АГЕНСТВО ПОЧТЫ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ РЕСПУБЛИКИ

УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ СВЯЗИ

Кафедра Устройств радиосвязи

Методическое указание к лабораторной работе

Исследование усилителя постоянного тока, масштабного усилителя и повторителя напряжения на базе ОУ

По курсу: Усилительные устройства

Ташкент -2002

Лабораторная работа

Исследование усилителя постоянного тока, масштабного усилителя и повторителя напряжения на базе ОУ

1. Цель работы

Целью лабораторной работы является экспериментальное исследование свойств и характеристик операционного усилителя на ИМС в трёх функциональных схемах его включения.

2. Задание

2.1. Подготовиться к работе.

2.1.1. Изучить литературу [1], с.136 – 148, с.221 – 236; или [2], с.296 – 297, с.302 – 332, с.351 – 358; или [3], с.15 – 27; [6] и [8] обращая внимание на:

- свойства, характеристики и построение схем усилителей постоянного тока (УПТ);

- функциональные схемы и характеристики ОУ;

- ИМС 140УД1.

2.1.2. Ознакомиться с описанием схемы исследуемого усилителя.

2.2.   Провести эксперимент.

2.2.1. Исследовать ОУ в режиме УПТ:

- установить нуль на выходе;

- измерить коэффициент усиления УПТ на заданной частоте 150Гц при заданном уровне входного напряжения U1=0,2мВ

- снять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в диапазоне частот от 30Гц до 5,6кГц.

2.2.2. Исследовать ОУ в режиме МУ:

- установить нуль на выходе;

- снять амплитудную характеристику (АХ) на  частоте  150Гц для двух значений коэффициента усиления К = 10 и К = 100;

- сравнить экспериментальное значение К с расчётным;

- измерить входное сопротивление ОУ для двух значений К.

2.2.3. Исследовать ОУ в режиме повторителя напряжения (ПН):

-    измерить коэффициент передачи ПН.

2.2.4. Исследование ОУ в импульсном режиме:

а) масштабный усилитель (МУ):

- установить нуль на выходе;

- снять осциллограмму выходного напряжения при подаче на его вход прямоугольных импульсов длительностью 1250мкс для К = 10 и К = 100.

б) повторитель напряжения (ПН) на ОУ:

-  снять осциллограмму выходного напряжения при подаче на его вход прямоугольных импульсов длительностью 200мкс (2,5кГц).

2.3. Подготовить отчет по выполненной  работе.

3. Краткие теоретические сведения.

Операционный усилитель (ОУ) в интегральном исполнении является наиболее распространенной универсальной микросхемой (ИМС). ОУ – это устройство с высокостабильными качественными показателями, которые позволяют производить обработку аналоговых сигналов по алгоритму, задаваемому с помощью внешних цепей.

Операционный усилитель (ОУ) — унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, удовлетворяющий следующим требованиям к электрические параметрами

· коэффициент усиления  по  напряжению  стремится к бесконеч-

ности  К_ОУ ® ¥;

· входное  сопротивление стремится  к  бесконечности   Rвх  ® ¥;

· выходное сопротивление стремится к нулю Rвых ® 0;

· если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю Uвх = 0, Uвых = 0;

· бесконечная полоса усиливаемых частот Fв ® ¥.

ОУ имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий. В этом случае коэффициент усиления равен:

- для инвертирующего Кноу = Rос / R1

Рис.1 Инвертирующий ОУ

- для неинвертирующего Кноу = 1 + Rос / R1

Рис.2 Неинвертирующий ОУ

Инвертирующий усилитель охвачен ООС параллельной по напряжению, что вызывает уменьшение Rвх_оу и Rвых_оу.

Неинвертирующий усилитель охвачен ООС последовательной по напряжению, что обеспечивает увеличение Rвх_оу  и уменьшение Rвых_оу. На базе этих ОУ можно построить различные схемы для аналоговой обработки сигналов.

3.1 Усилитель постоянного тока (УПТ)

К усилителям постоянного тока предъявляются высокие требования по наименьшему дрейфу нуля и по высокому входному сопротивлению. Этим требованиям удовлетворяет ОУ в котором первый каскад собран по дифференциальной схеме, который подавляет все синфазные помехи и обеспечивает высокое входное сопротивление. Этот каскад может быть собран на полевых транзисторах и на составных транзисторах, где в цепи эмиттеров   (истоков) подключен ГСТ ( генератор стабильного тока ), Что усиливает подавление синфазных помех. Для повышения входного сопротивления применяют глубокую последовательную ООС и высокую коллекторную нагрузку ( в этом случае Jвх_оу стремится к нулю ).

Наличие в ОУ, распределенных емкостей в виде емкостей р-n переходов и емкости монтажа приводит к тому, что амплитудно-частотная характеристика ( АЧХ ) УПТ на ОУ имеет завал в области высоких частот, т.е. для любого усилителя на ОУ важной характеристикой является частота единичного усиления

f

fср

K

                                                                    Рис3. АЧХ для УПТ

Линейные искажения на высоких частотах будут сказываться и в области малых времен переходной характеристики, т.е. Со = Спер + См влияет на tу – время установления переднего фронта импульса.

История операционного усилителя связана с тем, что  усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.

3.2 Масштабный усилитель (МУ)

Масштабным называют, обычно, решающий уилитель, обеспечивающий усиление в строго заданное число раз. На рис.4 представлена схема инвертирующего МУ.

Рис.4 Масштабный усилитель.

В этой схеме имеет место параллельная (по входу) ООС по напряжению. Коэффициент усиления усилителя с ООС (К_AF) определяется как

K_AF = K1 * K_А / (1+K_A * b),

где (1+K_A * b) = F – глубина ООС;

b - коэффициент передачи цепи обратной связи;

K_А – коэффициент передачи входной цепи.

Расчет K_AF значительно упрощается, если идеализировать параметры ОУ, т.е. считать входное сопротивление ОУ Rвх = ¥, выходное – Rвых = 0, а коэффициент усиления K ® ¥. Тогда имеем

K1 = Roc / (R1 + Roc), b = R1 / (Roc + R1),

учитывая, что  K_A * b >> 1,  получим

K_AF  = K1 / b = Roc / R1

Таким образом, задавая различные соотношения  сопротивлений R1 и Rос, можно обеспечить усиление в заданное число раз.

Входное сопротивление можно определить по формуле Блекмана:

Rвх_F = Rвх * (Fкз / Fxx);

т.к. в рассматриваемом случае имеет место параллельная ООС, то

Fкз = 1,    Fxx = 1+ b_{хх *} K_A.

Коэффициент передачи цепи ООС в режиме холостого хода определяется как

b_хх = Rвх * (Rвх + Roc),

где Rвх – собственное входное сопротивление ОУ (между общей точкой схемы и входом 3).

Учитывая, что Rвх >> Rос, можем записать   b_хх » 1, тогда

Fxx »  1+ K_A » K_A.

Входное сопротивление схемы МУ (точки 1-2)

Rвх_F = R1 + Rвх_F » R1.

Входное напряжение МУ в точках 4-3 уменьшается в F раз, т.е.

U_3-4 = Uвх / F

Учитывая общую глубину ОС  F >> 1 и малое значение Uвх (единицы мВ) принято считать также U_3-4 = 0 (т.е. входы 3 и 4 имеют фактически одинаковый потенциал) и вход 3 потенциально заземлен, хотя никакой непосредственной связи с землей нет.

3.3 Повторитель напряжения (ПН)

Неинвертирующий усилитель (МУ) с сопротивлением R1 = ¥ называют повторителем напряжения, т.е.  усилитель с  Kноу  =  1. В этом случае повторяется и амплитуда и фаза входного сигнала.

Кноу = 1 + Rос / R1

При R1 = ¥, Кноу = 1, что и находит отражение в схеме на рис. 5.  

Рис. 5 Схема повторителя напряжения.

Это усилитель, охваченный цепью последовательной ООС по выходному напряжению с коэффициентом передачи bос = 1, т.е. 100%   ООС. Свойства такого усилителя подобны свойствам эмиттерного или истокового повторителя и для него выполняются условия

Uвх = Uвых;

Rвх.оoc = Rвх * (1 + K_UO);                               (*)

Rвых.оос = Rвых / (1 + K_UO),

что хорошо согласуется со свойствами ОУ. Действительно, напряжение, приложенное между входами ОУ, передается на выход с коэффициентом усиления К_UO, т. е. при любом выходном напряжении

dUвх = Uвх.ин -  Uвх.неин = dUвых / K_UO.

Появление любого входного напряжения сразу приводит к появлению разности Uвх.ин – Uвх.неин = Uвых – Uвх.неин. Эта разность, передаваясь на выход ОУ, изменяет его выходное напряжение так, чтобы скомпенсировать возникшее отклонение и восстановить условие (*).

Учитывая, что собственное входное сопротивление ОУ Rвхоу стремится к бесконечности, а выходное сопротивление Rвыхоу стремится к нулю, можно сказать, что рассмотренная схема подобно эмиттерному или истоковому повторителю находит практическое применение в качестве буферных или согласующих элементов.

При использовании инвертирующего усилителя, для получения 

Кноу = 1, необходимо приравнять Rос =  R1, т.к.

Кноу = Roc / R1

Но в этом случае имеет место повторение напряжения, но нет повторения фазы. Схема такого усилителя приведена на рис.6.

Рис.6 

4. Методические указания к выполнению работы

4.1. При выполнении эксперимента следует руководствоваться соответствующими разделами п. 2.2 задания

4.2. Перед проведением измерений в каждом пункте раздела 2.2 следует выполнить установку нуля. Для этого  надо вывести ручку регулировки напряжения сигнала генератора влево до упора, чтобы сигнал на входе усилителя отсутствовал. При отсутствии входного сигнала, замыкая кнопку «Контр.0» (нажимая) , ручкой «Уст.0» добиться нулевых показаний микроамперметра на контрольной панели (кнопку «Контр.0» замыкать только на короткое время и немедленно размыкать при зашкаливании стрелки прибора).

4.3. Для измерения максимальной длительности импульса в режиме интегрирования следует увеличивать длительность импульса, уменьшая частоту генератора и наблюдая форму выходного сигнала на экране осциллографа. При появлении в выходном сигнале отклонения от линейного закона интегрирования зафиксировать частоту генератора Fmin  и определить через неё tи = 1 / 2*Fmin.

5. Содержание отчёта

Отчёт должен содержать:

- принципиальные схемы УПТ,  МУ и ПН;

- таблицы и графики экспериментальных данных по п. 2.2 задания;

- осциллограммы по п. 2.2 задания;

- расчёты по п. 2.2 и сравнение экспериментальных данных с расчётными;

- выводы по результатам измерений.

6. Контрольные вопросы и задания

1. Изобразить функциональную схему ОУ в общем виде. Показать, как использовать эту схему, чтобы образовать МУ, ПН.

2. Нарисовать и объяснить форму входного напряжения, в каждом из видов решающих ОУ при подаче на их входы прямоугольного импульса.

3. Почему в решающем ОУ необходимо использовать УПТ с большим коэффициентом усиления?

4. Как отразится снижение коэффициента усиления на качестве ОУ?

5. Чем отличаются АЧХ и ПХ УПТ от характеристик усилителя переменного тока? Как объяснить их различия?

6. В чём заключается причина дрейфа нуля в УПТ и каковы меры его снижения.

7. Назовите основные достоинства и недостатки МУ.

8. Назовите основные достоинства и недостатки ПН.

7. Отчет

1) Принципиальные схемы МУ и ПН на базе ОУ

2)  Результаты экспериментальных исследований.

· Коэффициент усиления ОУ в режиме УПТ на частоте

F = 150Гц

U1 = 0,2мВ

· Измерения в режиме МУ

а) амплитудные характеристики F = 150Гц. Данные измерений занести в таблицу 1 и построить график зависимости:

Таблица 1.

К = 10	U1,мВ	10	50	100	200	300	400
	U2,B
К = 100	U1,мВ	2	5	10	20	30	40
	U2,B

u₂(t) = f(u₁(t))

б)амплитудно – частотные характеристики в режиме МУ для частот от 32Гц до 320кГц

U1 = 20мВ при К = 10,

U1 = 2мВ при К = 100.

Данные измерений занести в таблицу 2, построить графики по закону

К_(f),дБ = 20*lgК_(f) = 20*lgU2_(f) / U1

Таблица 2.

К	U1, МВ	F, КГц	0,032	35	71	106	142	176	213	248	284	320
10	20	U2, В
		Y, ДБ
100	2	U2, В
		Y, ДБ

· Коэффициент передачи повторителя напряжения ПН на частоте F = 1кГц

U1 = 100мВ, U2 = …   , К = U2 / U1 = …

3) Осциллограммы выходных напряжений при исследованиях в импульсном режиме:

· Масштабный усилитель;

tи = 1250мкс (F = 400кГц)

К = 10, К = 100 

· Повторитель напряжения

tи = 200мкс (F = 2,5кГц)

4) Выводы по работе:

· Какие условия обеспечивают нормальную работу операционных усилителей;

· Схемы решающих операционных усилителей: МУ, ПН.

ЛИТЕРАТУРА

1. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства. – М.:Радио и связь, 1983.

2. Цыкин Г.С. Усилительные устройства. – М.:Связь, 1971.

3. Мурадян А.Г., Разимухин В.И., Тверецкий М.С. Усилительные устройства. – М.:Связь, 1976.

4. Павлов В.Н., Нагин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М.:Радио и связь, 1997.

5. Головин О.В., Кубицкий А.А. Электронные усилители. - М.:Радио и связь, 1983.

6. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. - М.:Радио и связь, 1996.

7. Методическое указание к лабораторным занятиям по курсу Усилительные устройства. – Ташкен:ТЭИС (часть I), 1981.

8.   Остапенко  Усилительные устройства.

 Описание лабораторной работы «Исследование усилителя постоянного                                   тока, масштабного усилителя и повторителя напряжения на базе ОУ».

Печатается по разрешению кафедры УРС ТЭИС

Составители:

Доцент Васильева М.Г.

Магистр Хайрулин Р.Р.

Под общей редакцией: Васильевой М.Г.

Ответственный редактор: Васильева М.Г.

Редакционно корректурная комиссия:

Редактор – Васильева М.Г.

Корректор – Васильева М.Г.

Оригинал – макет методического пособия набран и напечатан

Хайрулиным Р.Р.