Результаты измерений в виде таблиц и графиков

Результаты измерения амплитудных характеристик и зависимости коэффициента усиления от амплитуды входного напряжения исследуемого операционного усилителя при сопротивлении обратной связи 30 кОм представлены в таблице 2

Таблица 2

	f = 50 Гц		f = 1 кГц		f = 100 кГц		f = 400 кГц
Uвх, В	Uвых, В	Кус	Uвых, В	Кус	Uвых, В	Кус	Uвых, В	Кус
0	0		0		0		0
0,005	0,276	55,2	0,283	56,6	0,226	45,2	0,153	30,6
0,01	0,527	52,7	0,556	55,6	0,227	22,7	0,16	16
0,05	3,081	61,62	3,079	61,58	0,63	12,6	0,322	6,44
0,07	5,2868	75,525	5,2893	75,561	0,686	9,8	0,357	5,1
0,1	8,311	83,11	8,321	83,21	0,75	7,5	0,4	4
0,15	8,794	58,626	8,825	58,833	0,78	5,2	0,47	3,133
0,2	9,098	45,49	9,163	45,815	0,78	3,9	0,48	2,4
0,25	9,321	37,284	9,331	37,324	0,78	3,12	0,48	1,92
0,3	9,321	31,07	9,331	31,103	0,78	2,6	0,48	1,6
0,35	9,321	26,631	9,331	26,66	0,78	2,228	0,48	1,371
0,4	9,321	23,3025	9,331	23,327	0,78	1,95	0,48	1,2
0,5	9,321	18,642	9,331	18,662
0,7	9,321	13,315	9,331	13,33
1	9,321	9,321	9,331	9,331
1,3	9,321	7,17	9,331	7,1776

Результаты измерения амплитудных характеристик и зависимости коэффициента усиления от амплитуды входного напряжения исследуемого операционного усилителя при сопротивлении обратной связи 20 кОм представлены в таблице 3

Таблица 3

	f = 50 Гц		f = 1 кГц		f = 100 кГц		f = 400 кГц
Uвх, В	Uвых, В	Кус	Uвых, В	Кус	Uвых, В	Кус	Uвых, В	Кус
0	0		0		0		0
0,005	0,162	32,4	0,172	34,4	0,204	40,8	0,096	19,2
0,01	0,355	35,5	0,359	35,9	0,204	20,4	0,097	9,7
0,05	1,789	35,78	1,763	35,26	0,58	11,6	0,269	5,38
0,07	2,625	37,5	2,625	37,5	0,648	9,257	0,335	4,785
0,1	4,466	44,66	4,529	45,29	0,712	7,12	0,36	3,6
0,15	8,212	54,746	8,113	54,086	0,756	5,04	0,4	2,666
0,2	8,594	42,97	8,559	42,795	0,77	3,85	0,42	2,1
0,25	8,892	35,568	8,791	35,164	0,77	3,08	0,45	1,8
0,3	9,098	30,326	9,108	30,36	0,77	2,566	0,47	1,566
0,35	9,263	26,4657	9,266	26,474	0,77	2,2	0,47	1,342
0,4	9,263	23,1575	9,266	23,165	0,77	1,925	0,47	1,175
0,5	9,263	18,526	9,266	18,532
0,7	9,263	13,232	9,266	13,237
1	9,263	9,263	9,266	9,266
1,3	9,263	7,125	9,266	7,127

Графики амплитудных характеристик при различных значениях сопротивления обратной связи представлены на рисунках 3 - 6.

Рис. 3 "Амплитудные характеристики на частоте f = 50 Гц"

Рис. 4 "Амплитудные характеристики на частоте f = 1 кГц"

Рис. 5 "Амплитудные характеристики на частоте f = 100 кГц"

Рис. 6 "Амплитудные характеристики на частоте f = 400 кГц"

Графики зависимости коэффициента усиления при различных значениях сопротивления обратной связи представлены на рисунках 7 - 10.

Рис. 7 "Зависимость коэффициента усиления от Uвх на частоте f = 50 Гц"

Рис. 8 "Зависимость коэффициента усиления от Uвх на частоте f = 1 кГц"

Рис. 9 "Зависимость коэффициента усиления от Uвх на частоте f = 100 кГц"

Рис. 10 "Зависимость коэффициента усиления от Uвх на частоте f = 400 кГц"

Результаты исследования зависимости коэффициента усиления от частоты представлены в таблице 4

Таблица 4

f, Гц	Uвх = 0,01 В	Uвх = 0,1 В	Uвх = 0,4 В
50	35,5	44,66	23,1575
1000	35,9	45,29	23,165
100000	20,4	7,12	1,925
400000	9,7	3,6	1,175

График зависимости коэффициента усиления от частоты при различных значениях амплитуды входного сигнала представлен на рисунке 11

Рис. 11 "Зависимость коэффициента усиления от частоты при различных амплитудах входного сигнала"

Пример расчета выходного сопротивления операционного усилителя:

I = ^Uвых = ^0,306 = 0,1391 мА

вых _Rн

2,2

_{R =} ^{Δ U}вых ₌ ^{0,3012−0,306} _{=59,9 Ом}

вых

^{Δ I} вых

0,0591−0,1391

Результаты измерения нагрузочной характеристики операционного усилителя на различных частотах в линейном режиме представлены в таблице 5

Таблица 5

f = 1 кГц	Uвх = 0,06 В
Rн, кОм	Uвых, В	Iвых, мА	Rвых, Ом
1	4,095	4,095	474,964
2,2	2,742	1,2464	217,484
5,1	2,581	0,5061	-
f = 400 кГц	Uвх = 0,03 В
Rн, кОм	Uвых, В	Iвых, мА	Rвых, Ом
1	0,393	0,393	342,6423
2,2	0,306	0,1391	59,976
5,1	0,3012	0,0591	-

Результаты измерения нагрузочной характеристики операционного усилителя на различных частотах в режиме насыщения представлены в таблице 6

Таблица 6

f = 1 кГц	Uвх = 1 В
Rн, кОм	Uвых, В	Iвых, мА	Rвых, Ом
1	9,305	9,305	-704,718
2,2	12,014	5,461	-1026,294994
5,1	14,667	2,876	-
f = 400 кГц	Uвх = 0,5 В
Rн, кОм	Uвых, В	Iвых, мА	Rвых, Ом
1	0,545	0,545	-51,643
2,2	0,56	0,2546	-708,135
5,1	0,65	0,1275	-

Результаты исследования влияния асимметрии питающего напряжения на амплитудные характеристики операционного усилителя на частоте 1 кГц представлены в таблице 7. Нагрузочное сопротивление 1 кОм, сопротивление обратной связи 30 кОм.

Таблица 7

Uвх, В	Питание симметрично		Питание асимметрично
	Uвых, В	Кус	Uвых, В	Кус
0	0		0
0,005	0,283	56,6	0,538	107,6
0,01	0,556	55,6	0,987	98,7
0,05	3,079	61,58	5,11	102,2
0,07	5,2893	75,561	7,643	109,186
0,1	8,321	83,21	9,337	93,37
0,15	8,825	58,833	10,291	68,607
0,2	9,163	45,815	10,928	54,64
0,25	9,331	37,324	11,405	45,62
0,3	9,331	31,103	11,772	39,24
0,35	9,331	26,66	11,936	34,103
0,4	9,331	23,327	11,936	29,84
0,5	9,331	18,662	11,936	23,872
0,7	9,331	13,33	11,936	17,051
1	9,331	9,331	11,936	11,936
1,3	9,331	7,1776	11,936	9,186

Графики амплитудных характеристик и зависимости коэффициента усиления от амплитуды входного сигнала представлены на рисунках 12 и 13 соответственно.

Рис. 12 "Амплитудные характеристики усилителя на частоте f = 1 кГц при различных параметрах питающего напряжения"

Рис. 13 "Зависимость коэффициента усиления от амплитуды Uвх на частоте f = 1 кГц при различных параметрах питания"

Выводы

В данной лабораторной работе был исследован операционный усилитель К140УД1. Были произведены расчеты амплитудных, нагрузочных и частотных характеристик усилителя. При уменьшении глубины обратной связи наблюдается уменьшение коэффициента усиления и увеличения диапазона линейного режима работы усилителя. Коэффициент усиления также уменьшается с увеличением частоты: это обусловлено наличием внутренней емкости усилителя мощности. Исследование нагрузочных характеристик показало что в линейном режиме выходное сопротивление принимает положительные значения, а в режиме насыщения отрицательные. В обоих случаях выходное сопротивление уменьшается с ростом сопротивления нагрузки. Таким образом операционный усилитель наиболее эффективен с точки зрения требования к выходному сопротивлению при наибольшей нагрузке в режиме насыщения. Результаты расчета амплитудных характеристик при различных параметрах питания не согласуются с теоретическими положениями: при асимметрии питания усилитель должен работать хуже, по итогам расчетов была получена обратная ситуация. Данный результат можно объяснить неточностью измерений.

Вопр: Проанализируйте схему ОУ и выделите основные структурные элементы. Определите их св-ва и функции. (Бойко)

В качестве входного каскада используется входной дифференциальный усилитель (ВДУ), обладающий малым коэффициентом усиления синфазного сигнала, т. е. для сигнала поступающего на оба входа ОУ с одинаковыми фазами и амплитудами. Далее следует усилитель напряжения (УН), токи покоя которого лежат в диапазоне от десятых доле до единиц миллиампер. Поэтому коэффициенты усиления УН превышают на один-два порядка коэффициенты усиления ВДУ. Быстродействие УН также заметно превышает быстродействие ВДУ. В этом каскаде, построенном, как и ВДУ по дифференциальной схеме, происходит переход от дифференциального (симметричного) сигнала к несимметричному относительно общей точки схемы. Также здесь осуществляется сдвиг постоянной составляющей выходного напряжения .Для сдвига используется схема сдвига напряжения (ССН), смещающая постоянную составляющую напряжения (не связанную с полезным сигналом), не затрагивая переменную. При этом следует помнить, что для ОУ усиливаемым сигналом может быть сигнал постоянного тока, поэтому рабочая точка – постоянное напряжение в отсутствие полезного сигнала на входе ОУ. С помощью усилителя мощности производится усиление сигнала по мощности для обеспечения согласования выхода усилителя с возможной низкоомной нагрузкой. В УН обычно происходит значительное усиление сигнала по току и, соответственно, по мощности – до нескольких тысяч раз. Усиление по напряжению осуществляется не во всех типах ОУ и это усиление относительно невелико. Стабильная работа ОУ обеспечивается за счѐт источника неизменного тока (ИНТ). Он обеспечивает температурную стабилизацию токов ВДУ и УН.

Как выглядит частотная зависимость усилителя без цепи обратной связи и почему так?( Семирякова А.А. 8201)

Операционный усилитель без цепи обратной связи имеет бесконечно большой (порядка десятка тысяч) коэффициент усиления и применяется только в качестве компаратора. Соответственно, при таком режиме работе при входном сигнале в форме синусоиды мы получим меадр, т.к. транзисторные каскады будут в насыщении и на выходе будет уровень питания в 1-м полупериоде синусоиды и напряжение нуля во втором.

Частотная зависимость ОУ без ОС соответственно будет представлять собой прямую линию с плавным спадом на границе рабочего диапазона частот ОУ, т.к с повышением частоты уменьшается предельно достижимая амплитуда выходного сигнала из-за ограничения по току, наступающего в одном из каскадов ОУ.