Исследование усилительных каскадов
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью настоящей работы является:
1. изучение основных параметров ОУ и их влияния на характеристики усилителя на ОУ;
2. изучение схемотехники усилительных устройств на ОУ;
3. выработка навыков экспериментальной работы с ОУ на интегральных микросхемах.
2. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
2.1 Изучить основные параметры ОУ и методики их определения (подразделы 3.1, 3.2, Приложение 1).
2.2 Изучить принципиальные схемы инвертирующего, неинвертирующего, дифференциального усилителей на ОУ и принципиальную схему лабораторного макета (подразделы 3,2,4).
2.3 Уяснить назначение всех элементов на лицевой панели лабораторного макета (раздел 4).
2.4 Найти ответы на все контрольные вопросы (раздел 6).
2.5 Заготовить отчет о лабораторной работе, внеся в него все необходимые данные, кроме экспериментальных (раздел 5).
3. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, имеющий большой, но нестабильный коэффициент усиления по напряжению К>>1 (К=104 ...106), большое входное (Rвх=0.1...100 МОм) и малое выходное (Rвх=50...400 МОм) сопротивления. В линейных усилителях применяют ОУ только с цепями отрицательной обратной связи (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления К по напряжению до 1...103, но одновременно с этим стабилизирует К, увеличивает Rвх.ус и уменьшается Rвых.ус. Применение ОУ в усилителях без цепей ООС недопустимо.
3.1. Основные параметры ОУ.
Параметры ОУ можно условно разделить на две группы: к первой группе относятся параметры, характерные для всех линейных усилительных устройств:
1) коэффициент усиления по напряжению без обратной связи - К;
2) входное сопротивление Rвх.оу и входная емкость Cвх.оу;
3) выходное сопротивление Rвых.оу;
4) переходная характеристика (ПХ) и амплитудночастотная характеристика (АЧХ);
5) напряжение питания (обычно (15 В), ток потребления и мощность, рассеиваемая ОУ без нагрузки.
Ко второй группе относят параметры, учитывающие специфику ОУ, как дифференциального усилителя, имеющего два входа - инвертирующий (вход «–») и неинвертирующий (вход«+»).
При подаче сигнала на вход «–» выходное напряжение противофазно входному, при подаче сигнала на вход «+» фазы входного и выходного напряжений совпадают. Ко второй группе параметров ОУ относятся:
1) входное напряжение смещения Uсм;
2) входной ток смещения (см (входной ток по входу «–» - (см1, входной ток по входу «+» - (см2);
3) разность входных токов смещения (р=(см1–(см2;
4) коэффициент ослабления синфазных сигналов Fs оу, характеризующий способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам ОУ одновременно.
Входное напряжение смещения Uсм определяется, как напряжение, которое требуется приложить между входами «–» и «+» ОУ (см. рис. 3.1) с тем, чтобы обеспечить Uвых=0. В идеальном случае при нулевом дифференциальном входном напряжение на выходе ОУ напряжение Uвых=0, реально имеется Uвых(0, возникающее из-за разбаланса входного дифференциального каскада. Когда обеспечено Uвых=0 путем подачи на вход усилителя Uсм, говорят, что в усилителе установлен нуль, или он сбалансирован. Установка нуля усилителя на ОУ может быть выполнена подачей соответствующих сигналов как на вход «+», так и на вход «–».
ОУ в первом (входном) дифференциальном каскаде содержит транзисторы (биполярные или полевые). Этим транзисторам, как приборам, управляемым током, для базового смещения необходим определенный ток. Поэтому во всех усилителях на ОУ должны быть предусмотрены цепи протекания постоянных токов смещения (см, в противном случае усилитель будет неработоспособен.
4.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
В состав лабораторной установки входят:
1) лабораторный макет;
2) лабораторный блок питания (типа ТЭС 13);
3) универсальный вольтметр (типа В7-15, В7-16).
Лабораторный макет содержит:
а) усилитель на ОУ (типа К140УД9) с коммутационными элементами, обеспечивающими набор схем инвертирующего усилителя, повторителя напряжения, не инвертирующего усилителя;
б) дифференциальный усилитель на ОУ с внешними сопротивлениями, выполненными на микросхемной резистивной матрице (типа 301НР1); дифференциальный усилитель включается специальным переключателем (Вкл) и расположен в правой нижней части лицевой панели лабораторного макета;
в) два встроенных источника регулируемого постоянного напряжения (Uвых= – 1.5…+1.5В), расположенных на верхней части корпуса лабораторного макета (U1, U2);
г) встроенное переменное сопротивление (для измерения Rвых усилителя), выводы которого расположены в левой верхней части лицевой панели лабораторного макета;
д) встроенный источник регулируемого постоянного напряжения, предназначенного для компенсации напряжения смещения усилителя (с возможностью грубой и плавной регулировки), расположенный в левой нижней части лицевой панели лабораторного макета.
Питание лабораторного макета осуществляется от источника постоянного напряжения Еп=24…30В.
5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
5.1. Измерение токов и напряжения смещения.
5.3 Исследование неинвертирующего усилителя
а) Набрать на лабораторном макете схему неинвертирующего усилителя (рис.3.4.), обеспечив R1?100 кОм, Rос?1 Мом, R3?1 Мом (см. примечание в подразделе 5.1).
Провести измерения R1, Rос как это указанно в подразделе 5.1. Рассчитать К+ по формуле (3.7). Определить Uвых.сдв усилителя по формуле (3.15б). Результаты занести в таблицу 5.3.
б) Измерить Uвых.сдв усилителя путем измерения при Uвых при Uвх=0.
Подключить на вход усилителя напряжение, компенсирующее сдвиг нуля (см.рис.3.5). Используя грубую и точную регулировку Uсм установить нулевое входное напряжение с погрешностью менее ?5мВ. Снять амплитудную характеристику усилителя, построить ее на одном графике с АХ инвертирующего усилителя. Измерить К+=Uвых/Uвх, сравнить с расчетом по формуле (3.7)
в) Определить Rвх неинвертирующего усилителя по методике изложенной в приложении 1. Сравнить входное сопротивление инвертирующего и неинвертирующего усилителей, сделать выводы. Занести в таблицу 5.3. результаты измерения.
5.4 Исследование дифференциального усилителя.
а) Включить схему дифференциального усилителя. Измерить Uвых.сдв для чего измерить Uвых при подключенных к общей точке («земле») обоих выходов усилителя.
б) Используя встроенные источники регулируемого напряжения подать на неинвертирующий вход дифференциального усилителя сигнал Uс1=+30…+50 мВ, а на неинвертирующий вход - сигнал Uс2=+50…+100 мВ. Измерить Uвых, сравнить его с результатом расчета по формуле (3.13).
в) Подключить ко входам дифференциального усилителя сигналы Uс1=Uс2=(2…3)В. Измерить Uвых, рассчитать коэффициент ослабления синфазных сигналов усилителем по формуле:
5.5 Оформление отчета.
Отчет должен содержать:
а) схемы инвертирующего, неинвертирующего и дифференциального усилителей на ОУ;
б) результаты расчетов, измерений, таблицы и графики, требуемые лабораторными заданиями;
в) заключение о соответствии полученных результатов теоретическим данным.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Основные параметры ОУ.
2. Инвертирующее включение ОУ.
3. Неинвертирующее включение ОУ.
4. Дифференциальное включение ОУ.
5. Повторители напряжения на ОУ.
6. Схемы установки нуля в инвертирующем и неинвертирующем усилителях.
7. Влияние выходного напряжения сдвига на амплитудную характеристику усилителя.
8. Определение выходного напряжения сдвига усилителей на ОУ.
9. Измерение токов и напряжения смещения ОУ.
10. Методика измерения входного сопротивления усилительных каскадов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1989, подразделы 7.1, 7.2, 8.2.
2. Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие /Ефимов В.В., Павлов В.Н., Соколов Ю.П. и др.; под редакцией Н.В. Терпугова. - М.: Высш. школа, 1982, (3.2.
3. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. - М.: Мир, 1985, (1.5-1.8, 3.1-3.3.