операционный усилитель. ПР1 ОУ вариант 2. 2. Описание лабораторной установки
 Скачать 1.91 Mb.
|
|
1. Цель работы: изучение структуры, принципа действия и основных параметров операционных усилителей; изучение схемы исследуемого ОУ К153УД2; экспериментальные исследования инвертирующего и неинвертирующего усилителей в области НЧ; экспериментальное исследование частотных свойств усилителей на ОУ. 2. Описание лабораторной установки: Рисунок 1 - Инвертирующий усилитель Рисунок 2 - Неинвертирующий усилитель 3. Результаты измерений и вычислений Задание 1: Практическое ознакомление с работой лабораторной установки, приобретение навыков балансировки ОУ, качественная оценка влияние цепи обратной связи на разбаланс ОУ, оценка характера шумового напряжения на выходе ОУ. 1) При ОС равной 0 выполнить балансировку невозможно, смещение напряжения составляет от -12 до +12 вольт 2) При введении ОС: чем глубже ОС, тем менее чувствителен усилитель к балансировке. 3) Рассмотрим пределы смещения напряжения на осцилографе при различных R и ОС R : Таблица 1 Ом R 22 кОм R 2 , 2 ОС R , кОм Смещение U , В ОС R , кОм Смещение U , В 2,2 -0,11..+0,07 2,2 - 22 -1,1..+0,7 22 - 220 -12..+7,5 220 -0,15..+0,1 2200 -12..+12 2200 -1,5..+0,8 4) Явление шумов наблюдается при кОм R 2 , 2 с кО R ОС 2 , 2 и кОм 22 5) При включении коррекции уровень шума значительно уменьшается. Задание 2: Измерение низкочастотного коэффициента усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей при различной глубине ОС. Инвертирующий усилитель Таблица 2 R кОм 2 , 2 Ом 22 ОС R МОм 2 , 2 кОм 220 кОм 22 кОм 2 , 2 МОм 2 , 2 кОм 220 кОм 22 кОм 2 , 2 ВЫХ U 26 0 -27 -44 -24 -53 3 10 КОР ВЫХ U 10 -10 -27 -47 -24 -54 -64 -83 ВХ U -84 -86 -86 -86 -83 -83 -83 -83 К 110 86 59 42 59 30 86 93 кор К / 94 76 59 39 59 29 19 5 Неинвертирующий усилитель Таблица 3 R кОм 2 , 2 Ом 22 ОС R МОм 2 , 2 кОм 220 кОм 22 кОм 2 , 2 МОм 2 , 2 кОм 220 кОм 22 кОм 2 , 2 ВЫХ U -24 -43 13 15 17 -4 -24 -43,5 КОР ВЫХ U -24 -44 -63 -63 11 -4 -24 -44 ВХ U -83 -83 -83,5 -83,5 -83,5 -83,5 -83,5 -83,5 К 59 40 96,5 98 100,5 79,5 59,5 40 кор К / 59 39 20,5 8,5 94,5 79,5 59,5 39,5 Рисунок 1 – Коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителя при R oc =2.2 кОм Рисунок 2 – Коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителя при R oc =22 Ом 4. Вывод Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления по напряжению, имеющий дифференциальный вход (два входных вывода) и один об выход. Название ОУ связана с первоначальным их применением главным образом для выполнения ручных операций над аналоговыми сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и т. д.). Входной каскад ОУ представляет собой дифференциальный усилитель и реагирует на дифференциальный сигнал (разность входных напряжений). Один из входов усилителя (Uвх,нн) называется неинвертирующим или прямым, а второй (Uвх,и) – инвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. При подаче сигнала на инвертирующий вход приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход обычно используется для введения в ОУ внешних отрицательных обратных связей. Для обеспечения возможности работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными входными и выходными напряжениями применяется двухполярное напряжение питания (+Uпит, -Uпит). Для упрощения расчета и анализа схем с СУ вводится понятие “идеальный ОУ”, у которого коэффициент усиления по напряжению и входное сопротивление стремятся к бесконечности, а выходное сопротивление приближается к нулю. При некоторых значениях дифференциального сигнала ОУ входит в режим насыщения, при котором выходное напряжение близко к напряжению питания. В реальных ОУ эта характеристика несколько сдвинута влево или вправо от нуля, вследствие разброса параметров элементов ОУ усилителя (в частности транзисторов). Для того, чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход ОУ некоторую разность напряжений, которая называется напряжением смещения нуля Uсм. Это величина обычно составляет несколько mV и может быть скомпенсирована. Выходное напряжение при дифференциальном сигнале, равном нулю называется остаточным напряжением ∆Uвых0, которое не превышает 1-2 V. При одинаковых напряжениях на входах ОУ Uвх н=Uвх и дифференциальное напряжение Uд равно нулю. Должно быть равно нулю и выходное напряжение Uвых, однако в реальных ОУ вследствие разброса параметров дифференциального каскада, выходное напряжение не равно нулю т.е. существует коэффициент усиления синфазного сигнала Кu,сф При некоторых достаточно больших значениях напряжений на входах ОУ, превышающих максимально допустимое значение Uвх max, происходит существенное возрастание Кu сф. В допустимом диапазоне входных напряжений, называемом областью ослабления синфазного сигнала, неидеальность ОУ характеризуется параметром, называемым коэффициентом ослабления синфазного сигнала: При переменных входных сигналах одним из основных параметров ОУ является частотная характеристика Если на входы ОУ подать нулевой потенциал Uвх н=Uвх и=0, могут иметь место входные токи, обусловленные конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада. Входные токи, проходя через сопротивления, включенные в цепь входа ОУ, могут создать падения напряжения при разных сопротивлениях и вызвать во входных цепях ОУ появление дифференциального напряжения на входе ОУ. Входные токи ОУ Iвх могут составлять диапазон 0,15...1 nА. Разность входных токов ∆Iвх обусловлена разбросом. параметров транзисторов дифференциального каскада, что может вызвать появление дифференциального входного сигнала даже при внешних одинаковых сопротивлениях, выполненных в цепи входов ОУ. ∆I вх ОУ находится в пределах 0,05..,1,5×10 3 nА. Максимальный ток, потребляемый ОУ, является суммарным током всех каскадов ОУ и может иметь значение от 2 до 18 mА. Важными эксплуатационными параметрами ОУ являются максимальные входные напряжения Uвх max и максимальные синфазные входные напряжения Uвх сф max. Превышения максимальных входных напряжений Uвх max приводят к выходу параметров ОУ за установленные границы или разрушению ОУ. Максимальное синфазное входное напряжение Uвх сф max - наибольшее значение напряжения, прикладываемого одновременно к обоим входам ОУ относительно нулевого потенциала. Превышение этого параметра нарушает работоспособность ОУ. Uвх max находится в пределах 1,5 - 15 V, а Uвх сф max от 3 до 13,5 V. |