ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7. ПРОСТЕЙШИЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НА ОУ: ЗАДАНИЕ

1. Убедитесь, что выходное напряжение положительного канала источника питания составляет +12 В. Соберите универсальную схему усилителя на ОУ (рис. 1), выбрав из табл. 1 необходимые значения сопротивлений резисторов R1 и R2 в соответствии с номером своего варианта.

Табл. 1. Номиналы резисторов и величина напряжения смещения для схемы усилителя на ОУ

Рис. 1. Универсальная схема усилителя на ОУ

2. В качестве источников сигнала используется скользящие контакты потенциометров R3, R4, полное сопротивление которых подключено к положительному +UП и отрицательному

–UП полюсам источника питания. Обратите внимание, что потенциометры подключены к питанию через дополнительные резисторы для защиты от короткого замыкания в случае неправильной сборки схемы (ошибочного подключения цепи питания к скользящему контакту потенциометра).

Назовем цепь скользящего контакта потенциометра R3, где действует напряжение U1,

прямым входом схемы, R4 (напряжение U2) – инверсным входом схемы (не путать с терминами «прямой вход» и «инверсный вход» микросхемы операционного усилителя).

Если использовать универсальную схему как инвертирующий усилитель, входное напряжение UВХ = U2 поступает с переменного резистора R4, а напряжение смещения UСМ = U1 снимается со скользящего контакта R3.

Если использовать данную схему как неинвертирующий усилитель, источником входного напряжения UВХ = U1 будет выступать переменный резистор R3, источником напряжения смещения UСМ = U2 – переменный резистор R4.

3.Подключите ко входам схемы U1 и U2 первый и второй каналы осциллографа; к выходу схемы UВЫХ – третий канал. Напряжения на входах и выходе схемы будут измеряться как при помощи мультиметра (для точных измерений), так и при помощи осциллографа (для снятия зависимостей). Для измерения осциллографом постоянных напряжений установите мелкий масштаб по оси времени (например, 1 мкс/клетка), включите источник синхронизации «Сеть» и убедитесь, что вход всех трех каналов включен в режим «DC» (отсутствие фильтра постоянной составляющей). Измерение постоянного напряжения выполняется при помощи функции «Mean» («среднее значение») меню «Измерения». Включите эту функцию для всех трех каналов.

4.Снимите статическую характеристику инвертирующего усилительного каскада без смещения, который может быть получен из собранной универсальной схемы. Для этого, вращая ручку переменного резистора R3, при помощи мультиметра установите в ноль напряжение U1 (напряжение на прямом входе схемы).

Затем, изменяя напряжение, снимаемое с переменного резистора R4, задающего U2 (напряжение на инверсном входе схемы), снимите статическую характеристику – зависимость UВЫХ от UВХ = U2 (табл. 2). Наибольшее количество точек измерьте в области линейной характеристики усилителя, когда ОУ не находится в насыщении. Постоянные напряжения на входах и на выходе схемы измеряйте при помощи осциллографа.

5.Введите схему в режим положительного насыщения, для чего установите максимальное входное напряжение. При помощи мультиметра измерьте точные значения +UНАС

и+UП. Оцените, насколько максимальное значение напряжения на выходе ОУ отличается от напряжения +UП. Затем установите минимальное входное напряжение и повторите такие же измерения для отрицательного насыщения, измерив –UП и –UНАС.

6.Подайте на прямой вход (U1) положительное напряжение смещения, взятое из табл. 1 в соответствии с номером варианта. Для этого вращайте движок переменного резистора R3 и при помощи мультиметра или осциллографа контролируйте значение напряжения U1. Учитывая, что абсолютно точно установить заданную величину невозможно, после установки запишите в протокол значение UСМ, которое в итоге у вас получилось. Затем, аналогично п. 4, плавно изменяя

напряжение U2 (напряжение на инверсном входе схемы), снимите статическую характеристику инвертирующего усилительного каскада с положительным смещением.

7.Установите на прямом входе такое же по модулю, но отрицательное напряжение смещения. Запишите точное получившееся значение –UСМ. Снимите статическую характеристику инвертирующего усилительного каскада с этим отрицательным смещением.

8.Наконец, действуя аналогично пп. 4, 6 и 7, снимите статические характеристики неинвертирующего усилительного каскада, сначала без смещения (U2 = 0), а затем с отрицательным и положительным смещениями (U2 = ±UСМ). Обратите внимание! Из-за того, что ток, текущий через выход ОУ и резисторы R1, R2, протекает дальше через делитель напряжения R4, при изменении входного напряжения неинвертирующей схемы U1 напряжение смещения тоже будет немного меняться. Поэтому при снятии каждой новой точки следите за значением UСМ и, при необходимости, корректируйте его движком переменного резистора R4.

9.Измерьте напряжение собственного смещения ОУ с учетом коэффициента усиления схемы. Для этого подключите оба входа схемы U1 и U2 к «земле» (отключите цепи U1 и U2 от потенциометров и заземлите их), включите мультиметр в режим измерения малых напряжений «mV» и измерьте напряжение на выходе схемы U0ВЫХ.

Рис. 2. Схема для исследования частотных характеристик усилителя на ОУ

10.Соберите схему для исследования частотных характеристик усилителя (рис. 2). В этой схеме сигнал с генератора поступает через разделительный конденсатор CВХ на прямой вход усилительного каскада, инверсный вход схемы заземлен, то есть UСМ = 0. Установите амплитуду выходного сигнала генератора 1 В, частоту 1 кГц, форму – синусоидальную.

11.Подключите ко входу и выходу схемы два канала осциллографа и измерьте амплитуды входного и выходного сигналов. Вычислите коэффициент усиления схемы как отношение амплитуд выходного и входного сигналов.

12.Найдите частоту единичного усиления f1 схемы, которая численно равна такому параметру ОУ, как GBP (Gain Bandwidth Product), разделенному на коэффициент усиления схемы. Для этого увеличивайте частоту сигнала на выходе генератора до тех пор, пока коэффициент усиления схемы не станет равным единице (амплитуда выходного сигнала станет примерно равной амплитуде входного сигнала). Амплитуды сигналов измеряйте при помощи осциллографа, периодически меняя масштаб по оси Х с тем, чтобы в осциллограмму вписывалось несколько периодов сигнала с генератора.

13.Снимите зависимость коэффициента усиления схемы от частоты, измеряя амплитуды входного и выходного сигналов. Изменяйте частоту в направлении уменьшения от 2∙f1 до 5 кГц, всякий раз уменьшая ее приблизительно в 2 раза. Например, для f1 = 100 кГц выбирайте частоты

200, 100, 50, 25, 10 и 5 кГц.

По результатам измерений и вычислений постройте экспериментальные и теоретические графики трех зависимостей выходного напряжения от входного для трех значений напряжения смещения (одно нулевое и два ненулевых) на одной диаграмме, отдельно для двух способов использования универсальной схемы (в качестве инвертирующего и неинвертирующего усилителей).

Рис. 1. Экспериментальные и теоретические графики зависимостей выходного напряжения от входного для схемы инвертирующего усилителя

Рис. 2. Экспериментальные и теоретические графики зависимостей выходного напряжения от входного для схемы неинвертирующего усилителя

По результатам измерения выходного напряжения схемы при заземленных входах U0ВЫХ вычислите собственное напряжение смещения операционного

0

усилителя как СМ = ВЫХПР =

2. Исследование частотных характеристик схемы

Вычислите коэффициент усиления переменного сигнала частотой 1 кГц

напряжению, вычисленных ранее.

Табл. 2. Результаты измерения и расчетов частотных характеристик усилителя на ОУ

ВХ~ , В

ВЫХ~ , В

пр

~

Постройте АЧХ схемы пр~( ) на графике с логарифмической осью частоты.

Рис. 3. АЧХ неинвертирующего усилителя на ОУ

3. Анализ полученных данных

Сравните полученные величины, характеризующие использованный в схеме операционный усилитель (напряжения насыщения +UНАС и –UНАС, собственное напряжение смещения UСМ, полоса ОУ GBP, которая определяется как измеренная величина f1, умноженная на коэффициент усиления схемы), с паспортными характеристиками микросхемы ОУ TL084, документация на которую доступна в интернете.