Лабораторная работа №6. Лабораторная работа 6 исследование характеристик операционного усилителя
 Скачать 345.87 Kb.
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ Цель работы: Исследование статических и динамических характеристик операционного усилителя. 6.1 Теоретические сведения Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, предназначенный для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами: их усиление или ослабление, сложение или вычитание, интегрирование или дифференцирование, преобразование их формы и др. Один из входов изменяет полярность выходного напряжения и поэтому называется инвертирующим, а другой не изменяет полярности выходного напряжения и называется — неинвертирующим. Инвертирующий вход отмечается кружочком или пишется около него знак минус (-). Неинвертирующий вход или совсем не отмечается, или около него пишется знак плюс (+). 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 вх I . 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 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: 2 2 1 I I I вх , где 1 I и 2 I соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов. Разность входных токов вх I определяется выражением: 2 1 I I I вх В справочниках указывают модуль этой величины. Схема для измерения входных токов представлена на рисунке 1. 2 Рисунок 1 Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе 0 K - 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 (рисунок 2) вычисляется по формуле: 1 2 R R K у Рисунок 2 Напряжение смещения см U - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю. Напряжение смещения см U можно вычислить, зная выходное напряжение вых U при отсутствии напряжения на входе и коэффициент усиления: у вых см К U U Входное сопротивление вх R . 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 сф . вх U к вызванному приращению среднего входного тока ср . вх I : ср . вх сф . вх сф . вх I U R 3 Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между входами ОУ и может быть определено по формуле: вх вх диф . вх I U R где вх U - изменение напряжения между входами ОУ, вх I - изменение входного тока. Рисунок 3 Выходное сопротивление вых R 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 рисунке 3. 6.2 Порядок проведения экспериментов Результаты всех измерений и расчетов занести в раздел «Результаты экспериментов». Эксперимент 1 - Измерение входных токов Соберите схему, изображенную на рисунке 1. Включите схему. Измерьте входные токи ОУ. По результатам измерений вычислите средний входной ток вх I и разность вх I входных токов ОУ. Эксперимент 2 - Измерение напряжения смещения Соберите схему, изображенную на рисунке 2. Включите схему. Запишите показания вольтметра. По результатам измерения, вычислите напряжение смещения см U используя коэффициент усиления схемы на ОУ. Эксперимент 3 - Измерение входного и выходного сопротивлений 1) Соберите схему, изображенную на рисунке 3. Включите схему. Измерьте входной ток вх I и выходное напряжение вых U запишите показания. Переключите ключ клавишей [Sрасе]. Измерьте входной ток после переключения ключа. Рассчитайте изменения входного напряжения и тока. По полученным результатам вычислите дифференциальное входное сопротивление ОУ. 2) Уменьшайте сопротивление нагрузочного резистора 2 R до тех пор, пока выходное напряжение вых U не будет примерно равно половине значения полученного в п. 1). Запишите значение сопротивления 2 R , которое в этом случае приблизительно равно выходному сопротивлению вых U ОУ. 4 6.3 Результаты экспериментов Эксперимент 1 - Измерение входных токов Ток неинвертирующего входа 1 I = ___________ Ток инвертирующего входа 2 I = ___________ Средний входной ток вх I =____________ Разность входных токов ОУ вх I =____________ Эксперимент 2 - Измерение напряжения смещения Выходное напряжение усилителя вых U = ___________ Коэффициент усиления схемы ____________ Напряжение смещения см U = ___________ Эксперимент 3 - Измерение входного и выходного сопротивлений а) Входной ток до переключения ключа вх I = _________ мкА Входной ток после переключения ключа вх I = __________ мкА Изменение входного напряжения U = __________ мВ Изменение входного тока I = ___________ мкА Входное дифференциальное сопротивление ОУ вх R = __________Ом б) Выходное напряжение вых U = _________ В Выходное сопротивление ОУ вых R = __________Ом Контрольные вопросы 1. Объяснить основные особенности операционных усилителей. 2. Расскажите о структурном построении ОУ 3. Перечислите основные узлы, из которых состоит ОУ. 4. Перечислите основные параметры и характеристики ОУ. 5. Какие электронные устройства можно строить на базе ОУ? 6. Какая частотная характеристика ОУ? 7. Дайте определение коэффициента ослабления синфазных сигналов. 8. Объяснить физический смысл энергетический смысл синфазных сигналов. 9. В чем причина возникновения входных токов ОУ и разности входных токов? 10. К чему они приводят при работе схем на ОУ? |