9

Лабораторная работа № 5 Исследование операционных усилителей Методические указания

Лабораторный макет позволяет исследовать основные пара­метры и характеристики операционного усилителя, а также уси­лителей на его основе.

В качестве источника входного сигнала применяется как высокочастотный генератор, так и источник входного постоянного напряжения, представляющий собой калиброванный делитель. На его входные клеммы подается напряжение от источника питания требуемой полярности (которое можно измерить с помощью встро­енного вольтметра), а с выхода снимается напряжение, умень­шенное в 10 или 100 раз, в зависимости от положения переключа­теля. Выходное напряжение измеряется с помощью вольтметра пе­ременного или постоянного тока (при этом напряжение подается на разные входы вольтметра!). С помощью осциллографа на выходе можно убедиться в отсутствии генерации в схеме (на экране горизонтальная линия), а также проконтролировать отсутствие искажений сигнала.

На принципиальных схемах напряжение питания операционного усилителя обычно не показывается, однако для его работы необ­ходим двуполярный источник напряжения, т.е. два источника раз­личной полярности. Обычно на схемах также не указывается и корректирующая цепь, предназначенная для предотвращения само­возбуждения схемы. Наилучшие результаты дает цепь, рекомендо­ванная заводом-изготовителем. На практике часто встречаются различные обозначения операционных усилителей. Все они при­ведены на рис.5.1.

Рис.5.1. Различные варианты условных обозначений операцион­ного усилителя: 1 - инвертирующий вход, 2 - неинвертирующий вход, 3 - выход

Передаточная характеристика операционного усилителя (назы­ваемая также амплитудной характеристикой) представляет собой зависимость выходного напряжения усилителя от разности входных напряжений на двух входах усилителя. Поскольку коэффициент уси­ления операционного усилителя очень большой, то эта характерис­тика быстро достигает насыщения. Уровень напряжения насыщения приближается к напряжению питания, входное напряжение при этом составляет единицы милливольт.

Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), представляющие собой зависимость коэффициента усиления от частоты, обычно строятся в полулогарифмическом масштабе. При этом коэффициент усиления откладывается в линейном масштабе по оси ординат, частота - по оси абсцисс в логарифмическом масштабе, то есть отрезки по этой оси пропорциональны не значению частоты, а ее логарифму. При снятии зависимостей необходимо иметь это в виду, для этого частоту увеличивают с шагом в октаву (в два раза) на участках с сильной частотной зависимостью или в декаду (в десять раз) при слабой зависимости. Например, коэффициент усиления измеряется на частотах 20, 50, 100, 200, 500 Гц и т.д. Операционный усилитель усиливает, начиная с постоянного тока. Полоса пропускания усилителя в области верхних частот ограничивается частотой среза fср, которая определяется как частота, на которой коэффициент усиления начинает уменьшаться. Частотные свойства усилителя оцениваются также частотой единич­ного усиления f₁, на которой коэффициент усиления снижается до единицы.

Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения (измеренного с помощью цифрового вольтметра) ко входному, измеренному между двумя входами.

Uвых

Ku=------ .

Eг

Коэффициент усиления может измеряться как на переменном, так и на постоянном токе. На переменном токе входное напряжение Eг определяется по выходному прибору генератора, а на постоян­ном - по выходному прибору источника питания с учетом показаний делителя. Этот параметр может относиться как собственно к уси­лителю, так и ко всей схеме в целом.

Входное напряжение сдвига U_СДВпредставляет собой то на­пряжение, которое необходимо приложить ко входу операционного усилителя, чтобы устранить выходное напряжение при отсутствии входного. Для компенсации этого напряжения обычно предусматри­вают специальную цепь (на макете R16, R17) сбалансировать уси­литель. При балансировке необходимо заземлить оба входа схемы (а не операционного усилителя) и с помощью потенциометра до­биться нулевых показаний вольтметра постоянного тока на выходе схемы. После окончания балансировки связь с землей должна быть удалена перед подачей на вход сигнала.

Входной ток смещения (инвертирующего входа Iвх- и неин­вертирующего входа Iвх+) представляет собой начальный входной ток при отсутствии входного сигнала. Более важным параметром является разность входных токов, называемая также входным током сдвига Iсдв.

Входное сопротивление операционного усилителя Rвх обычно составляет несколько мегом, а его выходное сопротивление Rвых - несколько сотен ом.

Коэффициент ослабления синфазных сигналов K_ОС.СФпоказывает отношение коэффициента усиления по дифференциальному входу (между двумя входами) к коэффициенту усиления по синфазному входу (при подаче напряжения относительно земли на оба входа сразу).

Максимальное выходное напряжение U_{ВЫХ.МАКС}не превышает напряжение питания и может быть определено по передаточной характеристике.

Скорость нарастания выходного напряжения V_U.ВЫХ- это максимальная скорость нарастания выходного сигнала при мак­симальном входном напряжении.

Параметры элементов лабораторного макета

ОУ - К140УД1А (последовательная цепь коррекции C=0,033мкФ, R=390Ом)

R1=100кОм R2=10кОм R3=1кОм R4=100Ом R5=10кОм

R6=100Ом R7=1кОм R8=9,1кОм R9=100кОм R10=1МОм

R11=1МОм R12=100кОм R13=10кОм R14=1кОм R15=390Ом

R16=68кОм R17=390кОм R18=51кОм R19=6,2кОм

C1=0,033мкФ C2=0,033мкФ C3=1000пФ C4=1000 пФ.