attachments / ampl_lab4_5

ЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ . Работы 4 и 5

Общая часть

Цель работ - ознакомление с операционным усилителем и влиянием отрицательной обратной связи на его характеристики.

Основным элементом лабораторной установки является интегральный операционный усилитель типа К140УД7 (рис.1). По сравнению с единичным каскадом на биполярном транзисторе, операционный усилитель имеет на два - три порядка больший коэффициент усиления напряжения К0, большое входное сопротивление, а также обладает способностью выдавать на выходе сигнал как положительной, так и отрицательной полярности.

является заметный «дрейф нуля», т.е.

самопроизвольное изменение постоянной

составляющей выходного напряжения Uвых

под действием температурных изменений в

кристалле. Особенно сильно это проявляется при работе в режиме холостого хода (Rн=0) при отключении цепи

Для выполнения условия Uвых=0 при входных напряжениях, равных нулю,

приходится вручную регулировать величину постоянной составляющей выходного напряжения с помощью специальной схемы коррекции или прибегать к помощи отрицательной обратной связи, стабилизирующей работу усилителя. Операционный усилитель имеет два входа. При подаче сигнала на один из них, называемый неинвертирующим входом, полярность выходного напряжения будет совпадать с полярностью входного, а при подаче сигнала на второй, инвертирующий вход, полярность выходного сигнала будет противоположна полярности входного. При одновременной подаче разных сигналов на оба входа усилитель выдает на выходе сигнал,

пропорциональный разности входных сигналов (так называемый «дифференциальный» усилитель). Если используется только один из входов, второй следует соединить с точкой

«общего нуля» схемы.

Техническое описание усилителя

Микросхемы К140УД7 представляют собой операционные усилители средней точности с внутренней частотной коррекцией и защитой выхода от короткого замыкания.

Назначение выводов:

1,5 - балансировка;

2- вход инвертирующий;

3- вход неинвертирующий;

4- напряжение питания -Uп;

6- выход;

7- напряжение питания +Uп;

8- коррекция;

4Напряжение смещения нуля при Uп= 15 В, Rн = 2 кОм не более 9 мВ

5Входной ток при Uп= 15 В, Rн = 2 кОм не более 400 нА

6Разность входных токов при Uп= 15 В, Rн = 2 кОм не более 200 нА

7Ток потребления при Uп= 15 В, Rн = 2 кОм не более 3,5 мА

8Коэффициент усиления напряжения K0 - не менее 30000

9Входное сопротивление не менее 400 кОм

10Температура кристалла не более 135 ° C.

Зарубежные аналоги

µ A741HC, µ A741PC

Схема инвертирующего усилителя представлена на рис. 2,а, а неинвертирующего -

на рис. 2,б. Резисторы R0 и R1образуют делитель напряжения в цепи отрицательной обратной связи с коэффициентом β= - R1 / (R0 + R1), определяющим коэффициент усиления усилителя. Резистор R2 (обычно R2=R1) симметрирует входную цепь для исключения дополнительной постоянной составляющей напряжения.

Для инвертирующего усилителя в случае, когда произведение β·К0 намного превышает единицу, коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью

может быть приближенно вычислен по формуле

K=-R0/R1 (1)

а для схемы неинвертирующего усилителя - по формуле К =1+R0/R1 (2)

Предельное значение входного сигнала, не приводящего к нелинейным искажениям,

Uвх доп=Uвых max/ К (3) ,

где Uвых max - предельное значение выходного напряжения при заданном напряжении питания усилителя; К - коэффициент усиления при установленном значении сопротивления R0.

a)

b)

Рис. 2 Основные схемы включения операционного усилителя: a) инвертирующий усилитель b) неинвертирующий усилитель

В схеме лабораторной установки напряжение питания равно ± 12,6 В, Uвых max = 10.5 В.

Следует обратить внимание на то, что амплитуду 10.5 В имеет синусоида с действующим значением 10.5/√2= 7.4 В. Поэтому допустимое напряжение по вольтметру,

показывающему действующее значение напряжения, не должно превышать 7.4 В.

Из формулы (3) следует, что величина входного сигнала, не приводящая к искажениям,

обратно пропорциональна коэффициенту усиления, т.е. зависит от величины коэффициента отрицательной обратной связи. Область линейной зависимости выходных сигналов от входных практически определяют по амплитудной характеристике - графику зависимости выходного напряжения от входного.

Работа 4. Коэффициент усиления и амплитудная характеристика

усилителя

4.1. Программа работы

1. Ознакомиться со схемой лабораторной установки, правилами техники безопасности и с паспортными данными операционного усилителя.

2. Для заданных в табл. 4.1 вариантов схемы рассчитать по упрощенным формулам коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителя при трех разных значениях сопротивления R0 в цепи отрицательной обратной связи.

3.Собрать схему измерения характеристик усилителя и произвести экспериментальное определение коэффициента усиления для рассмотренных выше вариантов схемы.

4.Для схемы с выбранным преподавателем из заданных значений R0 рассчитать максимальное значение входного напряжения, при котором еще не наблюдаются нелинейные искажения усиливаемого сигнала.

5.Снять зависимость коэффициента усиления усилителя от величины входного сигнала.

6.Составить отчет по работе.

4.2.Оценка коэффициента усиления при различных значениях R0.

Исходные данные для расчета берутся из табл. 4.1. Расчет коэффициентов усиления и допустимых значений входного напряжения ведется по формулам (4.1) - (4.3). Результаты рекомендуется оформлять в виде табл. 4.3.

Таблица 4.1

Исходные данные для исследования усилителей

Таблица 4.3

Результаты расчета и измерений коэффициента усиления усилителя при различных значениях сопротивления R0 в цепи отрицательной обратной связи.

4.3. Измерение коэффициента усиления усилителя

Для выполнения п. 3 программы собирается схема измерений, состоящая из генератора входных сигналов, испытуемого усилителя и измерительной аппаратуры - вольтметра переменного напряжения и осциллографа. На входные контакты схемы усилителя включается генератор синусоидальных колебаний с регулируемой частотой и амплитудой.

Перед подключением к усилителю напряжение генератора устанавливается на

минимальное значение, ступенчатый переключатель амплитуды сигнала - в положение «0

дБ», частота напряжения генератора - 0,4 или 1 кГц. К выходным контактам схемы усилителя подключается осциллограф, а к входным, параллельно генератору, - вольтметр.

С помощью переключателя в усилителе устанавливается минимальное из заданных значений R0. Исследуемый вход усилителя подсоединяется к выходу генератора. Второй вход соединяется с общим нулем.

После включения всех перечисленных частей схемы провод, передающий сигнал на вход осциллографа, отсоединяется от выхода усилителя и замыкается на общий нуль.

Нулевая линия устанавливается посередине экрана. Затем на вход осциллографа подается выходное напряжение усилителя при нулевом напряжении генератора сигнала. Если при этом нулевая линия на экране сместится, то ручкой коррекции нуля усилителя ее возвращают на середину экрана.

Напряжение генератора, измеряемое по вольтметру, поднимается до 1 В.

Если при этом осциллограф покажет наличие нелинейных искажений в виде «среза» верхних или нижних частей синусоиды выходного напряжения, рекомендуется ослабить входной сигнал с помощью ступенчатого переключателя амплитуды сигнала на панели генератора в 1,10,100 или 1000 раз - до устранения искажений. Если шкала переключателя отградуирована в децибелах, то следует 1 помнить, что ослабление сигнала в 10 раз соответствует 20 дБ , в 100 раз - 40 дБ, а в 1000 раз - 60 дБ. Записав в табл. 4.2 величину поданного с делителя входного напряжения, переключите вольтметр на выход усилителя и запишите величину выходного напряжения. Экспериментально полученный коэффициент усиления определится как отношение выходного напряжения к входному. Затем к генератору подключите другой вход усилителя и повторите измерения при том же значении R0. После этого, установив новое значение R0, снова проведите измерение коэффициента усиления на инвертирующем и неинвертирующем усилителях.

При измерениях на усилителе без отрицательной обратной связи (R0 =∞) нулевая линия непрерывно перемещается по экрану за счет «дрейфа нуля» усилителя, и ее коррекцию приходится производить вручную непрерывно, следя по осциллографу за отсутствием нелинейных искажений в выходном сигнале. Коррекция осуществляется с помощью специального переменного резистора, подающего смещение на вход усилителя.

В этом опыте делитель напряжения входного сигнала рекомендуется установить в положение «1 : 1000» (60 дБ).

4.4. Снятие амплитудной характеристики усилителя

Установите максимальное из заданных значений сопротивления R0 (кроме R0 =∞), частоту напряжения генератора - 1 или 3 кГц (по указанию преподавателя), амплитуду напряжения генератора - 0,1 от расчетной величины максимального допустимого значения

Uвх доп, соответствующего установленному значению R0. На вход «Х» осциллографа подайте напряжение входного сигнала, на вход «У» - выходного. Плавно повышайте напряжение генератора до тех пор, пока не проявится «излом» амплитудной характеристики, отображаемой на экране. Зафиксируйте полученную осциллограмму,

записав значения чувствительностей входов осциллографа. Затем увеличьте величину входного сигнала еще в 2-3 раза и снимите осциллограмму еще раз. В зависимости от амплитуды и частоты входного напряжения произойдет большее или меньшее

«расщепление» кривой, связанное с переходом усилителя в режим насыщения.

Примерный вид амплитудной характеристики усилителя на частоте 1 кГц приведен на рис. 4.3

Рис.4.3

Замечание. При снятии амплитудной характеристики целесообразно использовать схему неинвертирующего усилителя, так как она имеет большее входное сопротивление и позволяет получить на входе усилителя большее напряжение, чем схема инвертирующего усилителя при ограниченной мощности используемого генератора

4.5. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

а) схему инвертирующего и неинвертирующего усилителей;

б) результаты расчетов согласно п. 4.2 в сопоставлении с результатами измерений согласно п. 4.3;

в) снятые осциллограммы амплитудной характеристики усилителя с расшифровкой;

г) выводы по результатам работы.

Работа 5. Частотные характеристики усилителя.

Цель работы - исследование зависимости коэффициента усиления усилителя от частоты сигнала и влияние на эту зависимость схемы усилителя и характера нагрузки.

5.1. Программа работы

1.Ознакомиться со схемой лабораторной установки.

2.Собрать схему измерения частотной характеристики усилителя и снять зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала для схемы неинвертирующего усилителя при двух значениях сопротивления в цепи отрицательной обратной связи R0,

заданных в табл. 4.1.

3.Определить частотную характеристику усилителя при его работе на емкостную нагрузку и на активную нагрузку.

4.По графикам снятой частотной характеристики определить верхнюю границу частотного диапазона работы усилителя.

5.Составить отчет по работе.

5.2.Пояснения к работе

В работе рассматривается схема усилителя, аналогичная описанной в работе 4 (см. рис. 2).

Поскольку в самой микросхеме и в схеме усилителя нет пассивных элементов с частотно-

зависимыми параметрами (конденсаторов и катушек индуктивности), можно предположить, что коэффициент усиления усилителя будет одним и тем же при любой частоте усиливаемого сигнала. Однако измерения показывают, что с увеличением частоты неизбежно обнаруживается граница диапазона частот, превышение которой приводит к снижению коэффициента усиления усилителя Главная причина этого явления – инерционность усилителя, определяемая эквивалентными емкостями транзисторов,

входящих в его состав. Эти емкости образуют паразитные частотно-зависимыми обратные

связи внутри транзистора, а также ухудшают согласование между усилительными каскадами на высоких частотах, что приводит к снижению модуля коэффициента усиления и появлению дополнительного фазового сдвига между входным и выходным сигналами.

Значительного расширения частотного диапазона усилителя можно добиться путем использования отрицательной обратной связи (ООС) в усилителе. Коэффициент отрицательной обратной связи, образованной резисторами R0 и R1, определяет коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью, вплоть до частот, при которых исходный коэффициент усиления (без ОС) снижается до величин, сопоставимых с Кβ. При величине исходного коэффициента усиления порядка нескольких тысяч,

глубокая ООС позволяет получить постоянный коэффициент усиления до сотен килогерц,

в то время, как при отсутствии ООС заметное снижение усиления наблюдается уже при частотах 1-2 кГц.

Спад коэффициента усиления при выходе за пределы частотного диапазона происходит плавно. В некоторых случаях, например при работе на емкостную нагрузку,

изменение коэффициента усиления происходит немонотонно, вблизи границы полосы пропускания может наблюдаться подъем усиления с последующим спадом. Принято считать границей частотного диапазона ту частоту, при которой изменение коэффициента усиления достигает значения 1/√2=0.707 (4) по сравнению со значением на средних частотах.

Примерный вид частотной характеристики представлен на рис. 5.1.

К

f

Рис. 5.1

5.3. Снятие частотных характеристик усилителя

Частотная характеристика неинвертирующего усилителя (см. рис. 2,б)

рассматривается для тех же режимов работы, которые использовались в работе 4, за исключением R0= ∞, а так же для режима с наибольшим из использованных сопротивлением R0 при подключении к выходу усилителя емкости С1=0.1мкФ, а затем резистора R14=1.5кОм

Для снятия частотной характеристики усилителя следует установить нужное значение сопротивления в цепи отрицательной обратной связи R0 и подобрать такую величину входного напряжения усилителя, при которой на частоте 1-3 кГц отсутствуют нелинейные искажения выходного сигнала. Установленное значение Uвх запишите в таблицу снятия частотной характеристики (табл. 5.1).

Последовательно устанавливая на генераторе значения частоты входного сигнала,

указанные в первой графе табл. 5.1, измеряют и заносят в таблицу значения выходного напряжения Uвых. и измеренного коэффициента усиления, рассчитанного по формуле

K=Uвых/Uвх. При уменьшении K примерно на порядок по сравнению со значениями на частоте 1 кГц, измерение можно прекратить. Результаты измерений заносятся в табл. 5.1

и на график, примерный вид которого представлен на рис. 5.1.

Таблица 5.1.