Программа работы и методические указания

1. Измерение напряжения смещения нуля и входных токов смещения

Измерение производится по схеме рис.1, которую необходимо создать используя элементы и приборы на рабочем столе программы Electronics Workbench.

Рис.1. Схема для измерения напряжения смещения нуля

и входных токов смещения

Открыть панель мультиметра, установить режим измерения постоянного напряжения, изменяя положение подвижного контакта потенциометра R, добиться равенства нулю выходного напряжения. Перемещение подвижного контакта вниз производится нажатием клавиши R, перемещение вверх производится нажатием клавишей Shift+R. Полученное напряжение на входе - есть напряжение смещения нуля .

Токи, протекающие во входных цепях ОУ, при нулевом входном напряжении называются входными токами смещения; измерить и , вычислить среднее значение и разность токов .

2. Снятие амплитудной характеристики операционного усилителя

Перед снятием характеристики необходимо произвести коррекцию нуля ОУ, для чего на неинвертирующий вход установить источник, напряжение которого равно напряжению смещения нуля ОУ (рис.2).

Рис.2. Схема для снятия амплитудной характеристики ОУ

Изменяя напряжение источника, подключенного к инвертирующему входу от 0 до 350 мкВ с шагом 50 мкВ, измерять напряжение на выходе, затем поменять полярность включения регулируемого источника и проделать аналогичный эксперимент. По полученным данным построить амплитудную характеристику ОУ.

3. Определение дифференциального коэффициента усиления

Коэффициент усиления ОУ определяется на линейной части амплитудной характеристики как .

4. Измерение входного сопротивления

На рабочем поле EWB составить измерительную схему (рис.3).

Рис.3. Схема для измерения входного сопротивления

К инвертирующему входу подключить генератор синусоидального напряжения и установить напряжение, соответствующее линейной части амплитудной характеристики. Измерить переменное напряжение между входами . Рассчитать входное сопротивление _, учитывая, что образует с резистором (1МОм) делитель напряжения, т.е. измерительную схему можно представить в виде, показанном на рис.4.

Рис.4. Схема для расчета входного сопротивления усилителя

5. Измерение выходного сопротивления

На рабочем поле EWB составить измерительную схему (рис.5).

Рис.5. Схема для измерения выходного сопротивления

Установить переменное входное напряжение, соответствующее линейному режиму работы ОУ. Клавишей пробел отключить нагрузку и измерить напряжение на выходе в режиме холостого хода , затем подключить нагрузку и измерить напряжение на выходе нагруженного усилителя . Рассчитать выходное сопротивление ОУ как элемент делителя, образованного выходным сопротивлением и нагрузкой, т.е. измерительную схему можно представить в виде, показанном на рис.6.

Рис.6. Схема для расчета выходного сопротивления усилителя

6. Исследование амплитудно-частотной и фазовой характеристик ОУ

Снятие амплитудно-частотной (АЧХ) и фазовой (ФХ) характеристик ОУ производится по схеме рис.7

Рис.7. Схема для снятия амплитудно-частотной характеристики усилителя

Определить коэффициент усиления для низкой частоты 1 Гц. Задать переменное напряжение на входе порядка 10-100 мкВ частотой 1 Гц и измерить напряжение на выходе, рассчитать коэффициент усиления ОУ, сравнить результат с полученным ранее результатом в пункте 4. Увеличить частоту генератора в 100 раз, и вновь измерить и рассчитать . Убедиться, что с ростом частоты уменьшается. При построении АЧХ обычно пользуются логарифмическим масштабом, т.е. строят ЛАЧХ, при этом выражают в децибелах. Выразите полученные значения в децибелах.

Программа EWB обладает весьма развитой системой анализа электронных схем, которая, в том числе, позволяет автоматизировать процесс получения ЛАЧХ и ФХ. Первоначально следует обозначить номера узлов (node) в верхней строке меню Circuit, Schematic Options, show nodes. На схеме появятся номера узлов. Далее следует Analysis, AC Frequency, FSTART – 1Hz, FSTOP – 10MHz; swept type – Decade; Number of points –100; Vertical scale – decibel; Node for analysis – установить номер выходного узла, который вы увидите на вашей схеме; Simulate.

Полученные ЛАЧХ и ФХ увеличить до полного экрана, затем с помощью переключателей курсора и сетки (Toggle Cursors, Toggle Grid) установить курсор и сетку на поле рисунка. С помощью курсора найти верхнюю частоту среза , как частоту, на которой уменьшается на 3.01dB от своего максимального значения. На этой частоте найти фазовый сдвиг . По ЛАЧХ найти частоту единичного усиления .

7. Исследование переходной характеристики

Для получения переходной характеристики, отражающей изменение выходного напряжения под действием прямоугольного импульса на входе, следует собрать схему рис.8.

Рис.8. Схема для исследования переходных процессов в ОУ

Переходную характеристику можно построить, используя аналитические возможности программы. Путь запуска программы анализа переходных процессов: Analysis, Transient, TSTART, TSTOP, Simulate. Увеличить изображение, установить сетку и курсоры, определить время прохождения характеристики между точками, соответствующими напряжениям 5 и 10 В.

Рассчитать скорость изменения выходного напряжения r.

Расчетное задание

Рассчитать и проверить экспериментально напряжение сдвига для случая, изображенного на рис.9. Вариант выбирается по номеру рабочего места (таб. 1).

–это эдс на выходе ОУ при нулевом входном напряжении, она возникает под действием входных токов смещения и напряжения смещения нуля.

Таблица 1

Варианты
R1, кОм		0.5
R2, кОм			0.5

Рис. 9. Для оценки влияния входных токов смещения.

Для расчета нужно воспользоваться эквивалентной схемой ОУ (рис. 10)

Рис.10. Эквивалентная схема ОУ

Для расчета подключите к входу заданные резисторы, вычислите входное напряжение , а затем найдите напряжение сдвига

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

схемы экспериментов,

амплитудную характеристику,

логарифмическую характеристику,

фазовую характеристику,

данные расчетов и экспериментов,

данные об измеренных параметрах ОУ привести в табличном виде и сравнить их с паспортными параметрами ОУ.

Контрольные вопросы

Что называют напряжением смещения нуля ОУ?

Что такое входные токи смещения?

Объясните методику измерения входного сопротивления.

Объясните методику измерения выходного сопротивления.

Какое влияние на работу ОУ оказываю входные токи смещения?

Назовите характерные участки амплитудной (передаточной) характеристики ОУ.

Объясните эффект насыщения выходного напряжения.

Какой параметр характеризует частотные свойства ОУ?

Какой параметр характеризует импульсные свойства ОУ?

Какими параметрами должен обладать идеальный ОУ?

Физический эксперимент

Цель работы: ознакомление с параметрами операционных усилителей; экспериментальное определение параметров интегрального операционного усилителя 140УД1Б

Порядок выполнения работы

1. Определение коэффициента усиления для дифференциального сигнала

Определение коэффициента усиления для дифференциального сигнала производится по схеме рис.11.

Рис.11. Схема для измерения коэффициента усиления

дифференциального сигнала

Перед началом всех измерений балансируют усилитель по постоянному току, для этого переключателем S6 подключают вольтметр В7-26 к выходу усилителя. Регулированием напряжения источника «П» добиваются нулевого уровня на выходе усилителя. Этот процесс называют балансировкой или коррекцией нуля.

Для измерения коэффициента усиления дифференциального сигнала подают на вход синусоидальное напряжение от генератора Г3-36 частотой 100 Гц, устанавливают его уровень таким, чтобы переменное напряжение на выходе имело синусоидальную форму. Синусоидальность формы выходного напряжения контролируют осциллографом. С помощью переключателя S7 подключают вольтметр В3-38 к входу и выходу схемы и определяют и .

Коэффициент усилителя рассчитывают с учетом коэффициента деления входного делителя, образованного резисторами и :

.

2. Определение напряжения смещения нуля операционного усилителя

Определение напряжения смещения нуля усилителя производят по схеме рис.12 при замкнутых ключах S3 и S4.

Рис.12. Схема для измерения напряжения смещения нуля ОУ

На схеме изображены только те приборы, которые необходимы для данного эксперимента, остальные не следует отключать.

Вольтметр постоянного напряжения (В7-26) подключают к выходу, производят коррекцию нуля усилителя, т.е., изменяя напряжение источника «П», добиваются нулевого уровня на выходе. Затем вольтметр подключают переключателем S6 к источнику напряжения «П» и измеряют его напряжение , которое соответствует нулевому напряжению на выходе. Напряжение смещения рассчитывают с учетом коэффициента деления делителя.

.

3. Измерение входных токов смещения и разности

входных токов смещения

Определение входных токов и их разности также производится по схеме рис.2. Для этого размыкают ключ S3 . Входной ток , проходя через резистор R6, вызывает на нем падение напряжения, которое будет приложено к входу усилителя. Баланс нуля усилителя нарушается. Для балансировки усилителя изменяют напряжение источника постоянного напряжения «П» до тех пор, пока напряжение на выходе не будет равно нулю. Затем вольтметр постоянного напряжения подключают к источнику «П» и измеряют его напряжение . Разность напряжений - , равная падению напряжения на резисторе R6, и будет пропорциональна входному току , который, с учетом делителя R1, R4, определяется по формуле:

.

Для определения входного тока замыкают ключ S3 и размыкают S4. Естественно, баланс операционного усилителя вновь нарушится. Поэтому его восстанавливают изменением напряжения источника «П» и измеряют напряжение этого источника . Входной ток рассчитывают по формуле:

.

4. Определение значения входного сопротивления ОУ

Определение входного сопротивления операционного усилителя производится по схеме рис.13.

Рис. 13. Схема для измерения входного и выходного сопротивлений ОУ

При замкнутых ключах S3 и S4 балансируют усилитель при отключенном генераторе синусоидального напряжения. Затем на инвертирующий вход подают от генератора такое напряжение, чтобы напряжение на выходе было синусоидальным близким к максимальному значению, что контролируется осциллографом, и измеряют это напряжение. После этого размыкают выключатели S3 и S4, вновь измеряют выходное напряжение . Входное сопротивление рассчитывают по формуле:

.

5. Определение значения выходного сопротивления ОУ

Определение выходного сопротивления операционного усилителя производится также по схеме рис.13.

Ключи S3, S4 и S5 замыкают, балансируют усилитель при . Подают на вход усилителя синусоидальный сигнал от генератора, как и в предыдущем случае, и дважды измеряют переменное напряжение на выходе операционного усилителя - при отключенной нагрузке R8 ( ) и при подключенной нагрузке ( ). Выходное сопротивление рассчитывают по формуле:

.

6. Измерение коэффициента ослабления синфазного сигнала

Определение коэффициента ослабления синфазных напряжений производится по схеме рис14.

Рис.14. Схема для измерения коэффициента ослабления

синфазного сигнала

Перед измерениями необходимо предварительно сбалансировать усилитель с помощью источника «П» при , после чего на оба входа операционного усилителя подают одинаковые переменные напряжения, для этого следует замкнуть ключ S1. Действительно, напряжение генератора через одинаковые делители напряжения R1, R4 и R2, R5 поступают на инвертирующий и неинвертирующий входы. Напряжение генератора устанавливается порядка 5В. Измеряют переменное выходное напряжение, вызванное синфазным сигналом . Коэффициент усиления синфазных входных напряжений находят по формуле

.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала показывает, во сколько раз синфазный сигнал усиливается меньше, чем дифференциальный, вычисляют по формуле

.

Коэффициент ослабления синфазных напряжений обычно выражают в децибелах .

7. Сравните измеренные параметры операционного усилителя с паспортными данными.

Заполните таблицу 2, приведенную ниже, и сделайте вывод о соответствии данного экземпляра техническим условиям.

Таблица 2

Параметры операционного усилителя 140УД1Б

Параметры	Размерность	Значения паспортные	Значения измеренные
	-

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1) наименование и цель работы;

2) паспортные данные операционного усилителя 140УД1Б;

3) схемы экспериментов;

4) вывод формул для определения основных параметров операционного усилителя;

5) результаты измерений и расчетов;

6) выводы о соответствии исследуемого операционного усилителя паспортным данным.

Контрольные вопросы

1.Что называют напряжением смещения нуля ОУ?

2.Что такое входные токи смещения?

3.Объясните методику измерения входного сопротивления.

4.Объясните методику измерения выходного сопротивления.

5.Какое влияние на работу ОУ оказываю входные токи смещения?

6.Назовите характерные участки амплитудной (передаточной) характеристики ОУ.

7.Объясните эффект насыщения выходного напряжения.

8.Какой параметр характеризует частотные свойства ОУ?

9.Какой параметр характеризует импульсные свойства ОУ?

10.Какими параметрами должен обладать идеальный ОУ?

11.Дайте определение коэффициенту ослабления синфазного сигнала.