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
|
|
Рис.1 Схемы исследования АЧХ
а) на низких частотах; б) на высоких частотах
| На низких частотах: | ||||
| f, Гц | Uвых, В | Uвх, мВ | Ku0=(Uвых/Uвх)*100 | Ku=20*lg(Ku0) |
| 125*103 | ||||
| 102 | 12.5*103 | |||
| 103 | 1.25*103 | |||
| На высоких частотах: | ||||
| f, Гц | Uвых, В | Uвх, мВ | Ku0=Uвых/Uвх | Ku=20*lg(Ku0) |
| 103 | 0.33 | 0.24 | ||
| 104 | 0.33 | 2.4 | 137.5 | |
| 105 | 0.33 | 12.69 |
Ku0=1 при f1=13.6*105 Гц (Экспериментальное)
f1=Ku(f)*f=1375*103=13.75*105 Гц (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 | Um, В | V=2πfUm, В/с |
| 4*104 | 2.8 | 7*105 |
| 105 | 6*105 | |
| 8*104 | 1.35 | 7*105 |
|
I.III Измерение входных токов
Iвх+: ΔU=-10 В; Δt=8.4 c; C=100 нФ; Iвх+=-(ΔU/Δt)*C=119 нА
Iвх- : ΔU=11.6 В; Δt=11.6 c; C=100 нФ; Iвх-=(ΔU/Δt)*C=100 нА
Iвх=(Iвх++Iвх-)/2=109.5 нА
ΔIвх=| Iвх+-Iвх-|=9.5 нА
Паспортное значение: Iвх не более 500 нА; ΔIвх не более 200 нА
I.IV Измерение напряжение смещения
II.I Исследование неинвертирующего усилителя
| I R𝛂=1 кОм; Rβ=5.1 кОм; fc=7*105 Гц; Kни=1+ Rβ/ R𝛂=6.1; fc*Kни=7*105*4=2.8*106 Гц; f1=3*106 Гц; | ||||
| f, Гц | Uc, мВ | Uвых, В | K= Uвых / Uc | 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 R𝛂=1 кОм; Rβ=100 кОм; fc=3*104 Гц; Kни=1+ Rβ/ R𝛂=101 fc*Kни=3*104*71=2.1*106 Гц; f1=2.9*106 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
| Uвх, мВ | Uвых, В | lg(Uвх/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*105 Гц), 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: Iвх+=119 нА; Iвх-=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*106 Гц;
2) частоты среза: для K=6.1 fср=7*105 Гц; для K=101 fср=3*104 Гц;
1. f1/fср=4.3, что на 30% отличается от K=6.1;
2. f1/fср=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=- Rβ/ R𝛂=-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.
