Лабороторная electronic workbench. Основы электроники лаб 5. Лабораторная работа Исследование характеристик операционного усилителя Цель Измерение входных токов операционного усилителя (ОУ). Оценка величин среднего входного тока и разности входных токов оу
 Скачать 308.41 Kb.
|
|
6 Лабораторная работа 6. 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. 6.1 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 вы- водами. Два вывода ОУ используются в качестве входных, один - является вы- 39 ходным и еще два вывода используются для подключения источника питания. Условно-графические изображения ОУ приведены на рисунке 6.1. Вход1 Вход2 Uвх2 +En Выход Uвх1 -En Uвых Rн Uвх.и Uвх.н - + Uвых  Рисунок 6.1 - 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) - ин- вертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение вы- ходного 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 прира- щением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используют для введе- ния в операционный усилитель внешних отрицательных обратных связей. Выходное напряжение Uвых связано с входными напряжениями Uвх1 и Uвх2соотношением: UÂÛÕ ÊÓÎ (UÂÕ1 UÂÕ2), где КУО – собственный коэффициент усиления ОУ по напряжению. Из приведенного выражения следует, что ОУ воспринимает только раз- ность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигна- лом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздейст- вующей одновременно на два его входа (синфазный входной сигнал). Коэффи- циент усиления КУО в ОУ должен стремиться к бесконечности, однако на прак- тике он ограничивается значением 105-106 или 100-120 дБ. В качестве источника питания ОУ используют двухполярный источник напряжения (+ЕП, - 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. Использо- вание источника питания со средней точкой предполагает возможность изме- нения не только уровня, но и полярности как входного, так и выходного напря- жений ОУ. Р  еальные ОУ строятся на основе двух- или трехкаскадных усилителей постоянного тока. Структурная схема трехкаскадного ОУ приведена на рисунке 6.2. Она включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления. Uвх Uвых Входной каскад Согласующий каскад Выходной каскад Рисунок 6.2 – Структурная схема трехкаскадного ОУ Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, применяемый в каче- стве входного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно служит эмиттерный повторитель, обеспечивающий требуемую нагрузочную способ- ность всей схемы, или усилитель мощности класса АВ. Поскольку коэффици- ент усиления по напряжению эмиттерного повторителя близок к единице, не- обходимое значение КUОУ операционного усилителя достигается с помощью дополнительных усилительных каскадов, включаемых между дифференциаль- ным каскадом и эмиттерным повторителем. Согласующий каскад служит для согласования выходного сигнала дифференциального усилителя с выходным каскадом ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряже- нию, а также согласование фаз сигналов. Интегральный операционный усилитель характеризуется рядом парамет- ров, 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 сопротивле- ние 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: IВХ=(I1 +I2)/2 где I1 и I2 соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов. Разность входных токов определяется выражением: IВХ=I1 - I2 В справочниках указывают модуль этой величины. Схема для измерения входных токов представлена на рисунке 6.3. Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе КУ - показа- тель ОУ, определяющий насколько хорошо выполняет ОУ основную функцию - усиление входных сигналов. У идеального усилителя коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности. Коэффициент усиления напряжения схе- мы усилителя на ОУ (рисунок 6.4) вычисляется по формуле: KУ=R2/R1 Напряжение смещения Uсм - значение напряжения, которое необходи- мо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю. На- пряжение смещения Uсм можно вычислить, зная выходное напряжение при от- сутствии напряжения на входе и коэффициент усиления: Uсм=UВЫХ / KУ Входное сопротивление Rвх. Различают две составляющие входного со- противления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротив- ление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и "землей"). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ на- ходится обычно в пределах 10 кОм - 10 МОм. Входное сопротивление по син- фазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазно- го напряжения к вызванному приращению среднего входного тока : RВХ.СФ.= UВХ.СФ. /IВХ.СР. Дифференциальное входное сопротивление существует между входами ОУ и может быть определено по формуле: RВХ.ДИФ= UВХ /IВХ где UВХ - изменение напряжения между входами ОУ, IВХ - изменение входного тока. Выходное сопротивление Rвых в интегральных ОУ составляет 20-2000 Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, осо- бенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки. Схе- ма для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходно- го сопротивления приведена на рисунке 6.5. Скорость нарастания выходного напряжения Vuвых равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нараста- ния определяется интервалом времени, в течение которого выходное напряже- ние ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений. Vuвых= UВЫХ / tУСТ Схема для измерения скорости нарастания выходного напряжения пока- зана на рисунке 6.6. Измерения проводятся при подаче импульса в виде ступени на вход ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) с общим ко- эффициентом усиления от 1 до 10. 6.2 Порядок проведения экспериментов Эксперимент 1. Измерение входных токов. Откройте файл с11_001 со схемой, изображенной на рис. 6.3. Включите схему. Измерьте входные токи ОУ. По результатам измерений вычислите сред- ний входной ток IВХ и разность входных токов ОУ. Результаты занесите в раз- дел "Результаты экспериментов".  Рисунок 6.3 – Схема для измерения входных токов ОУ Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения.  Откройте файл с11_002 со схемой, изображенной на рисунке 6.4. Вклю- чите схему. Запишите показания вольтметра в раздел "Результаты эксперимен- тов". По результатам измерения, вычислите напряжение смещения Uсм, ис- пользуя коэффициент усиления схемы на ОУ. Результаты вычислений также занесите в раздел "Результаты экспериментов". Рисунок 6.4 – Схема для измерения напряжения смещения ОУ Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений. а) Откройте файл с11_003 со схемой, изображенной на рисунке 6.5. Включите схему. Измерьте входной ток IВХ и выходное напряжение UВЫХ запи- шите показания в раздел "Результаты экспериментов". Переключите ключ кла- вишей [Space]. Измерьте входной ток после переключения ключа. Рассчитайте изменения входного напряжения и тока. По полученным результатам вычисли- те дифференциальное входное сопротивление ОУ. Результаты занесите в раздел "Результаты экспериментов". Р  исунок 6.5 - Схема для измерения сопротивлений ОУ б) Уменьшайте сопротивление нагрузочного резистора RL до тех пор, по- ка выходное напряжение UВЫХ не будет примерно равно половине значения по- лученного в предыдущем пункте (а). Запишите значение сопротивления RL, ко- торое в этом случае приблизительно равно выходному сопротивлению UВЫХ ОУ, в раздел "Результаты экспериментов". Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряже- ния ОУ. Откройте файл с11_004 со схемой, изображенной на рисунке 6.6. Рисунок 6.6 - Схема для измерения нарастания выходного напряжения ОУ В  ключите схему. Отобразите осциллограмму выходного напряжения в разделе "Результаты экспериментов". По осциллограмме определите величину выходного напряжения, время его установления и вычислите скорость нараста- ния выходного напряжения в В/мкс. Запишите результат в раздел "Результаты экспериментов". 6.3 Результаты экспериментов Эксперимент 1. Измерение входных токов. Ток неинвертирующего входа Ток инвертирующего входа Средний входной ток Разность входных токов ОУ Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения. Выходное напряжение усилителя Коэффициент усиления схемы Напряжение смещения Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений. измерение измерение измерение расчет измерение расчет расчет ОУ. а) Входной ток IВХ , мкА до переключения ключа Входной ток IВХ , мкА после переключения ключа Изменение входного напряжения, мВ Изменение входного тока, мкА Входное дифференциальное сопротивление ОУ, Ом б) Выходное напряжение UВЫХ , В Выходное сопротивление ОУ Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения измерение измерение расчет Выходное напряжение UВЫХ Время установления выходного напряжения Скорость нарастания выходного напряжения ОУ 6.4 Контрольные вопросы 1. К какому классу усилителей относится операционный усилитель? 2. Каковы основные требования к электрическим параметрам ОУ? 3. Приведите условно-графические изображения ОУ в электронных схе- мах, дайте характеристику внешних выводов. 4. Каким соотношением выходное напряжение связано с входными на- пряжениями ОУ? Что такое дифференциальный входной сигнал? 5. Что используют в качестве источника питания ОУ? 6. Приведите структурную схему ОУ, объясните назначение всех каска- дов. 7. Что представляют собой передаточные характеристики ОУ? 8. Перечислите основные параметры операционного усилителя. 9. Что такое напряжение смещения? Как его вычислить? 10. Сравните между собой величины входного и выходного сопротивле- ний ОУ? 11. В чем причина возникновения входных токов ОУ и разности входных токов? К чему они приводят при работе схем на ОУ? |