Операционный усилитель (63562)

Посмотреть архив целиком

1. Характеристики операционного усилителя


Цель


1. Измерение входных токов операционного усилителя (ОУ).

2. Оценка величин среднего входного тока и разности входных токов ОУ.

3. Измерение напряжения смещения ОУ.

4. Измерение дифференциального входного сопротивления ОУ.

5. Вычисление выходного сопротивления ОУ.

6. Измерение скорости нарастания выходного напряжения ОУ.


Приборы и элементы


Вольтметр

Амперметр

Осциллограф

Функциональный генератор

Источник напряжения

ОУ LM741

Резисторы


Краткие сведения из теории


Интегральный операционный усилитель характеризуется рядом параметров, описывающих этот компонент с точки зрения качества выполнения им своих функций. Среди параметров, обычно приводимых в справочных данных, основными являются следующие.

Средний входной ток IВХ. В отсутствие сигнала на входах ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Компенсация этого падения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10...20%

Входные токи ОУ можно оценить по среднему входному току, вычисляемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов:

,

где I1 и I2 соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов.

Разность входных токов определяется выражением:

.

В справочниках указывают модуль этой величины.

Схема для измерения входных токов представлена на рис. 3.1.

Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе К0 - показатель ОУ, определяющий насколько хорошо выполняет ОУ основную функцию - усиление входных сигналов. У идеального усилителя коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности.

Коэффициент усиления напряжения схемы усилителя на ОУ (рис. 3.2) вычисляется по формуле:

.

Напряжение смещения UСМ - значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю.

Напряжение смещения UСМ можно вычислить, зная выходное напряжение при отсутствии напряжения на входе и коэффициент усиления:

.

Входное сопротивление RВХ. Различают две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и "землей"). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ находится обычно в пределах 10 кОм …10 МОм. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения к вызванному приращению среднего входного тока:

.

Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между входами ОУ и может быть определено по формуле:

где изменение напряжения между входами ОУ, изменение входного тока.

Выходное сопротивление RВЫХ в интегральных ОУ составляет 20...2000 Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки. Схема для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходного сопротивления приведена на рис. 3.3.

Скорость нарастания выходного напряжения VUВЫХ равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течении которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений.

.

Схема для измерения скорости нарастания выходного напряжения показана на рис. 3.4. Измерения проводятся при подаче импульса в виде ступени на вход ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.


Порядок проведения экспериментов


Эксперимент 1. Измерение входных оков

Откройте файл c11_001 со схемой, изображенной на рис.3.1:

Включите схему. Измерьте входные токи ОУ. По результатам измерений вычислите средний входной ток IВХ и разность входных токов ОУ. Результаты занесите в раздел "Результаты экспериментов".



Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения

Откройте файл c11_002 со схемой, изображенной на рис.3.2:



Включите схему. Запишите показания вольтметра в раздел "Результаты экспериментов". По результатам измерения, вычислите напряжение смещения UCM, используя коэффициент усиления схемы на ОУ. Результаты вычислений также занесите в раздел "Результаты экспериментов".


Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений

а). Откройте файл с11_003 со схемой, изображенной на рис. 3.3:



Включите схему. Измерьте входной ток IВХ и выходное напряжение UВХ, запишите показания в раздел "Результаты экспериментов". Переключите ключ клавишей [Space]. Измерьте входной ток после переключения ключа.

Рассчитайте изменения входного напряжения и тока. По полученным результатам вычислите дифференциальное входное сопротивление ОУ. Результаты занесите в раздел "Результаты экспериментов".

б). Уменьшайте сопротивление нагрузочного резистора RL до тех пор, пока выходное напряжение UВЫХ не будет примерно равно половине значения полученного в п. а). Запишите значение сопротивления RL, которое в этом случае приблизительно равно выходному сопротивлению UВЫХ ОУ, в раздел "Результаты экспериментов".


Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ

Откройте файл c11_004 со схемой, изображенной на рис. 3.4:



Включите схему. Зарисуйте осциллограмму выходного напряжения в раздел "Результаты экспериментов". По осциллограмме определите величину выходного напряжения, время его установления и вычислите скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс. Запишите результат в раздел "Результаты экспериментов".


Результаты экспериментов


Эксперимент1. Измерение входных токов

Измерение

________________________________

Ток (I1) неинвертирующего входа

Измерение

________________________________

Ток (I2) инвертирующего входа

Расчет по результатам измерений

________________________________

Средний входной ток IВХ

Расчет по результатам измерений

________________________________

Разность входных токов ОУ


Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения

Измерение

________________________________

Выходное напряжение усилителя UВЫХ

Измерение

________________________________

Коэффициент усиления схемы

Расчет по результатам измерений

________________________________

Напряжение смещения UCM


Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений

а). Измерение

________________________________

Входной ток IВХ, мкА до переключения ключа

Измерение

________________________________

Входной ток IВХ, мкА после переключения ключа

Расчет по результатам измерений

________________________________

Изменение входного напряжения, мВ

Расчет по результатам измерений

________________________________

Изменение входного тока, мкА

Расчет по результатам измерений

________________________________

Расчет по результатам измерений

Измерение

________________________________

Входное дифференциальное сопротивление ОУ, Ом

Измерение

________________________________

Выходное напряжение х, В

Измерение

________________________________

Выходное сопротивление ОУ RВЫХ


Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ


Измерение

________________________________

Выходное напряжение UВЫХ

Измерение

________________________________

Время установления выходного сигнала

Расчет по результатам измерений

Скорость нарастания выходного напряжения VUВЫХ



Вопросы


1. Отличается ли измеренное значение среднего входного тока 1Вх от его номинального значения для ОУ LM741, взятого из паспортных данных?

2. Существенно ли отличие разности входных токов от номинального значения для ОУ LM741?

3. Совпадают ли измеренное значение напряжения смещения с номинальным значением дляОУ LM741?

4. Сравните величину измеренного входного сопротивления с паспортными данными на ОУ LM741.

5. Сравните величину измеренного выходного сопротивления с паспортными данными на ОУ LM741.

6. Сравните между собой величины входного и выходного сопротивлений ОУ. Какова схема замещения ОУ как элемента электрической цепи?

7. Отличается ли экспериментальное значение скорости нарастания выходного напряжения от номинального значения?

8. В чем причина возникновения входных токов ОУ и разности входных токов? К чему они приводят при работе схем на ОУ?

Примечание. Паспортные данные ОУ LM741:

  • средний входной ток ОУ 0,08 мкА;

  • разность входных токов ОУ 0,02 мкА;

  • напряжение смещения ОУ 1 тВ;

  • входное сопротивление ОУ 2 Мом;

  • выходное сопротивление ОУ 75 Ом;

  • скорость нарастания выходного напряжения ОУ 0,5 В/мкс.


2. Неинвертирующие усилители


Цель


  1. Измерение коэффициента усиления неинвертирующего усилителя на ОУ.

  2. Определение разности фаз между выходным и входным синусоидальным напряжением ОУ.


Случайные файлы

Файл
2238-1.rtf
126168.rtf
8259-1.rtf
153395.rtf
179234.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.