«Исследование электронных схем на основе операционных усилителей». ЛР1 ИБ-227 Чертова К.С. ЭиСх. Лабораторная работа эв3 Исследование электронных схем на основе операционных усилителей

• Название: Лабораторная работа эв3 Исследование электронных схем на основе операционных усилителей
• Анкор: «Исследование электронных схем на основе операционных усилителей
• Дата: 27.04.2023
• Размер: 0.7 Mb.
• Имя файла: ЛР1 ИБ-227 Чертова К.С. ЭиСх.docx
• Тип: Лабораторная работа; #1093678

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Уфимский государственный авиационный технический университет
Кафедра ВТиЗИ


Лабораторная работа ЭВ-3

«Исследование электронных схем на основе операционных усилителей»

Выполнили: ст. гр. ИБ-227

Уфа 2022 г.

Цель работы:

Изучение операционных усилителей (ОУ), знакомство с их основными характеристиками, получение навыков моделирования процессов в электронных схемах в пакете Micro-Cap.
Рабочее задание:

1. 
   Собрать схему повторителя напряжения на базе операционного усилителя.
   
2. 
   Изменяя амплитуду входного сигнала, определить, как изменяются амплитуда и форма выходного сигнала. Полученные экспериментальные данные, занести в таблицу 3.4. По данным табл. 3.4 построить амплитудную характеристику усилителя.
   
3. 
   Выяснить, какие формы, амплитуды и частоты имеют входное и выходное напряжения в одном из рабочих режимов п.п.2 (как на линейном, так и на нелинейном участках амплитудной характеристики).
   
4. 
   Определить, как влияет напряжение питания операционного усилителя на форму выходного сигнала.
   
5. 
   Построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики усилителя (АЧХ и ФЧХ).
   
6. 
   Собрать схему инвертирующего усилителя на базе операционного усилителя с коэффициентом усиления, заданным преподавателем (рис. 3.10). Провести эксперимент аналогично п.п. 2-5.
   

Расчетное задание:

1. 
   По временным диаграммам входного и выходного напряжений усилителя определить коэффициент усиления по напряжению (на линейном участке амплитудной характеристики) и сравнить его с теоретически рассчитанным.
   
2. 
   По амплитудной характеристике определить рабочий диапазон изменения амплитуды входного напряжения.
   
3. 
   По АЧХ определить полосу пропускания (рабочий диапазон по частоте) усилительного каскада, то есть область частот, в которой изменения коэффициента усиления по напряжению не превосходят 3 дБ.
   
4. 
   По ФЧХ определить фазовый сдвиг между выходным и входным сигналами усилителя.
   
5. 
   Определить номиналы резисторов, обеспечивающих заданный преподавателем коэффициент усиления по напряжению в схеме инвертирующего усилителя.
   

Ход работы:

Задание 1.

Схема повторителя напряжения на базе операционного усилителя (LF155A):



Рисунок 1
Установили входное напряжение U_вх=1 (В) и построили графики входного и выходного напряжений.



Рисунок 2
Установили входное напряжение U_вх=16 (В) и построили графики входного и выходного напряжений.



Рисунок 3
Изменяя амплитуду входного сигнала, определили амплитуду выходного и заполнили таблицу, рассчитав коэффициент усиления:

Uвх, B	1	4	7	10	13	16
Uвых, B	1	4	7	10	12.955	13.013
	1	1	1	1	0.996	0.813

Таблица 1
Построили по таблице график. Затем рассчитали U_гр.



Рисунок 4
(В)

Запустили режим многовариантного анализа Stepping для изменения напряжения питания операционного усилителя. Получили графические зависимости:



Рисунок 5
Для построения амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик усилителя (АЧХ и ФЧХ) запустили анализ по переменному току:



Рисунок 6


;


Находим частоту:



Рисунок 7



Рисунок 8

Верхняя граничная частота fB = 3.357 (МГц)

Находим угол сдвига фаз:



Рисунок 9

= -1.439°

Задание 2.



Схема инвертирующего усилителя напряжения на базе операционного усилителя:

(Ом)

(Ом)


Рисунок 10
Установили входное напряжение U_вх=1 (В) и построили графики входного и выходного напряжений.



Рисунок 11
Установили входное напряжение U_вх=16 (В) и построили графики входного и выходного напряжений.


Рисунок 12

Изменяя амплитуду входного сигнала, определили амплитуду выходного и заполнили таблицу:

Uвх, B	1	4	7	10	13	16
Uвых, B	-12.903	-13.015	-13.015	-13.015	-13.015	-13.015
Ku	12.903	3.254	1.859	1.3015	1.0012	0.8134

Таблица 2

Построили по таблицу график и рассчитали :



Рисунок 13

(В)

Запустили режим многовариантного анализа Stepping. Установив параметры, получили графические зависимости:



Рисунок 14
Для построения амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик усилителя (АЧХ и ФЧХ) запустили анализ по переменному току:



Рисунок 15



Находим частоту:



Рисунок 16
Верхняя граничная частота fB = 177,264 (КГц)
Находим угол сдвига фаз:


Рисунок 17

=179.980°
Выводы:

Для изучения операционных усилителей были построены схемы повторителя и усилителя с коэффициентом 13. Изученные схемы с ОУ дают понять, что ОУ не выполняют требования “идеального усилителя”.
Были исследованы амплитудные характеристики схем, выходное усиленное напряжение ограничено питанием ОУ (13 вольт). Это ограничивает бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению.
По амплитудным характеристикам были построены графики. Были вычислены U_гр повторителя и усилителя. На нем заканчивается линейный участок амплитудной характеристики операционного усилителя.
Были изучены амплитудно-частотные характеристики, были получены верхние граничные частоты (для повторителя - 3.357 МГц, для усилителя - 177,264 КГц). Это не соответствует бесконечно большой полосе пропускания идеальных ОУ.
Были также изучены фазо-частотные характеристики, у повторителя совпадают фазы, а инвертирующего усилителя выходное и входное напряжение находится в противофазе.

Список проработанной литературы:

Методические указания Электроника Лабораторный практикум по дисциплине «Электротехника и электроника» с применением пакета схемотехнического моделирования Micro-Cap. Составители: Р.В. Ахмадеев, Т.М. Крымская, О.В. Мельничук.