Операционные усилители: Методические указания к выполнению лабораторного практикума по курсам лекций ''Основы схемотехники'', ''Радиофизическая электроника'', ''Основы радиоэлектроники''

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Петин Г.П., Сидоренко Е.Н., Кондаков Е.В.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНАИЯ к выполнению лабораторного практикума по курсам лекций «Основы схемотехники», «Радиофизическая электроника», «Основы радиоэлектроники» для студентов физического факультета ЮФУ ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Ростов-на-Дону 2008 1

Учебно-методическое пособие разработано доцентами кафедры радиофизики Г.П. Петиным, Е.Н. Сидоренко и старшим преподавателем Кондаковым Е.В.

Ответственный редактор

доктор физ.-мат. наук Б.Г. Барабашов

Компьютерный набор и верстка

лаборант А.В. Шлома

Печатается в соответствии с решением кафедры Радиофизики физического факультета ЮФУ, протокол № 1 от 09.09.2008 г. 2

Цель работы • Ознакомиться усилителей.

с

основами

функционирования

операционных

• Изучить свойства операционных усилителей (ОУ) и простейших усилительных схем на основе ОУ. • Приобрести практические навыки работы с электронными приборами и сборки электрических схем. Задачи • Измерить напряжение смещения нуля изучаемого ОУ. • Измерить и проанализировать амплитудно-частотную характеристику при различных значениях неинвертирующего усилителя коэффициентов усиления усилителя. • Измерить и проанализировать амплитудную характеристику неинвертирующего усилителя на низких и высоких частотах. • Изучить амплитудно-частотную характеристику инвертирующего усилителя для различных значений коэффициента усиления. • Измерить и проанализировать амплитудную характеристику инвертирующего усилителя на низкой и высокой частотах. • Измерить максимальную скорость нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя на низкой и высокой частотах. • Измерить

частотную

характеристику

максимальной

амплитуды

неискаженного выходного сигнала инвертирующего усилителя.

1 Теоретические сведения 1.1 Историческая справка Операционный усилитель (ОУ) был разработан математических

операций

(сложения,

вычитания,

для выполнения дифференцирования,

интегрирования, логарифмирования и др.) в аналоговых вычислительных машинах. Первый ламповый ОУ появился в 1942 году (США). Он содержал два двойных электровакуумных триода. Первые ОУ представляли собой громоздкие и 3

дорогие устройства. С заменой ламп транзисторами операционные усилители стали меньше, дешевле, надежнее, и сфера их применения расширилась. Первые операционные усилители на транзисторах появились в продаже в 1959 году. Р. Малтер (США) разработал ОУ Р2, включавший семь германиевых транзисторов и варикапный мостик. Требования к увеличению надежности, улучшению характеристик, снижению стоимости и размеров ОУ способствовали развитию интегральных микросхем, которые были изобретены в лаборатории фирмы Texas Instruments (США) в 1958 г. Первый интегральный ОУ µА702, имевший рыночный успех, был разработан Р. Уидларом (США) в 1963 году. В настоящее время сфера применения ОУ для выполнения математических операций резко снизилась по сравнению с другими их применениями. Номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению. 1.2 Общие сведения об операционных усилителях Операционные усилители представляют собой широкий класс аналоговых микросхем, которые позволяют производить усиление аналоговых сигналов, придавать им различную форму, складывать и вычитать сигналы, производить операции

дифференцирования

и

интегрирования,

создавать

источники

стабильного напряжения и генераторы колебаний различной формы. Операционный усилитель (ОУ) – это многокаскадный транзисторный усилитель, выполненный в виде микросхемы и имеющий огромный коэффициент усиления напряжения. Каждый ОУ содержит: • входной балансный каскад • каскад дополнительного усиления; • выходной каскад усиления мощности. Полная принципиальная схема ОУ содержит многочисленные триодные и 4

диодные цепи и необходимые для работы усилителя резисторы. Они обеспечивают усиление сигнала, температурную стабильность, равенство потенциалов входных клемм ОУ, высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление, защиту схемы от перегрузок. Входной балансный каскад представляет собою дифференциальный усилитель на биполярных или полевых

транзисторах.

Дифференциальный

усилитель

–

это

усилитель

постоянного тока. С целью уменьшения дрейфа нуля он собран по балансной схеме. Оконечным каскадом усилителя мощности, как правило, является истоковый (или эмиттерный) повторитель, что позволяет уменьшить выходное сопротивление ОУ. Все каскады ОУ связаны между собой гальванически, без применения разделительных конденсаторов. ОУ имеет два входа: инвертирующий (вход «–») и неинвертирующий или прямой (вход «+»). Сигнал, поданный на вход «+», усиливается и на выходе ОУ образуется усиленный сигнал синфазный со входным, т.е. входной и выходной сигналы совпадают по фазе. Если подать сигнал на вход «–», то он не только усиливается, но и изменяется по фазе o

(инвертируется) на 180

, т.е. входной и выходной сигналы находятся в

противофазе. При отсутствии сигналов оба входа и выход ОУ находятся под нулевыми потенциалами. 1.3 Основные характеристики ОУ Многочисленные

типы

ОУ,

выпускаемые

промышленностью,

подразделяются на ОУ общего назначения и специализированные ОУ (например, низкошумящие, микромощные, быстродействующие и некоторые другие). Для описания

свойств

тех

и

других

используются

следующие

основные

характеристики: • Коэффициент усиления напряжения (КU) – это отношение амплитуды сигнала на выходе к амплитуде сигнала на одном из входов ОУ, когда другой вход соединён с «землёй» (или к разности сигналов на обоих входах 5

∆Uвх, если источник сигнала включён между ними). Типичные значения КU 4

6

для ОУ без цепей обратной связи находятся в пределах 10 - 10 . • Частота единичного усиления. Каждый усилительный каскад ОУ обладает инерционностью, которая приводит к тому, что, начиная с некоторой частоты, усиление каскада уменьшается. Чем больше число каскадов, тем больше общая инерционность ОУ, тем меньше усиление на высоких частотах. На некоторой частоте входного сигнала усиление ОУ снижается до 1. Эта частота называется частотой единичного усиления и обозначается fт. Для низкочастотных ОУ fт=1 МГц, а для быстродействующих высокочастотных -fт=(15-100) МГц, а отдельные ОУ могут работать до 2000 МГц. • Скорость нарастания напряжения (VU) характеризует время установления выходного сигнала большой амплитуды. Она зависит и от fт и от свойств выходных

каскадов

ОУ

при

передаче

большого

сигнала.

Для

низкочастотных ОУ VU=0,2 В/мкс, для быстродействующих VU=20 В/мкс и более. • Входное сопротивление (Rвх) – отношение изменения напряжения на одном из входов ОУ к изменению входного тока. Если внешние обратные связи отсутствуют, то сопротивления Rвх неинвертирующего и инвертирующего входов ОУ одинаковы. Величина сопротивления Rвх зависит от типа транзисторов, применяемых во входном балансном усилителе. Если это биполярные транзисторы, то Rвх составляет (десятки-сотни) кОм, а если во входном каскаде полевые транзисторы, то Rвх – (единицы-тысячи) Мом. • Выходное сопротивление (Rвых ) – отношение изменения напряжения на выходе ОУ к изменению выходного тока. Для большинства типов ОУ 6

(кроме усилителей мощности) Rвых~ (100-200) Ом. • Коэффициент ослабления синфазного сигнала (Ккосс) – отношение амплитуды выходного сигнала ОУ к амплитуде входного сигнала, поданного одновременно на оба входа. При подаче сигнала на вход «+» на выходе возникает сигнал той же полярности; при подаче сигнала на вход «–»

–

противоположной

полярности.

Следовательно,

при

подаче

одинакового сигнала на оба входа выходные сигналы вычитаются. Если бы оба входа были совершенно симметричными, результирующий сигнал на выходе был бы равен нулю. Вследствие некоторой асимметрии выходной сигнал отличается от нуля, но он значительно меньше, чем входной. Коэффициент ослабления сигнала Ккосс для различных типов ОУ составляет 80-100 дБ. Существуют и некоторые другие, менее существенные характеристики ОУ, такие как напряжение смещения нуля, входной ток и т.д. 1.4. Идеализация характеристик ОУ Для упрощения различных расчётов используют понятие идеальный ОУ. Идеальный ОУ имеет следующие основные характеристики: • Коэффициент усиления напряжения очень велик (КU→ ∞). • Частота единичного усиления очень велика (fт→ ∞). • Входное сопротивление ОУ очень велико (Rвх→ ∞). • Выходное сопротивление очень мало (Rвых→ 0). • Напряжение смещения очень мало (Uсм → 0). • Скорость нарастания выходного сигнала очень велика (VU→ ∞). • Коэффициент ослабления синфазного сигнала очень велик (Ккосс→ ∞). В реальных ОУ такие характеристики недостижимы. Однако в большинстве применений стараются так подобрать тип ОУ и характеристики связанного с ним 7

устройства, чтобы ОУ выступал по отношению к этому устройству, как идеальный. Так, например, импеданс цепи обратной связи ОУ выбирают значительно большим, чем Rвых, и значительно меньшим, чем Rвх, что позволяет в расчётах этими величинами пренебречь.

1.5 Свойства операционного усилителя На рисунке 1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный

усилитель

имеет

два

входа:

неинвертирующий

U+

и

инвертирующий U–. . В области низких частот выходное напряжение Uвых находится в той же фазе, что и разность входных напряжений Uд = U+ – U– , где Uд – разностное входное напряжение или напряжение дифференциального сигнала.

Рисунок 1 – Схемное обозначение операционного усилителя Помимо схемного обозначения ОУ показанного на рисунке 1, в литературе можно встретить и другие обозначения ОУ (рисунок 2): Всюду на рисунке 2: Uвх1

– инвертирующий вход, Uвх2 – неинвертирующий вход. В ОУ, обозначенном на рисунке 2 под номером 3, выводы 4 и 7 предназначены для подключения 8

напряжения питания микросхемы, а выводы обозначенные NC – для подключения подстроечного резистора, с помощью которого

можно

уменьшать величину

напряжения смещения нуля. Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя с сигналами как с положительной, так и с отрицательной полярностями, следует использовать двухполярное питающее устройство. Для этого необходимо предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые, как это показано на

рисунке

1,

подключаются

к

соответствующим

внешним

клеммам

операционного усилителя.

Рисунок 2 – Альтернативные обозначения операционных усилителей Как правило, стандартные операционные усилители в интегральном исполнении работают с напряжениями питания (плюс 15 – минус 15) В. Однако есть ОУ работающие совсем с низкими напряжениями питании и усилители с однополярным напряжением питания. На принципиальных схемах ОУ обычно изображают только их входные и выходные клеммы. В действительности идеальных операционных усилителей не существует. Для того чтобы можно было оценить, насколько тот или иной операционный усилитель близок к идеалу, приводятся технические характеристики усилителей. 9

Рассмотрим некоторые из них более подробно. • Дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя К0=∆Uвых / ∆Uвх или К0=∆Uвых / ∆ (U+ – U–) или К0= ∆Uвых / ∆Uд - называется

собственным

коэффициентом

усиления

операционного

усилителя, т.е. коэффициентом усиления ОУ при отсутствии обратной связи. Откуда следует, что ∆Uвых = К0٠∆Uд напряжения

должно

быть

прямо

,

т.е., приращение выходного

пропорционально

приращению

дифференциального входного напряжения. На рисунке 3 показана типичная зависимость выходного напряжения от дифференциального входного напряжения реального усилителя – амплитудная характеристика ОУ.

Рисунок. 3 –Амплитудная характеристика неинвертирующего ОУ Видно, что зависимость Uвых = f (Uд) линейна только в диапазоне напряжений Uвых min < Uвых
напряжений питания. При работе операционного усилителя с напряжением питания (плюс 15 – минус 15) В обычно область усиления по выходному напряжению составляет (плюс 12 – минус 12) В. Хотя есть ОУ границы Uвых max и Uвых min которых совпадают с напряжением питания. • Напряжение смещения нуля. Из соотношения Uвых = К0٠Uд следует, что амплитудная (или передаточная) характеристика идеального операционного усилителя должна проходить через нулевую точку. Однако, для реальных операционных

усилителей

эта

характеристика

несколько

смещена

относительно начала координат влево (или вправо), как показано на рисунке 3. Чтобы сделать выходное напряжение равным нулю, необходимо подать на вход операционного усилителя некоторое напряжение. Это напряжение называется напряжением смещения нуля Uсм. Оно составляет обычно несколько милливольт и во многих случаях может не приниматься во внимание. Когда же этой величиной пренебречь нельзя, она может быть сведена к нулю применением специальных методов. • Коэффициент усиления синфазного сигнала.

Если на оба входа ОУ

подать одно и то же напряжение U+ = U– , то Uд =0. Выходное напряжение Uвых также должно остаться равным нулю. Однако, для реальных дифференциальных усилителей это не соответствует действительности, т. е. коэффициент усиления синфазного сигнала Ксин=∆Uвых/∆(U+=U–) не строго равен нулю. Более того, как видно из рисунка 4, при достаточно больших значениях входного синфазного сигнала он резко возрастает. Неидеальность операционного

усилителя

характеризуется

параметром,

называемым

коэффициентом ослабления синфазного сигнала Ккосс= Ко/Ксин. Его типичные

значения

составляют

104-105.

Коэффициент

усиления

дифференциального сигнала по определению всегда положителен. Этого, однако, нельзя сказать о коэффициенте усиления синфазного сигнала Ксин. 11

Он может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Рисунок 4 – Зависимость выходного напряжения ОУ от синфазного входного сигнала В справочных таблицах обычно приводятся абсолютные значения величины Ккосс. В формулах же величина Ккосс используется с учетом ее фактического знака. • Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя. На рисунке

5

представлена

типичная

частотная

характеристика

дифференциального коэффициента усиления операционного усилителя.

Рисунок 5 –Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя 12

В комплексной записи дифференциальный коэффициент усиления такого усилителя выражается следующей формулой K =

K0 1 + jf f Т

Здесь Ко –

предельное значение К на нижних частотах без цепей обратной связи ОУ. Выше частоты fво, соответствующей границе полосы пропускания на уровне 3 дБ, модуль коэффициента усиления К обратно пропорционален частоте. Таким образом, в этом диапазоне частот выполняется соотношение К=Ко/f На частоте fT модуль дифференциального коэффициента усиления К=1. • Входное сопротивление. Реальные операционные усилители имеют конечную

величину

входного

сопротивления.

Различают

входное

сопротивление для дифференциального сигнала и входное сопротивление для синфазного сигнала. Их действие иллюстрируется схемой замещения входного каскада операционного усилителя, представленной на рисунке 6.

Рисунок 6 – Схема замещения операционного усилителя по входу У операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах входное сопротивление для дифференциального сигнала Rвх диф составляет несколько мегаОм, а входное сопротивление для синфазного сигнала Rвхcин несколько гигаОм. Входные токи, определяемые этими сопротивлениями, имеют величину порядка нескольких наноампер. Входное сопротивление синфазного сигнала – это сопротивление ОУ между двумя входами. Как 13

правило,

оно

на

1–2

порядка

больше

входного

сопротивления

дифференциального сигнала • Входные токи. Большое значение имеют постоянные токи, протекающие через входы операционного усилителя. Входной ток при отсутствии сигнала +

−

определяется по формуле I Bх = ( I Bх − I Bх ) 2 . А входной ток смещения

I o = I Bх + − I Bх −

Для

стандартных

биполярных

операционных

усилителей начальный входной ток лежит в пределах от 20 до 200 нА, а для операционных усилителей с входными каскадами, выполненными на полевых транзисторах, он составляет всего несколько пикоампер. • Полоса рабочих частот ОУ. Полоса частот ОУ зависит от наличия или отсутствия цепей обратной связи.

Рисунок 7 – Расширение рабочей полосы частот усилителя за счет действия обратной связи. В связи с громадным значением коэффициента усиления операционного усилителя, как правило, в схемы устройств на

ОУ вводят цепь

отрицательной обратной связи. Благодаря этому полоса рабочих частот усилителя, охваченного обратной связью, расширяется (рисунок 7), так что 14

произведение коэффициента усиления на ширину полосы для охваченного обратной связью усилителя равно частоте единичного усиления ОУ без обратной связи: fв = fТ/К.

1.6 Основные схемы включения ОУ В основе анализа схем на операционных усилителях лежат два следующих предположения. • Входы ОУ не потребляют тока и имеют очень большое сопротивление. • Напряжение между неинвертирующим и инвертирующим входами ОУ под действием отрицательной обратной связи становится равным нулю (принцип виртуального замыкания). Основываясь на этих предположениях, проведём анализ простейших усилительных схем на ОУ. 1.6.1 Инвертирующий усилитель Схема инвертирующего усилителя показана на рисунке 8. Используя два указанных выше предположения, определим коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя.

Рисунок 8 – Инвертирующий усилитель

15

Резисторы R1 и R2 образуют цепь параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. Поэтому в соответствии с принципом виртуального замыкания разность потенциалов между входами ОУ становится очень малой. Поскольку неинвертирующий вход заземлен, то и на инвертирующем входе появляется потенциал близкий к нулю. При этом входной ток I1, протекающий по резистору R1, составит I1=U1/R1. Поскольку вход ОУ имеет очень большое сопротивление, то весь этот ток будет протекать по резистору R2, создавая падение напряжения U2 = U1 ٠R2/R1. Здесь U1 = Uвх , U2 = Uвых. Поэтому коэффициент усиления по напряжению K оказывается равным К = –U2/U1. Таким образом К = –R2/R1. Знак минус учитывает инверсию сигнала на выходе усилителя. Входное сопротивление усилителя Rвх = R1. Выходное сопротивление очень мало. 1.6.2 Неинвертирующий усилитель Схема неинвертирующего усилителя показана на рисунке 9.

Рисунок 9 – Схема неинвертирующего усилителя Резисторы R1 и R2 образуют цепь последовательной отрицательной обратной связи по напряжению, поэтому в соответствии с принципом виртуального замыкания разность потенциалов между двумя входами очень мала, то есть на инвертирующем входе будет такое же напряжение, как и на неинвертирующем. Следовательно, через резистор R1 будет протекать ток I1 = U1 / R1. В силу высокого 16

входного сопротивления такой же ток будет протекать по резистору R2 и падение напряжения на нем составит U2 = U1٠R2 / R1. Выходное напряжение будет равно сумме напряжений на инвертирующем входе и падения напряжения на резисторе R2 , то есть U2=U1(1+R2/R1). Поэтому коэффициент усиления по напряжению K окажется равным K=1+R2/R1 . Влияние напряжения смещения может быть исследовано по схеме замещения, представленной на рисунке 10. Напряжение смещения оказывается приложенным последовательно с входным напряжением. Таким образом, на выходе, как и входное напряжение, напряжение смещения будет увеличиваться в K раз.

Рисунок 10 – Схема замещения ОУ с отрицательной обратной связью с учетом влияния напряжения смещения

1.7 Коррекция частотной характеристики ОУ Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры операционный усилитель по своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних

частот

высокого

порядка.

Типичная

частотная

характеристика

коэффициента усиления Ko операционного усилителя без частотной коррекции изображена на рисунке 11. Выше частоты fl частотная характеристика определяется первым фильтром нижних частот с минимальной граничной 17

частотой. Коэффициент усиления в этой области частот падает с ростом частоты (наклон составляет 20 дБ/декада), а фазовый сдвиг выходного напряжения Uвых относительно входного Uд

достигает φ = — 90°. Это значит, что выходное

напряжение отстает по фазе от входного на 90°.

Рисунок 11 – Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики операционного усилителя (диаграмма Боде). Выше частоты f2 начинает действовать второй фильтр нижних частот и коэффициент усиления уменьшается сильнее (наклон 40 дБ/декада), а фазовый сдвиг между Uд и Uвых достигает

φ = –180°. Это означает, что отрицательная

обратная связь, которая осуществлялась подачей части выходного напряжения на инвертирующий

вход

усилителя,

в

этой

частотной

области

становится

положительной. Как известно, если имеется такая частота, для которой фазовый сдвиг по цепи обратной связи становится равным нулю (условие баланса фаз), а коэффициент петлевого усиления | Kβ | > 1 (условие баланса амплитуд), в такой усилительной системе могут возникнуть автоколебания. Усилитель прекращает выполнять свои функции, превратившись в генератор. Коэффициент β в этом соотношении является коэффициентом передачи цепи обратной связи. Таким 18

образом, как для инвертирующего, так и для неинвертирующего усилителя он определяется как β=R1/(R1+R2). Для

предотвращения

самовозбуждения

при

наличии

отрицательной

обратной связи в усилитель вводятся частотно-корректирующие цепь. Для этого соединяют через конденсатор выход и вход (коллектор и базу – для биполярного транзистора) одного из транзисторов, входящих в состав ОУ. Как правило, такая цепь

изменяет амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики

операционного усилителя таким образом, что при Kβ > 1 фазовый сдвиг не

достигает 1800.. Разность между 1800 и фазовым сдвигом на данной частоте является запасом по фазе и от него существенно зависит получаемый результат. На рисунке 12 наглядно показано влияние запаса по фазе на усилительные свойства усилителя.

Рисунок 12 – Импульсные переходные характеристики операционного усилителя, охваченного обратной связью, при различных значениях запаса по фазе Наряду со снижением полосы пропускания усилителя частотная коррекция дает еще один нежелательный эффект: скорость нарастания выходного напряжения становится при этом довольно малой величиной. Вследствие ограниченного значения этой величины при быстрых изменениях входного напряжения возникают характерные искажения сигнала, которые не могут быть 19

устранены путем введения отрицательной обратной связи. Их называют динамическими искажениями. В частности, за счет недостаточной скорости изменения выходного сигнала с увеличением частоты начинает искажаться при большой амплитуде выходного сигнала сигнал синусоидальной формы. Часто при этом можно наблюдать, как сигнал синусоидальной формы превращается в сигнал пилообразной формы. В этом случае иногда говорят, что усилитель начал «пилить». 2 ЭКСПЕРИМЕНТ 2.1 Приборы и оборудование 2.1 Для проведения эксперимента используются следующие приборы и

оборудование: • Лабораторный макет «Линейные электрические цепи». • Осциллограф двухканальный. • Генератор гармонических сигналов низкочастотный. • Два цифровых вольтметра. • Соединительные провода и кабели. Работу

удобно

выполнять

на

лабораторном

электрические цепи». 2.2 Лабораторный макет содержит: ƒ Два блока операционных усилителей. ƒ Блок источника питания. ƒ Блок генераторов импульсов различной формы. ƒ Набор линейных R, L, C элементов.

20

макете

«Линейные

3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ ƒ Получите допуск к выполнению работы у преподавателя. ƒ Выполните следующие задания: 3.1 Измерение напряжения смещения нуля операционного усилителя

Для этого: 3.1.1 Убедитесь, что питание лабораторного макета выключено. 3.1.2 Соберите электрическую схему, изображенную на рисунке 13.

Рисунок 13 – Схема для измерения напряжения смещения нуля на входе операционного усилителя. Примечания:

• При подключении к макету измерительных приборов, во избежание короткого замыкания, необходимо строго соблюдать, чтобы общие шины приборов и макета были соединены вместе. Клеммы приборов и макета, соединенные с общей шиной, имеют схемные обозначения

или

.

• Соединительные кабели для подключения измерительных приборов имеют два провода, один из которых, соединен с общей шиной, как правило, большей длины или окрашен в более тёмный цвет.

21

• Напряжение питания уже подведено внутри макета к операционным усилителям от источника постоянного напряжения и не требует специального включения тумблера в блоке «Источник напряжения». • Входные клеммы ОУ в тексте ниже обозначены U1 , а выходные - U2. 3.1.3 Проверьте правильность соединения электрической схемы. 3.1.4 Включите в сеть макет и вольтметр в режиме измерения постоянного

напряжения U=. 3.1.5 С помощью вольтметра измерьте постоянное напряжение на входе

операционного усилителя, подобрав наиболее точную шкалу вольтметра для измерения малых напряжений. 3.1.6 Выключите питание макета. 3.2 Исследование схемы неинвертирующего усилителя на ОУ

Для этого: 3.2.1 Подготовьте приборы к работе:

• Включите в сеть два цифровых вольтметра, генератор сигналов и осциллограф. • Для генерирования сигналов гармонической формы тумблер на передней панели генератора установите в положение «~». • Установите ручку регулятора напряжения генератора «

» на нуль (в

левое крайнее положение). • Подготовьте вольтметры для измерения переменного напряжения U~. 3.2.2 Соберите схему неинвертирующего усилителя на ОУ, изображенную

на рисунке 14.

22

Рисунок 14 – Схема неинвертирующего усилителя. 3.2.3 К входу усилителя подключите генератор, цифровой вольтметр и

первый канал осциллографа, а к выходу усилителя – второй цифровой вольтметр и второй канал осциллографа в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 15.

Рисунок 15 – Схема установки для измерения АЧХ и АХ неинвертирующего усилителя на ОУ. 3.2.4 Проверьте правильность соединений. 3.2.5 Включите питание макета и генератора. 23

3.2.6 Измерьте

амплитудно-частотную

характеристику

(АЧХ)

неинвертирующего усилителя на ОУ в диапазоне частот от 100 Гц до 1МГц. Для этого установите начальную частоту на генераторе 100 Гц. При измерениях на входе усилителя поддерживайте напряжение U1 ≈ 100мВ

ручкой регулятора напряжения генератора «

».

Входное (U1) и выходное (U2) напряжения усилителя измеряйте с помощью двух вольтметров. Вычислите значение коэффициента усиления усилителя по формуле K u =

U2 . Повторите эти измерения U1

на частотах 316 Гц, 1 кГц, 3,16 кГц, 10 кГц, 31,6 кГц, 100 кГц, 316 кГц, 1МГц. На каждой частоте измеряйте новые значения напряжений U1 и U2 и вычисляйте Кu. 3.2.7 Снимите амплитудную характеристику (АХ) ОУ на низкой частоте.

Для этого установите частоту сигнала генератора 1 кГц и изменяйте напряжение на генераторе. Примечание. При измерении амплитудных характеристик в

случае, если выходной сигнал синусоидального вида, форму которого нужно контролировать с помощью осциллографа, начинает ограничиваться, т.е. его амплитуда перестает расти при увеличении амплитуды входного сигнала, дальнейшее увеличение амплитуды входного сигнала не производить! ОУ может выйти из строя! Каждый раз записывайте соответствующие пары входного и выходного напряжений. Результаты измерений представьте в виде графика

зависимости

U2 = f (U1).

Снимите

амплитудную

характеристику (АХ) ОУ на высокой частоте. Для этого установите частоту сигнала генератора 1 МГц и изменяйте напряжение на генераторе. Результаты измерений представить в виде графиков зависимости U2 = f (U1). 24

3.2.8 Убедитесь, что на ОУ собрана схема неинвертирующего усилителя.

Для

этого

получите

на

экране

осциллографа

неподвижное

изображение входного и выходного сигналов и зарисуйте их. 3.2.9 Увеличьте коэффициент усиления ОУ. Для этого установите

напряжение генератора равное 10 мВ, отключите лабораторный макет от сети и в схеме замените резистор R2 другим с номиналом 20 кОм. 3.2.10 Включите макет и снимите АЧХ, повторив измерения, аналогично

пункту 3.2.6. 3.2.11 Результаты измерений АЧХ в обоих случаях представить в виде

графиков в двойном логарифмическом масштабе, где по оси абсцисс в логарифмическом масштабе отложена частота, а по оси ординат коэффициент усиления в дБ Ku = Ku (lg f ). Перевод в децибелы осуществляется по формуле: K u [дБ] = 20 lg K u [раз] = 20 lg

U2 U1

3.2.12 Снимите на частотах 1 кГц и 1МГц амплитудные характеристики ОУ,

изменяя напряжение на генераторе, как в пункте 3.2.7. Результаты измерений представить в виде графика зависимости U2 = f (U1). 3.2.13 Выключите макет и генератор. 3.2.14 Разберите электрическую схему неинвертирующего усилителя. 3.3 Исследование схемы инвертирующего усилителя 3.3.1 Соберите схему инвертирующего усилителя согласно рисунку 16. 3.3.2 К входу усилителя подключите генератор,

цифровой вольтметр и

первый канал осциллографа, а к выходу усилителя - второй цифровой вольтметр и второй канал осциллографа в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 17.

25

Рисунок 16 – Схема инвертирующего усилителя.

Рисунок 17 – Схема установки для измерения АЧХ и АХ инвертирующего усилителя. 3.3.3 Установите ручку регулятора напряжения генератора «

» на нуль (в

левое крайнее положение). 3.3.4 Включите измерительные приборы в сеть. 3.3.5 Ручкой регулятора напряжения установите «

» на входе усилителя

напряжение 100 мВ. 3.3.6 Снимите амплитудно-частотную характеристику инвертирующего

усилителя, как в пункте 3.2.6.

26

3.3.7 На частотах 1 кГц и 1МГц снимите амплитудные характеристики (АХ)

ОУ, как в пункте 3.2.7. Результаты измерений представить в виде графиков зависимости U2 = f (U1). 3.3.8 Убедитесь, что на ОУ собрана схема инвертирующего усилителя. Для

этого получите на экране осциллографа неподвижное изображение входного и выходного сигналов и зарисуйте их. 3.3.9 Выключите макет. 3.3.10 Увеличьте коэффициент усиления ОУ. Для этого, установите

напряжение генератора равное 10 мВ, а резистор R2 замените резистором с номиналом 20 кОм. 3.3.11 Включите макет и снимите АЧХ, повторив измерения, аналогично

пункту 3.2.6, но при U1 = 10 мВ. Результаты измерений АЧХ представить в виде графика в двойном логарифмическом масштабе Ku = Ku ( lg f ). 3.3.12 Выполните на частотах 1 кГц и 1 МГц измерения амплитудной

характеристики инвертирующего усилителя, изменяя напряжение на генераторе, как в пункте 3.2.7. Результаты измерений представьте в виде графиков зависимости U2 = f (U1). 3.4 Измерение максимальной скорости нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя

Для этого: 3.4.1 Убедитесь, что питание макета выключено. 3.4.2 Соберите схему, изображённую на рисунок 18. 3.4.3 Ручку регулятора напряжения генератора «

» установите в левое

крайнее положение и переведите генератор в режим генерации прямоугольных импульсов ( тумблер в положении «

27

»).

Рисунок 18 – Схема ОУ с разделительным конденсатором на входе. 3.4.4 Подключите к входу усилителя генератор и 1-й канал осциллографа, а

к выходу усилителя - 2-й канал осциллографа в соответствии со схемой, изображенной на рисунке 19. 3.4.5. Включите питание макета. 3.4.5 На частоте 100 кГц увеличивайте напряжение генератора. С помощью

двухканального осциллографа наблюдайте за формой сигналов на входе и на выходе схемы. Напряжение генератора увеличивайте до тех пор, пока амплитуда сигнала на выходе перестанет зависеть от амплитуды сигнала на входе. Зарисуйте осциллограммы входного и выходного

сигналов.

По

осциллограмме

выходного

сигнала

определите скорость нарастания выходного напряжения. 3.5 Измерение частотных характеристик максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала инвертирующего усилителя.

Для этого: 3.5.1 Ручку регулятора напряжения генератора «

» установите в левое

крайнее положение и переведите генератор в режим генерации сигналов гармонического типа ( тумблер в положении « ~ »). 3.5.2 Воспользуйтесь схемой, изображённой на рисунке 19. 3.5.3 Выполните

измерения

зависимости

максимальной

амплитуды

неискаженного выходного сигнала U2max инвертирующего усилителя от частоты в диапазоне от 1 кГц до 1 МГц. Для этого: на генераторе 28

установите частоту 1 кГц и вращайте ручку регулятора напряжения генератора « искажения

» до тех пор, пока на экране осциллографа не появятся выходного

сигнала

U2

.

Измерьте

с

помощью

осциллографа значение максимального неискаженного напряжения U2max , соответствующего частоте 1 кГц. Повторите измерения для частот 10 кГц. 100 кГц, 178 кГц, 316 кГц, 562 кГц, 1 МГц. Постройте график зависимости U2max = (lg f ).

Рисунок 19 – Схема для измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения и определения частотной зависимости максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала.

4. Содержание отчета Итогом работы является набор амплитудно-частотных и амплитудных характеристик и осциллограмм, снятых для ОУ, работающего в качестве инвертирующего и неинвертирующего усилителя при различных коэффициентах усиления, а так же частотные характеристики максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала и результаты измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя. 29

Отчет должен содержать:

- название и цель работы; - краткую теорию; - схемы исследуемых усилителей; -графики

амплитудно-частотных

характеристик

инвертирующего

и

неинвертирующего усилителей при различных коэффициентах усиления; -

графики

амплитудных

характеристик

инвертирующего

и

неинвертирующего усилителей на низких и высоких частотах; - осциллограммы входного и выходного сигналов инвертирующего и неинвертирующего усилителей; - частотные характеристики максимальной амплитуды неискаженного выходного сигнала инвертирующего усилителя; - результаты измерения максимальной скорости нарастания выходного напряжения инвертирующего усилителя;. - выводы по выполненным исследованиям. Графики выполняются на миллиметровой бумаге либо с помощью компьютера. 5 Контрольные вопросы

1) Определение операционного усилителя. 2) Схема и основные соотношения для неинвертирующего усилителя на ОУ. 3) Схема и основные соотношения для инвертирующего усилителя на ОУ. 4) Основные параметры и характеристики ОУ. 5) Понятие об идеальном ОУ. 6) Условия, при которых реальный ОУ можно считать идеальным. 7) Амплитудная характеристика ОУ и параметры ОУ определяемые по ней. 8) Амплитудно-частотная характеристика ОУ и параметры ОУ определяемые по ней. 9) Какими мерами можно обеспечить устойчивость работы ОУ с глубокой 30

обратной связью. 10)

Диаграммы Боде.

11)

В чем заключаются достоинства ОУ, благодаря которым они широко

применяются в радиоэлектронике. ЛИТЕРАТУРА Основная:

1 Шило В.Л. Линейные интегральные схемы. – М.: Сов. Радио, 1974. – 311 с. 2 Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники: учеб. для вузов. – М.: Сов. Радио, 1976. – 479 с. 3 Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехнике.- М. Мир, 1982. – 512 с. 4 Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т.1. - М. Мир, 1993. – 412 с. 5 Нефёдов В.И. Основы радиоэлектроники: учеб. для вузов. – М.: В.Ш., 2000 – 398 с. Дополнительная:

6 Рубинштейн И.А. Спец. практикум по ядерной электронике: метод. пособие. www.npi.msu.su/structinc/lib/books/nuc_el/p7. 7 Тогатов В.В. Основы электроники: электронный учебник. Версия: 1. СПбГУ ИТМО. - de.ifmo.ru/bk_netra/start.php?bn=36. 8 Алексеев А.Г., Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение. www.urss.ru/cgibin/db.pl?cp=&page=Book&id=14464&lang=Ru&blang=ru&list=83. 9 Общие сведения об операционных усилителях. - naf-st.ru/main/rc/?ou01

31