VIII. Лабораторная работа №6 исследование операционного усилителя

8.1. Цель работы

Изучить принципиальную схему операционного усилителя КТ140УД1Б, его основные электрические параметры и методику их измерения.

8.2. Описание лабораторного макета

На рис.8.1. изображена принципиальная схема лабораторного макета для исследования основных параметров операционного усилителя типа КТ140УД1Б.

Схема для измерения параметров операционного усилителя собирается с помощью переключателей S1-S7. Тумблер S4 служит для подключения корректирующей емкости С1. Тумблер S5 служит для подключения сопротивления нагрузки R13. Для подключения зажимов вольтметров, переменного и постоянного токов с выхода на вход макета служат переключатели S7 и S6 соответственно. К гнезду Х1 подключается генератор Г1. Гнезда Х4, Х5, Х3 служат для подключения вольтметров постоянного, переменного токов и осциллографа соответственно. В качестве источника смещения используется знакопеременное напряжение, снимаемое с делителя R11 и R12. Изменение величины и знака этого напряжения осуществляется с помощью резистора R10, ручка управления которым выведена на переднюю панель макета. Вследствие большого усиления операционного усилителя подводимое к его входам постоянное и переменное напряжения должны иметь малый уровень. Они снимаются с делителей 100:1. Для уменьшения погрешности при изменении малых входных напряжений эти измеряют производят на входе делителей. С целью сохранения балансировки операционного усилителя при всех переключениях, проводимых в макете, выдерживается равенство величины сопротивлений, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам.

Резистор R14 является токоограничивающим и включен в макет с целью исключения повреждения микросхемы при коротком замыкании на выходе. Макет питается от универсального источника питания (2х12В). Напряжение источника питания

Для выполнения измерений используется следующий комплект приборов:

- генератор низкочастотный Г3-102; Г3-109;

- вольтметр переменного напряжения В7-16; В7-53;

- осциллограф С1-137.

8.3. Порядок выполнения работы

а) Измерение напряжения смещения

При выполнении измерений необходимо поставить переключатели макета в следующие положения:

П1 – произвольно; П2, П3, П4, П5, П6, П7 – в верхнее положение “б”.

Перед измерением балансируют операционный усилитель с помощью резистора R10 – “0”, т.е. добиваются отсутствия постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки R13, контролируя нуль с помощью вольтметра постоянного тока В7-53.

Переключив тумблер П6 в нижнее «а» положение, измеряют напряжения источника смещения G, соответствующее балансу операционного усилителя. Напряжение смещения нуля рассчитывают по формуле:

где R4=10.4 кОм; R5=90.9 Ом.

б) Исследование амплитудной характеристики.

Амплитудная характеристика операционного усилителя снимается при тех же положениях переключателей на макете, как при измерении напряжения смещения нуля. Входное напряжение U_вх изменяют с помощью потенциометра R10. Контролируют величину напряжения источника смещения с помощью вольтметра В27-53 (тумблер П6 находится в положении «а»). Затем переводят тумблер П6 в верхнее положение «б» и измеряют величину выходного напряжения U_вых.

Для определения входного напряжения U_вх необходимо воспользоваться формулой:

Подставляя в нее значения напряжения источника смещения

Измеренные и вычисленные данные заносят в табл.1.

U(G),(В)
Uвх,(мВ)
Uвых,(В)

По полученным результатам строят амплитудную характеристику операционного усилителя согласно пункту 2.1.

в) Измерение коэффициента усиления дифференциального напряжения.

Перед началом измерения производят балансировку операционного усилителя по методике, изложенной в п.5.1. Все тумблеры устанавливают в верхнее положение «б». Чтобы отличить входной сигнал от напряжения смещения нуля, измерение коэффициента усиления напряжения К_у.д. производят на переменном токе с частотой 1кГц.

При измерениях выходного напряжения подаваемое с генератора Г3-109 напряжение U_вх следует устанавливать таким, чтобы получить на выходе операционного усилителя наиболее неискаженное напряжение U_выхmax. Контроль за формой и величиной U_выхmax осуществляется по осциллографу С1-137. Измерив вольтметром В7-53 величину напряжения U_выхmax, переключают тумблер П7 в нижнее положение «а» и измеряют напряжение на входе макета U_вх.

Расчет коэффициента усиления дифференциального напряжения производят по формуле:

г) Исследование амплитудно-частотной характеристики.

Для снятия АЧХ необходимо подключить на вход макета генератор

Г3-109. Установить все переключатели в верхнее положение «б». При таком положении переключателя П4 к операционному усилителю подключается цепь коррекции (емкость С1). Подав на вход макета сигнал от генератора Г1, контролируют форму выходного напряжения по осциллографу С1-137. Поддерживая неизменной величину напряжения на входе, производят замеры выходного напряжения (вольтметром В7-53), изменяя частоту генератора от 20 Гц до 200кГц. Затем переводят переключатель П4 в нижнее положение «а» (цепь коррекции отключается) и повторяют измерения выходного напряжения, изменяя частоту генератора от 20Гц до 200кГц. Полученные данные заносят в табл.2.

f, Гц

20

50

100

200

500

1к

2к

5к

10к

20к

50к

100к

200к

Uвых без корр

K(f) без корр дБ

Uвых с корр.

K(f) с корр дБ

По результатам измерений строят графики АЧХ: с цепью коррекции 1 и без цепи коррекции 2, в логарифмическом масштабе согласно методике представленной в разделе 2.2.

д) Измерение входного сопротивления.

Резисторы R6 и R7 образуют с входным сопротивлением операционного усилителя делитель напряжения, в результате чего к входу операционного усилителя подводится только часть напряжения генератора Г1. Если резисторы R6 и R7 закоротить, то сигнал от генератора Г1 окажется подключен непосредственно к входным выходам операционного усилителя. Величина входного сопротивления определяется методом двух отчетов напряжения на выходе операционного усилителя.

На вход схемы подключается генератор Г1. Переключатели устанавливаются в верхнее положение «б» (резисторы R6 и R7 закорочены).

Подаются на вход макета синусоидальный сигнал с частотой f=1кГц. Амплитуду входного сигнала устанавливают такой, чтобы форма выходного сигнала на осциллографе была максимальной, неискаженной.

С помощью вольтметра В7-53 производят первый замер выходного напряжения .

Затем переключатель П2 переводят в нижнее положение «а» (резисторы R6 и R7 подключены) и производят второй замер выходного напряжения Входное сопротивление R_вх определяют по формуле:

Перед каждым измерением необходимо сбалансировать операционный усилитель по методике, изложенной в пункте «а».

е) Измерение выходного сопротивления.

Выходное сопротивление определяется методом двух счетов на выходе. Первый отсчет выходного напряжения производится в режиме холостого хода на выходе, второй отсчет выходного напряжения при подключенном резисторе нагрузки R13. Резистор R13 образует с выходом сопротивления операционного усилителя делитель напряжения. В этом случае вольтметр В7-53 покажет часть выходного напряжения, пропорциональную сопротивлению R13.

Необходимо установить переключатели П1, П2, П3, П4, П6, П7 в верхнее положение «б»; П5 – в нижнее положение «а» (R13 - отключен). На входе макета подают синусоидальный сигнал с частотой f=1кГц. Амплитуда входного сигнала устанавливают такой, чтобы форма выходного сигнала на осциллографе была неискаженной. С помощью вольтметра В7-53 производят первый замер выходного напряжения . Затем переводят тумблер П5 в верхнее положение «б» (R13 – подключен) и измеряют выходное напряжение .

Выходное напряжение R_вых рассчитывается по формуле:

где R13=5.1 (кОм).

ж) Измерение коэффициента ослабления синфазного сигнала.

В этой схеме сигнал от генератора Г1 поступает на вход операционного усилителя синфазно. Перед началом измерений все переключатели устанавливаются в верхнее положение «б» и производят балансировку операционного усилителя.

Затем переводят переключатель П3 в нижнее положение «а». На вход макета подают сигнал от генератора Г1 частотой f=1кГц. Измеряют напряжение на выходе операционного усилителя U_вых.с., затем переводят тумблер П7 в нижнее положение «а» и измеряют напряжение на входе макета U_вх.с..

Коэффициент усиления синфазных напряжений определяют по формуле:

Коэффициент ослабления синфазной помехи находят как отношение коэффициента усиления дифференциального напряжения к коэффициенту усиления синфазных напряжений :

8.4. Контрольные вопросы

Шестой коллоквиум

1. Назначение и особенности построения усилителей постоянного тока

2. УПТ с непосредственной связью

3. Схемы сдвига уровня постоянного напряжения

4. Дрейф нуля и способы его уменьшения

5. Балансные усилители постоянного тока

6. Дифференциальные усилители

7. Усилители постоянного тока с преобразованиями сигнала

8. УПТ с использованием оптрона

9. Общие сведения об интегральных микросхемах

10. Усилители низкой частоты на интегральных микросхемах.

11. Усилитель мощности на интегральных микросхемах

12. Общие сведения об операционных усилителях

13. Принципиальные схемы операционных усилителей

14. Свойства и характеристики ОУ

15. Обеспечение устойчивости ОУ

16. Коррекция частотной характеристики ОУ