1.Цель работы

1.1. Изучение влияния отрицательных обратных связей на свойства и параметры операционных усилителей (ОУ),

1.2. Получение практических навыков экспериментального определения основных параметров схем на ОУ.

1.3. Освоение методики снятия амплитудно-частотных характеристик.

2.Содержание работы

2.1. Снятие амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) операционных усилителей с последовательной и параллельной отрицательной обратной связью (ООС).

2.2. Определение коэффициентов усиления неинвертирующего и инвертирующего ОУ.

2.3. Определение по АЧХ полосы пропускания усилителя.

3.Особенности правил и мер техники безопасности при проведении экспериментальных исследований 

3.1. Земельные зажимы приборов (звукового генератора, электронных вольтметров, осциллографа) обязательно соедините с соответствующими земельными зажимами лабораторного стенда СОУ.

3.2. Следите за правильным выбором пределов измерения электронных вольтметров и коэффициента усиления осциллографа.

3.3. В остальном при выполнении данной работы правила техники безопасности не отличаются от общих при работе в электротехнических лабораториях.

 

4. Методические указания по подготовке и проведению работы

4.1. Изучите разделы "Обратные связи в многокаскадных усилителях на микросхемах" (Л.I с.118-122), "Операционные усилители" (Л.1 с.Ш-139).

4.2. Изучите данную методическую разработку, обратив особое внимание на методику и порядок проведения исследований.

4.3. Подготовьте бланк отчета по работе:

- записав цель работы;

- начертив схемы ОУ с последовательной и параллельной ООС;

- подготовив таблицы для внесения экспериментальных и расчетных данных.

5.Описание лабораторной установки

Работа выполняется на стенде для исследования операционных усилителей СОУ (схема стенда показана на рис,1). В состав стенда входит ОУ с соответствующими цепями; блок питания ОУ постоянным напряжением +-15 В; а также генератор синусоидальных напряжений с Uвых= 0+2.5 В и изменяющейся частотой в пределах (0,02 - 20)кГц, от которого сигнал подается на вход ОУ.

Из аналоговых интегральных микросхем самое широкое распространение получили ОУ в силу своей универсальности; в зависимости от подключенных внешних элементов они позволяют осуществлять различные операции над сигналами (усиление в широком диапазоне частот, генерацию, преобразование, выполнение вычислений и т.д.).

ОУ называют многокаскадный усилитель  постоянного тока, обладающий большим коэффициентом усиления по напряжению (Ku > > 10 000), предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при работе в схемах с OOС.

К недостаткам таких усилителей относят большой разброс значений Кu (например, 35 000 + 70 000) и узкий частотный диапазон (частота среза составляет 20 + 50 Гц для обычных ОУ и I + 2 кГц - для быстродействующих). Для устранения этих недостатков используют отрицательные ОС (ООС).

ОС - это схема, осуществляющая подачу на вход усилителя части выходного сигнала (рис.2). Обратная связь положительна, если передаваемый ею с выхода на вход сигнал Uoc складывается с входным Uвх, и отрицательна, если Uос вычитается из Uвх

Рис.2 Электрическая схема стенда для исследования ОУ

 

Рис.2. Структурная схема усилителя с ОС

Коэффициент усиления по напряжению усилителя без ОС:

Кu=Uвых\Uвх, а с ОС Kuoc=Ku\(1±BKu),

где Кuoc – коэффициент усиления усилителя с ОС;

Ku – то же без ОС

B =Uoc\Uвых

  Знак "+" относится к отрицательной ОС, а знак "-" - к положительной, т.е. с введением ОХ Кu снижается: Kuoоc<Ku. Однако, в усилителях применяют именно ООС, так как несмотря на снижение коэффициента усиления, они стабилизируют его значение, расширяют полосу пропускания, а кроме того увеличивают входное и уменьшают выходное сопротивления усилителя:

Rвхooc=Rвых (1+BKu)

где Rвхоос и Rвыхоос - входное и выходное сопротивления

усилителя с ОХ;

Rвх и Rвых - входное и выходное сопротивления усилителя без ОХ;

Кu - коэффициент усиления по напряжению усилителя

без ОХ.

Микросхема ОУ (рис.3) имеет два входа: I и 2  и один выход. Вход I - неинвертирующий, так как увеличение сигнала UВХ1 на этом входе увеличивает выходной сигнал Uвых

Вход 2 называют инвертирующим, поскольку изменение входного сигнала Uвх2 на нем вызывает противоположное по фазе изменение выходного сигнала ОУ (этот вход обозначают кружком). Следовательно, чтобы ОС была отрицательна, Uoc должно подаваться только на инвертирующий вход. Если входной сигнал UBX1 подать на неинвертирующий вход I, а на инвертирующий вход с помощью цепи обратной связи R1, Roc подать часть выходного напряжения, т.е. осуществить последовательную OOC по напряжению, то получится неинвертирующий усилитель, схема которого на рис.4.

При достаточной глубине ОOC (когда Kuoc<<Ku) свойства цепи не зависят от параметров ОУ, а определяются исключительно цепью ОOC:

Рис.3. Условное графическое изображение ОУ

 

где B=Uoc\Uвых=R1\(R1+R2)- коэффициент обратной связи.

 

 

Рис.4. Схема неинвертирующего ОУ

Следовательно, коэффициент усиления неинвертируищего усилителя:

Kuoc=(R1+R2)\R1 (1), входное сопротивление Rвх.ос=Rвх(1+BKu)=RвхR1Ku\(R1+R2)(2), выходное сопротивление неинвертирующего усилителя Rвых.ос = Rвых\(1+BKu)(3).

Учитывая, что у неинвертирующего усилителя сопротивление Rвх.ос очень большое, а Rвых.ос мало, такой усилитель применяют часто как согласующее звено при работе с высокоомным нагрузочным устройством.

Если входное напряжение Uвх подается на инвертирующий вход 2 (рис.5) через резистор R1 вместе с напряжением OOС, которое сдвинуто по отношению к входному на 180, то получают инвертирующий усилитель с параллельной OOС по напряжению.

Неинвертирующий вход усилителя при этом заземлен. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя формула (4)

Рис.5. Схема инвертирующего ОУ

Знак "-" в выражении (4) означает, что в инвертирующем усилителе входное и выходное напряжения находятся в противофазе. Входное сопротивление инвертирующего усилителя Rвх.ос=R1 а выходное сопротивление

Положительная ОС в усилителях почти не применяется.

Важнейшими характеристиками ОУ, как и любого усилителя, являются амплитудная и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). На рис.6 изображена амплитудная характеристика, представляющая собой зависимость Uвых=f(Uвх) при нулевой частоте. Кривая I соответствует подаче входного напряжения на инвертирующий вход, кривая 2 - на неинвертирующий вход. Эти характеристики получают при подаче входного напряжения на один из входов при отсутствии напряжения на другом входе. Наклонный (линейный) участок кривых подчеркивает линейность зависимости Uвых=f(Uвх)

Рис.6. Амплитудная характеристика ОУ

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму работы ОУ, при котором Uвх выходит за пределы U`вх линейного участка характеристики, и форма выходного сигнала искажается.

АЧХ - это зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала Ku(f) (рис.7). АЧХ определяет частотный диапазон ЧД (полосу пропускания f) усилителя. ЧД называют полосу от нижней граничной частоты fH  до верхней граничной частоты fв. f=fв-fн.

АЧХ ОУ обычно равномерна в широком ЧД от fн=0 до частоты среза fcp=fв которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в 1.4 раза (на 3 ДБ).

   

Снижение Ku в области нижних и верхних частот называется  частотными искажениями.

Введение отрицательной ОС расширяет полосу пропускания ОУ, увеличивая fср, и уменьшает искажения.

Рис.7. АЧХ операционного усилителя

6. Последовательность выполнения работы

6.1. Подготовьте к работе осциллограф и электронные вольтметры, установив переключатели на них в положения, соответствующие роду работы.

6.2. Вольтметр, измеряющий Uвх подключите к гнездам I и 2 разъема XS1 t к гнездам I4 и I6 разъема XS4 подключите вольтметр, измерявший UВЫX и осциллограф. Следите за соединением земельных зажимов приборов с земельными клеммами стенда ОУ (они имеют обозначение +).

6.3. Входной сигнал Uвх подайте от гнезда «1:1»  генератора к гнезду 1  схемы ОУ. Земляные клеммы генератора и ОУ соединены внутри стенда.

6.4. Исследуйте неинвертирующий ОУ, собрав схему рис.8.

6.4.1. Установите переключатели: S1 - в положение «ВЫКЛ», $2  -в положение "УСИЛИТЕЛЬ" и (S3 -в положение "НЕИНВ".(см.рис.1).

6.4.2.  В соответствии с вариантом задания (см.табл.3) подключите нужные резисторы Z1=R8 или R9 и Z2=R10, R11, R12.

6.4.3. Установите Uвх ОУ в пределах, указанных в

табл.3 вариантов, с помощью рукоятки "Uвх" панели генератора. (Для установки Uвх<0,2В используйте гнезда "1:10" и "1:100" на панели генератора).

 

Рис.8. Принципиальная электрическая схема неинвертирующего ОУ

6.4.4. Снимите АЧХ неинвертирующего ОУ, изменяя частоту входного сигнала ступенчато в пределах 0,02 + 0,2 кГц; 0,2 + 2 кГц ; 2 + 20 кГц и внутри каждого поддиапазона плавно с помощью рукоятки «F, кГц» панели генератора.

При измерениях следите, чтобы форма кривой выходного напряжения на экране осциллографа оставалась синусоидальной. В случае искажения формы Uвых (появления срезов на синусоиде) уменьшите амплитуду входного сигнала так, чтобы

Uвых<Uвыхмах =6,5 (см.рис.б), после чего продолжайте снятие АЧХ.

6.4.5. Результаты измерений занесите в табл.1.

   

Таблица I АЧХ  операционного усилителя

Параметры ООС

Частота f, Гц

20

30

50

100

200

300

500

1000

2000

3000

5000

10000

20000

R1=

R2=46,2 kOm

Uвх,В

Uвых,В

Ku

эксп

ДБ

R2=244,6 kOm

Uвх,В

Uвых,В

Ku

эксп

ДБ

R2=1300 kOm

Uвх,В

Uвых,В

Ku

эксп

ДБ

6.5. Исследуйте инвертирующий ОУ, собрав схему рис.9.

6.5.1. Установите переключатели:  S1 - в положение "ВЫКЛ" , S2. - в положение "УСИЛИТЕЛЬ" и S3 - в положение "ИНВ" (см.рис.1).

6.5.2. Выполните действия в соответствии с п.п. 6.4.2,

6.5.3. Снимите АЧХ инвертирующего ОУ, результаты измерений занесите в табл.1.

6.6.  По результатам измерений и расчетов постройте АЧХ ОУ и по ним определите, как изменяется частотный диапазон (f) в зависимости от глубины ООС.

(Под глубиной 00С понимают (B=Uoc\Uвых).

6.7. Рассчитайте теоретические значения коэффициентов усиления ОУ, по формулам, приведенным в п.6.10, и постройте теоретические АЧХ заданного ОУ (рис.10).

 

Рис9. Принципиальная электрическая схема инвертирующего ОУ

 

6.8. Рекомендации по построению АЧХ.

При построении АЧХ коэффициент усиления рекомендуется выражать в децибелах (дБ)

Ku,дб=20lg|Ku|

Такие единицы зачастую удобнее и используются в технике очень широко. Некоторые значения Ku, выраженные в децибелах, приведены в табл.2.

Таблица 2

Ku\Ko	1	1,41	2	2,5	3,16	4	5	10	100	1000
Ku ДБ	0	3	6	8	10	12	14	20	40	60

По оси абсцисс в АЧХ откладывают логарифм частоты (рис.10). В результате перекрывается значительный частотный диапазон и одновременно не сжиМАЕтся график при малых значениях частот.

Рис.10. Теоретические АЧХ усилителей с различной глубиной 00С.

Расстояния, откладываемые в декада по оси абсцисс:

2-3 единицы,

3 - 4,8 единицы,

5-7 единиц,

10 - 10 единиц.

6.9. По результатам выполненных экспериментов и построенным АЧХ сделайте выводы о влияниях глубины 00С на величину коэффициента усиления и частотный диапазон ОУ.

 

6.10. РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

 

7.Содержание отчета

7.1.Цель работы

7.2.Принципиальная схема лабораторной установки для снятия в.а.х. биполярных транзисторов.

7.3. Две таблицы экспериментальных данных

7.4. Статическая входная характеристика

7.5. Семейство статических выходных характеристик

7.6. Расчет статического коэффициента усиления транзистора по току.

 

 

8.Контрольные вопросы

1.           Что такое операционный усилитель?   Почему он тан называется?

2.           Какой ОУ называют инвертирующим, какой неинвертирующиы?

3.           Что такое обратная связь?

4.           Какая ОС является положительной, какая отрицательной?

5.           Какая ОС является последовательной, какая параллельной?

6.           На какой из входов ОУ подается отрицательная и положительная ОС?

7.           Что называется амплитудной характеристикой усилителя?

8.           Что называется   АЧХ  усилителя?

9.           Что такое полоса пропускания ОУ?

10.          Как по амплитудно-частотной характеристике усилителя определить его полосу пропускания?

11.         Как влияет 00С на полосу пропускания усилителя?

12.           Как влияет 00С на характеристики и параметры усилителя?

13.           Как влияет ОХ на входное и выходное сопротивления неинвер-тирующего и инвертирующего усилителей?

 

Таблица 3

Варианты заданий

Вариант	Схема ОУ	Пределы Uвх, В	Z1=R1 кOм	Z2=R2 кОм
1	Неинвертирующий	0,01+0,03 0,05+ 0,2 0,5 + 1	R8=9,1 гнезда 3,5	R10=1300 гнезда 3,7 R11=244,6 гнезда 3,8 R12=46,2 гнезда 3,9
2	Неинвертирующий	0,05+ 0,2 0,5 + 1 0,5 + 2	R9=47 гнезда 3,6	R10=1300 R11=244,6 R12=46,2
3	Инвертирующий	0,01+0,03 0,05+ 0,2 0,5 + 1	R8=9,1 гнезда 3,5	R10=1300 R11=244,6 R12=46,2
4	Неинвертирующий	0,05+ 0,2 0,5 + 1 0,5 + 2	R9=47 гнезда 3,6	R10=1300 R11=244,6 R12=46,2

 

 

На главную

В начало