II.III Исследование логарифмического усилителя

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Институт физики, нанотехнологий и телекоммуникаций

Лабораторная работа № 22

Свойства операционного усилителя

Группа: 2097/2

Бригада №: 6

Студенты: Галл Р.Д.

Потапов Г.С.

Преподаватель: Гуськов А.Б.

Цель работы – углубление знаний о свойствах типовых операционных усилителей и о принципах построения аналоговых электронных устройств на их основе; приобретение навыков измерения и оценки параметров ОУ.

(подпись, дата)

Работа выполнена:

(дата)

Отчёт принят:

I Исследование свойств операционного усилителя.

I.I Исследование частотной зависимости собственного коэффициента усиления ОУ

(а)

(б)

Рис.1 Схемы исследования АЧХ

а) на низких частотах; б) на высоких частотах

На низких частотах:
f, Гц	U_вых, В	U_вх, мВ	K_u0=(U_вых/U_вх)*100	K_u=20*lg(K_u0)
			125*10³
10²			12.5*10³
10³			1.25*10³
На высоких частотах:
f, Гц	U_вых, В	U_вх, мВ	K_u0=U_вых/U_вх	K_u=20*lg(K_u0)
10³	0.33	0.24
10⁴	0.33	2.4	137.5
10⁵	0.33		12.69

K_u0=1 при f₁=13.6*10⁵ Гц (Экспериментальное)

f₁=K_u(f)*f=1375*10³=13.75*10⁵Гц (Теоретическое)

I.II Исследование нелинейных искажений, оценка максимальной скорости нарастания выходного напряжения

Искажения синусоидального выходного напряжения, характерные для низких частот. Динамические искажения:

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения:

f, Гц	U_m, В	V=2πfU_m, В/с
4*10⁴	2.8	7*10⁵
10⁵		6*10⁵
8*10⁴	1.35	7*10⁵

V_ср = 0.7В/мкс (Экспериментальное) Паспортные данные: V = 0.5 В/мкс

I.III Измерение входных токов

I_вх⁺: ΔU=-10 В; Δt=8.4 c; C=100 нФ; I_вх⁺=-(ΔU/Δt)*C=119 нА

I_вх^-: ΔU=11.6 В; Δt=11.6 c; C=100 нФ; I_вх^-=(ΔU/Δt)*C=100 нА

I_вх=(I_вх⁺+I_вх^-)/2=109.5 нА

ΔI_вх=| I_вх⁺-I_вх^-|=9.5 нА

Паспортное значение: I_вх не более 500 нА; ΔI_вх не более 200 нА

I.IV Измерение напряжение смещения

II.I Исследование неинвертирующего усилителя

I R_𝛂=1 кОм; R_β=5.1 кОм; f_c=710⁵ Гц; K_ни=1+ R_β/ R_𝛂=6.1; f_cK_ни=710⁵4=2.810⁶ Гц; f₁=310⁶ Гц;
f, Гц	U_c, мВ	U_вых, В	K= U_вых / U_c	20*lg(k), дБ
		1.8	5.63
10²		1.8	5.63
10³		1.8	5.63
10⁴		1.8	5.63
10⁵		1.6
3*10⁶		0.32
II R_𝛂=1 кОм; R_β=100 кОм; f_c=310⁴ Гц; K_ни=1+ R_β/ R_𝛂=101 f_cK_ни=310⁴71=2.110⁶ Гц; f₁=2.910⁶ Гц;

10²
10³
10⁴		1.8
10⁵		0.25	12.5
10⁶		40*10^-3
2.9*10⁶		20*10^-3

II.II Исследование инвертирующего усилителя

II.III Исследование логарифмического усилителя

U_вх, мВ	U_вых, В	lg(U_вх/1мВ)
	-0.45	1.2
	-0.65	1.4
	-0.8	1.6
	-1	1.7
	-1.15	1.9
	-1.2	1.9
	-1.45	2.1
	-1.6	2.2
	-1.7	2.25
	-1.75	2.3

Вывод:

I.I. Амплитудно-частотная характеристика(АЧХ) собственного коэффициента усиления,

полученная в результате эксперимента, по виду совпала с АЧХ, приведённой в теоретической выкладке (до 10 Гц коэффициент усиления не меняется, затем падает со “скоростью” 20 дБ/дек). Частота единичного усиления, полученная в эксперименте (13.6*10⁵Гц), на 1% отличается от теоретического значения (13.75*10⁵ Гц).

I.II. В ходе эксперимента было подтверждено, что при значительном увеличении амплитуды входного напряжения на низких частотах выходное напряжение имеет вид усечённой синусоиды из-за того, что выходное напряжение не может быть больше 10 В (в данном случае). При динамических искажениях (при значительном увеличении частоты) синусоида на выходе превращается в “пилу”. Максимальная скорость нарастания выходного напряжения, полученная из эксперимента: 0.7 В/мкс, в паспортных данных не менее 0.5 В/мкс.

I.III. В результате эксперимента были получены значения входных токов операционного усилителя: I_вх⁺=119 нА; I_вх^-=100 нА.

Усреднённый входной ток 109.5 нА оказался меньше паспортного значения (500 нА). Разность входных токов 19 нА оказалась меньше 200 нА.

I.IV. Входное напряжение смещения, измеренное в ходе эксперимента, оказалось равным 0.25 мВ.

II.I. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) неинвертирующего усилителя, снятая в ходе эксперимента при двух значениях коэффициента усиления (6.1 и 101), по форме совпала с АЧХ из теоретической выкладки;

при частоте, большей частоты среза, наклон графика составил 20 дБ/дек; на частотах, больших частоты среза при коэффициенте усиления 6.1, графики совпали.

Были найдены:

1) частоты единичного усиления: для K=6.1 f₁=3*10⁶ Гц; для K=101 f₁=2.9*10⁶Гц;

2) частоты среза: для K=6.1 f_ср=7*10⁵ Гц; для K=101 f_ср=3*10⁴ Гц;

1. f₁/f_ср=4.3, что на 30% отличается от K=6.1;

2. f₁/f_ср=97, что на 4% отличается от K=101.

II.II. Измеренный в ходе эксперимента коэффициент усиления инвертирующего усилителя (-100) совпадает с рассчитанным по формуле

К=- R_β/ R_𝛂=-100; из построенной передаточной характеристики видно, что при напряжении входа, меньшем 110 мВ, напряжение выхода растёт прямо пропорционально напряжению на входе (участок линейного усиления); а при напряжении входа, большем 110 мВ, напряжение выхода не меняется (участок насыщения).

II.III. В ходе эксперимента была снята передаточная характеристика логарифмического усилителя, из которой видно, что благодаря нелинейному сопротивлению (полупроводниковому диоду) в цепи обратной связи выходное сопротивление прямо пропорционально логарифму входного сопротивления.