результаты в таблицы 3 и 4, соответственно.

5. Подключите инвертирующую схему включения ОУ для синфазного сигнала (рис. 6, в), повторить измерения по пунктам 2 и 3. Результаты в таблицы 5 и 6, соответственно.

 

4. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

 

            Рассчитать значения частот, коэффициенты передачи (усиления).

 

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Формулировка цели работы.

Схемы, таблицы с результатами измерений.

Графики АЧХ и ЛАЧХ, исследуемых цепей.

Анализ полученных результатов, необходимые расчёты и выводы по работе.

 

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Почему входной каскад ОУ называется дифференциальным?

2. Объясните причину возникновения входных токов.

3. 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. Что такое динамический диапазон схемы усиления.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. -М.: радио и связь, 1986г.-512с.