Исследование характеристик операционного усилителя

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

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

Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru

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 Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru микросхемы ОУ.

Известно, что коэффициент усиления усилительного звена с отрицательной обратной связью определяется выражением Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru (где: Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru - коэффициент обратной связи). С учетом этого выражения коэффициент усиления Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru микросхемы ОУ можно определить по известным значениям коэффициента усиления операционного усилителя Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru с обратной связью и коэффициента обратной связи Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru следующим образом: Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru .

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 Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru на входе усилителя.

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

Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru

Рисунок 1. Принципиальная электрическая схема для исследования характеристик ОУ.

На схеме (рис.1) Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru и Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru - резисторы, организующие входной делитель напряжения. С помощью этого делителя формируется напряжение, подаваемое на вход микросхемы ОУ. При указанных номиналах резисторов делителя коэффициент деления Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru , из чего следует, что напряжение Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru , выраженное в милливольтах, численно равно напряжению Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru , измеренному в вольтах. Например, если установлено значение
Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru В, это означает, что на вход микросхемы ОУ подается Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru В или 5 мВ.

На схеме (рис.1) Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru кОм (два последовательно соединенных резистора номиналами по 100 кОм) и Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru Ом организуют цепь отрицательной обратной связи. Коэффициент обратной связиИсследование характеристик операционного усилителя - student2.ruпри указанных номиналах резисторов составляет: Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru .

4. Эксперимент. В процессе испытания операционного усилителя с отрицательной обратной связью необходимо построить его амплитудную характеристику. Для этого следует, изменяя входное напряжение Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru , измерять значения Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru , соответствующие установленным значениям Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru .

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

Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru

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

Проводя испытания, необходимо получить 4-5 парных значений Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru , Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru для построения линейного участка характеристики и 3-4 значения для участков, где характеристика переходит в область насыщения. По завершении эксперимента измерить напряжения источников питания Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru и Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru .

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: Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru (где: Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru – приращение выходного сигнала, а Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru – приращение входного сигнала, вызвавшего изменение выхода на величину Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru ). Следует отметить, что для определения коэффициента усиления Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru необходимо выбирать линейный участок амплитудной характеристики.

5.3. Рассчитать коэффициент усиления микросхемы, используя следующую зависимость: Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru

5.4. По данным графика амплитудной характеристики определить коэффициент линейности характеристики Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru и коэффициент насыщения характеристики Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru . Здесь Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru – максимальное значение линейного участка характеристики (см. рис. 2), а Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru – максимальное значение Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru 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 Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru , Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru , а также Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru и Исследование характеристик операционного усилителя - student2.ru .

Наши рекомендации