Исследование характеристик операционного усилителя

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Российский государственный университет
нефти и газа им. И.М. Губкина

Кафедра автоматизации технологических процессов

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Элементы и узлы технических средств автоматизации»

Для студентов специальности 22.03.01

«Автоматизация технологических процессов и производств»

Москва 2005 г.

Содержание

Лабораторная работа №1. 3

Лабораторная работа № 2. 6

Лабораторная работа № 3. 10

Лабораторная работа № 4. 12

Лабораторная работа №5. 16

Лабораторная работа №6. 20

Лабораторная работа № 7. 24

Лабораторная работа №1

Исследование характеристик операционного усилителя.

1. Цель работы – экспериментальное получение амплитудной характеристики операционного усилителя и определение на её основе коэффициента усиления микросхемы, на которой построен исследуемый ОУ.

2. Предварительные замечания.

Коэффициент усиления по напряжению А микросхем (МС), используемых для построения операционных усилителей (ОУ), является одним из основных параметров этих устройств. Параметр этот обычно указывается в справочниках, однако, реальное его значение для конкретного экземпляра МС может значительно отличаться от справочных данных. При необходимости получения более точного значения этого параметра можно прибегнуть к эксперименту и определить его в итоге снятия амплитудной характеристики микросхемы операционного усилителя.

Следует заметить, что экспериментальное исследование микросхемы оказывается затруднительным – из-за большого коэффициента усиления А (он может достигать нескольких сотен тысяч). Высокий коэффициент усиления ОУ приводит к тому, что незначительное изменение входного напряжения (единицы микровольт) приводит к существенному изменению выходного напряжения (порядка десятка вольт). Поэтому для непосредственного измерения коэффициента усиления ОУ требуется аппаратура, позволяющая с высокой точностью определять низкие напряжения (единицы микровольт). Существенное искажение результатов измерений вызывают шумы, вызванные внешними элементами измерительной схемы (соединительными проводами, источниками питания и др.), а также элементами самой микросхемы (транзисторы, сопротивления). Амплитуда шумов может значительно превышать рабочий диапазон входного напряжения ОУ, необходимого для нормальной работы ОУ, при котором выходное напряжение изменяется в допустимых пределах. Это также вносит неопределенность в процесс исследования ОУ.

С учётом указанных особенностей усилителя в данной лабораторной работе вместо непосредственного исследования микросхемы ОУ, испытаниям подвергается операционный усилитель с отрицательной обратной связью. При этом снимается амплитудная характеристика ОУ с обратной связью, которая используется для определения коэффициента усиления исследуемой схемы с обратной связью, а на его основе вычисляется значение коэффициента усиления микросхемы ОУ.

Известно, что коэффициент усиления усилительного звена с отрицательной обратной связью определяется выражением (где: - коэффициент обратной связи). С учетом этого выражения коэффициент усиления микросхемы ОУ можно определить по известным значениям коэффициента усиления операционного усилителя с обратной связью и коэффициента обратной связи следующим образом: .

3. Экспериментальная схема.

Работа выполняется на стенде, на котором установлена исследуемая микросхема ОУ (К140УД7). Имеется также ряд резисторов и конденсаторов для организации внешних цепей усилителя. Питается схема от двухполярного источника питания (Е₁ = +15 В, Е₂ = –15 В). Стенд содержит три регулируемых (в пределах +/–10В) источника напряжения, выполненных в виде делителей напряжения на основе переменных сопротивлений. Ручки регулировки напряжения выведены на внешнюю панель стенда. Один из источников напряжения – средний – используется для формирования напряжения на входе усилителя.

Для выполнения работы необходимо на лабораторном стенде собрать схему, приведенную на рис.1.

Рисунок 1. Принципиальная электрическая схема для исследования характеристик ОУ.

На схеме (рис.1) и - резисторы, организующие входной делитель напряжения. С помощью этого делителя формируется напряжение, подаваемое на вход микросхемы ОУ. При указанных номиналах резисторов делителя коэффициент деления , из чего следует, что напряжение , выраженное в милливольтах, численно равно напряжению , измеренному в вольтах. Например, если установлено значение
В, это означает, что на вход микросхемы ОУ подается В или 5 мВ.

На схеме (рис.1) кОм (два последовательно соединенных резистора номиналами по 100 кОм) и Ом организуют цепь отрицательной обратной связи. Коэффициент обратной связипри указанных номиналах резисторов составляет: .

4. Эксперимент. В процессе испытания операционного усилителя с отрицательной обратной связью необходимо построить его амплитудную характеристику. Для этого следует, изменяя входное напряжение , измерять значения , соответствующие установленным значениям .

Примерный вид амплитудной характеристики операционного усилителя с отрицательной обратной связью показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Примерный вид амплитудной характеристики ОУ с отрицательной обратной связью.

Проводя испытания, необходимо получить 4-5 парных значений , для построения линейного участка характеристики и 3-4 значения для участков, где характеристика переходит в область насыщения. По завершении эксперимента измерить напряжения источников питания и .

5. Обработка результатов эксперимента.

5.1. По результатам эксперимента построить график амплитудной характеристики операционного усилителя с отрицательной обратной связью. Экспериментальные точки, соответствующие линейному участку характеристики, аппроксимировать прямой.

5.2. По полученной амплитудной характеристике определить коэффициент усиления операционного усилителя с отрицательной обратной связью: (где: – приращение выходного сигнала, а – приращение входного сигнала, вызвавшего изменение выхода на величину ). Следует отметить, что для определения коэффициента усиления необходимо выбирать линейный участок амплитудной характеристики.

5.3. Рассчитать коэффициент усиления микросхемы, используя следующую зависимость:

5.4. По данным графика амплитудной характеристики определить коэффициент линейности характеристики и коэффициент насыщения характеристики . Здесь – максимальное значение линейного участка характеристики (см. рис. 2), а – максимальное значение на участке насыщения характеристики (см. рис. 2).

6. Отчёт по итогам испытаний

Отчёт должен содержать:

1. принципиальную электрическую схему для исследования ОУ;

2. таблицу с результатами испытаний;

3. график амплитудной характеристики;

4. результаты расчётов , , а также и .