Параметры операционных усилителей 140уд7 и 140уд8

Параметр	Размер-ность	Обозначение	140 УД7	140 УД8
Напряжение питания	В		15	15
Ток питания при холостом ходе			2,8	3
Дифференциальный коэффициент усиления	-		50000	50000
Напряжение смещения нуля			5	50
Максимальное выходное напряжение (при Еп=15 В)			10	11
Входной ток смещения			200	0.2
Разность входных токов смещения			50	0.1
Входное сопротивление операционного усилителя			4	200
Выходное сопротивление операционного усилителя			75	50
Частота единичного усиления			1	0.8
Коэффициент ослабления синфазного сигнала			70	70
Дрейф напряжения смещения нуля			6	50
Дрейф входного тока смещения			3	0.1
Дрейф разности входных токов смещения			0.4	0.1
Дрейф коэффициента усиления			0.03	0.03
Дрейф коэффициента ослабления синфазного сигнала			0.03	0.03
Дрейф входного сопротивления			0.02	0.02
Коэффициент влияния изменения напряжения питания			150	200
Максимально допустимое синфазное напряжение			15	10
Максимально допустимое дифференциальное напряжение			20	6
Минимальное сопротивление нагрузки			2	2

Лабораторная работа №205

Усилители постоянного и переменного тока

на основе операционного усилителя

Виртуальный эксперимент

Цель работы: Освоить методику расчета и экспериментального определения основных параметров усилителей постоянного и переменного тока. Освоить построение моделей усилителей и их исследование с помощью программы Electronics Workbench.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с параметрами операционных усилителей К140УД7 и К140УД8.

2. Рассчитать на основе одного из них инвертирующий усилитель постоянного тока по исходным данным, приведенным в таблице 1.

Таблица 1

Вариант	1	2	3	4	5	6
	100	150	300	250	150	50
Тип ОУ	УД7	УД8	УД7	УД8	УД7	УД8
,Гц	20	30	60	120	80	15
,кОм	1	2	0.5	0.25	2	1

При расчете схемы усилителя постоянного тока (рис.1) следует рассчитать и выбрать элементы схемы, а также определить величины, характеризующие свойство усилителей , , .

Расчет схемы инвертирующего усилителя начинается с выбора резистора , который определяет входное сопротивление усилителя , поэтому его следует выбирать больше, чем сопротивление источника входного сигнала ( ). Обычно рассчитывается таким образом, чтобы падение напряжения на нём от входного тока смещения ОУ было меньше напряжения смещения нуля ОУ

.

По заданному коэффициенту усиления с обратной связью рассчитывается и

,

и подбираются их номинальные значения, исходя из ряда Е24.

Если , то следует выбирать его равным 910 кОм и рассчитать по заданному коэффициенту усиления.

После расчета и выбора элементов схемы определим входное и выходное сопротивления усилителя с обратной связью

,

,

где - коэффициент обратной связи ;

- коэффициент усиления ОУ.

Частота верхнего среза определяется выражением:

.

3. Создать модель рассчитанного усилителя на РС с помощью программы Electronics Workbench (EWB) (рис.1).

Рассчитанная схема создаётся на рабочем поле EWB путем выбора элементов из библиотеки программы и их размещения и соединения в соответствии с принципиальной схемой. Для задания значения сопротивления резистора следует щелкнуть левой клавишей мышки два раза, и в открывшемся меню установить выбранные значения. Аналогично выбирается тип ОУ. В библиотеке элементов следует найти серию OURU, где представлены отечественные ОУ.

Рис.1. Усилитель постоянного тока

4. Исследовать модель усилителя постоянного тока. Снять амплитудную, амплитудно-частотную и фазовую характеристики усилителя. Определить верхнюю частоту среза и фазовый сдвиг на этой частоте ( ).

Прежде, чем приступить к исследованию схемы, следует провести балансировку ОУ. Последовательно с резистором включить источник постоянного напряжения и установить значение напряжения, равное напряжению смещения для данного типа ОУ (см. Приложение). Проверить правильность балансировки. Установить напряжение и измерить с помощью мультиметра напряжение ; оно должно быть близко к нулю.

Для снятия амплитудной характеристики к входу усилителя подсоединить генератор переменного напряжения из меню Sources, щелкнуть левой клавишей мышки два раза и установить частоту 1 кГц и напряжение 10 мВ. На выход подключить мультиметр из меню контрольно - измерительных приборов Instruments и выбрать соответствующий режим работы. На вход и выход подключить двухлучевой осциллограф, причем, желательно подсоединение проводить цветными проводниками, т.к. цвет проводника определяет цвет осциллограммы. Чтобы задать цвет нужно щелкнуть левой клавишей мышки два раза по соединяющему проводнику и выбрать желаемый.

Запуск схемы производиться кнопкой в правом верхнем углу экрана.

Запустить осциллограф, щелкнув по его изображению левой кнопкой мыши два раза. Для удобства наблюдений настройте развертку по оси «Х» «Time base» и масштабы по оси «Y» каналов А (левый вход), В (правый вход). Остановить перемещение осциллограммы по экрану можно, включив «Pause». Зарисуйте полученную осциллограмму.

Задаваясь рядом значений переменного напряжения , в соответствии с таблицей 2, измерить напряжение на выходе ОУ. По полученным данным построить амплитудную характеристику усилителя. В процессе измерения наблюдать форму выходного сигнала. Отметить при каком напряжении наблюдается искажения формы сигнала. Объяснить наличие искажений. Построить амплитудную характеристику усилителя.

Таблица 2

,мВ	10	20	40	80	160	320	640	1200
,мВ

Для построения амплитудно-частотной и фазовой характеристик воспользуемся аналитическими возможностями EWB. Входной сигнал следует установить 10 мВ. В меню Circuit выбрать Schematic Option и включить Show nodes и Show reference ID. На схеме появятся номера узлов и номера элементов. Запомните номер узла, соответствующий выходу усилителя. В меню включить кнопку Analysis, а в выпадающем меню выбрать расчет частотных характеристик AC Frequency. Выставить условия расчета: начальную частоту FSTART=1Гц; конечную частоту FSTOP=1 МГц; тип масштаба частоты Sweep type «Decade»; число точек Number of points –100; тип вертикальной шкалы Vertical scale –«Linear»; номер узла, для которого рассчитываются частотные характеристики Nodes for analysis, выбирается из списка номеров узлов цепи Nodes in circuit. Выбрать следует номер узла, соответствующий выходу усилителя. Запустите процесс расчета частотных характеристик кнопкой «Simulate». Полученное изображение увеличьте на весь экран.

На АЧХ и ФЧХ установите сетку Toggle Grid и маркеры Toggle Cursors. При включении маркера появляется таблица, показывающая координаты пересечения линии 1 и 2 маркеров с характеристикой, а также разность координат. По АЧХ определите частоту верхнего среза усилителя для этого найдите и перемещайте один из них до тех пор, пока координата Y не станет равна . Найдите соответствующую этому значению частоту по оси Х; на этой же частоте определите фазовый сдвиг ( ).

5. Исследовать влияние резистора на амплитудно-частотную и фазовую характеристики усилителя. Определить верхнюю частоту среза для различных коэффициентов усиления с обратной связью . Необходимо учесть, что программа нумерует элементы в порядке их появления на рабочем поле.

Вызвать меню Analysis и команду Parameter sweep, установить component Rх (х-номер резистора, соответствующий функциональному назначению резистора ), start value – = end – =4 , Sweep type – Linear, Increment step size – = , Output – номер узла на выходе усилителя), Sweep for: AC Frequency Analysis set up AC options (1 Hz, 10 MHz, decade, 100, lin).

Найти для трех случаев: =2 ; =3 и =4 , а так же соответствующие им частоты среза . Определите произведение для трех случаев, сделайте вывод о влиянии на полосу пропускания усилителя.

6. Рассчитать емкость конденсатора в схеме усилителя с емкостной связью (рис.2). Создать модель усилителя с емкостной связью и снять амплитудную, амплитудно-частотную и фазовые характеристики усилителя переменного напряжения. Определить нижнюю частоту среза , верхнюю частоту среза и соответствующие им фазовые сдвиги ( ) и ( ).

Рис.2. Схема усилителя с емкостной связью

Емкость разделительного конденсатора определяется из выражения

.

Конденсатор выбирается из группы пассивных элементов, устанавливается непосредственно на линию и автоматически включается в цепь. Далее следует выбрать номинальное значение емкости конденсатора и установить его. Резистор для устранения влияния одинаковых токов смещения выбирается равным .

Амплитудно-частотная и фазовые характеристики строятся также, как в пункте 4.

По построенным характеристикам найти значения нижней и верхней частот среза как частот на которых коэффициент усиления уменьшается в раз от своего максимального значения.

7. Исследовать влияние конденсатора на вид амплитудно-частотной и фазовой характеристик. Определить для различных значений емкости конденсатора . Сделать выводы.

Вызвать меню Analysis и команду Parameter sweep, установить component , start value – /4, end – , Sweep type – Linear, Increment step size – /4, Output – (номер узла на выходе усилителя), Sweep for: AC Frequency Analysis, set up AC options (1 Hz, 10 MHz, decade, 100, lin), где - значение емкости конденсатора, установленного в схеме. Найти для двух случаев = /4 и = /2. Сделать вывод о влиянии на частотные свойства усилителя.