Порядок проведения экспериментов.
Лабораторная работа № 5
Исследование характеристик операционного усилителя.
Цель:
1. Измерение входных токов операционного усилителя (ОУ).
2. Оценка величин среднего входного тока и разности входных токов ОУ.
3. Измерение напряжения смещения ОУ.
4. Измерение дифференциального входного сопротивления ОУ.
5. Вычисление выходного сопротивления ОУ.
6. Измерение скорости нарастания выходного напряжения ОУ.
Краткие сведения из теории.
Операционный усилитель – это усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный вход и один общий выход. ОУ – это аналоговая интегральная микросхема, снабженная пятью выводами. Два вывода ОУ используются в качестве входных, один – является выходным и еще два вывода используются для подключения источника питания. Условно-графические изображения ОУ приведены на рис. 1.
Рис. 1. Условно-графические изображения ОУ в электронных схемах:
а) в виде интегральной схемы, б) упрощенное обозначение.
С учетом фазовых соотношений входного и выходного сигналов один из входных выводов (вход 1) называется неинвертирущим, а другой (вход 2) – инвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сиг- нала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используют для введения в операционный усилитель внешних отрицательных обратных связей.
|
|
|
Выходное напряжение Uвых связано с входными напряжениями Uвх1 и Uвх2 соотношением:
Uвых = Еп (Uвх1 – Uвх2),
где К УО – собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению.
Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на два его входа (синфазный входной сигнал). Коэффициент усиления К УО в ОУ должен стремиться к бесконечности, однако на практике он ограничивается значением 105-106 или 100-120 дБ.
В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+Е П, - ЕП). Средний вывод этого источника является общей шиной для входных и выходных сигналов и в большинстве случаев не подключается к ОУ. В реальных ОУ напряжение питания лежит в диапазоне 3 - 18 В. Использование источника питания со средней точкой предполагает возможность изменения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напряжений ОУ.
|
|
|
Реальные ОУ строятся на основе двух- или трехкаскадных усилителей постоянного тока. Структурная схема трехкаскадного ОУ приведена на рис. 2. Она включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления.
Рис. 2. Структурная схема трехкаскадного ОУ.
Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно служит эмиттерный повторитель, обеспечивающий требуемую нагрузочную способность всей схемы, или усилитель мощности класса АВ. Поскольку коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя близок к единице, необходимое значение К UОУ операционного усилителя достигается с помощью дополнительных усилительных каскадов, включаемых между дифференциальным каскадом и эмиттерным повторителем. Согласующий каскад служит для согласования выходного сигнала дифференциального усилителя с выходным каскадом ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряжению, а также согласование фаз сигналов.
Интегральный операционный усилитель характеризуется рядом параметров, описывающих этот компонент с точки зрения качества выполнения им своих функций. Среди параметров, обычно приводимых в справочных данных, основными являются следующие.
|
|
|
Средний входной ток Iвх. В отсутствие 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, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напряжения на выходе в отсутствии 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, вычисляемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов:
I ВХ=(I 1 + I 2)/2,
где I 1 и I 2 соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов.
Разность входных токов определяется выражением:
ΔI ВХ=I 1 – I 2.
В справочниках указывают модуль этой величины. Схема для измерения входных токов представлена на рис. 3.
Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе К У – показатель ОУ, определяющий насколько хорошо выполняет ОУ основную функцию – усиление входных сигналов. У идеального усилителя коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности. Коэффициент усиления напряжения схемы усилителя на ОУ (рис. 4) вычисляется по формуле:
|
|
|
K У=R2/R1.
Напряжение смещения Uсм – значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю. Напряжение смещения Uсм можно вычислить, зная выходное напряжение при отсутствии напряжения на входе и коэффициент усиления:
Uсм=ΔU ВЫХ / K У.
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 находится обычно в пределах 10 кОм – 10 МОм. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения к вызванному приращению среднего входного тока:
R ВХ.СФ.= ΔU ВХ.СФ. /ΔI ВХ.СР.
Дифференциальное входное сопротивление существует между входами ОУ и может быть определено по формуле:
R ВХ.ДИФ= ΔU ВХ /ΔI В,
где ΔU ВХ – изменение напряжения между входами ОУ, ΔI ВХ – изменение входного тока.
Выходное сопротивление Rвых в интегральных ОУ составляет 20 – 2000 Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки. Схема для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходного сопротивления приведена на рис. 5.
Скорость нарастания выходного напряжения Vuвыхравна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений.
Vuвых= U ВЫХ / t УСТ.
Порядок проведения экспериментов.
Отчет сделать в электронном варианте, создав файл MS Word по шаблону «Фамилия_№ группы_Лабораторная 5.docx» и сохранив его в папке «Электронная техника» на диске вашей группы. Отчет должен содержать название работы, цели. Далее после фразы «Ход работы» необходимо по порядку выполнить все эксперименты. Для каждого эксперимента в отчет поместить скрин собранной схемы, результаты измерений, привести расчеты.
Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 71; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!