Операционный усилитель (О.У.) представляет собой интегральную полупроводниковую схему, выполненную единым технологическим приемом и состоящую из нескольких десятков полупроводниковых транзисторов. Операционный усилитель имеет два входа и один выход. Один из входов ОУ называется инвертирующим, так как при подаче сигнала на его вход сигнал на выходе оказывается противоположного знака. Другой вход называется неинвертирующим, так как при подаче сигнала на этот вход, усиленный сигнал на выходе оказывается того же знака. Благодаря наличию инвертирующего и неивертирующего входов сигнал на выходе ОУ пропорционален разности сигналов на его входах. Это обстоятельство позволяет ослаблять синфазные промышленные помехи, воздействующие одновременно на оба входа ОУ. Одиночный ОУ ослабляет синфазную помеху на 40 дБ. Схема из трех операционных усилителей ослабляет синфазные помехи на 90 дБ. Поэтому операционные усилители включаются на входах измерительных систем, предназначенных для работы в цехах промышленных предприятий.
Промышленностью выпускаются операционные усилители с мощность выходного сигнала до 100Вт. Операционные усилители этого типа используются для управления маломощными исполнительными устройствами автоматики и часто включаются на выходах цифроаналоговых преобразователей. В случае, если выходная мощность ОУ недостаточна для управления исполнительным устройством, на его выходе включаются дополнительные усилители мощности на мощных биполярных транзисторах.
Принципиальная схема операционного усилителя приведена на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Схема операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью.
Усилитель охвачен отрицательной обратной связью. Для этого часть напряжения с его выхода (U вых) подается через сопротивление Ro.c. на инвертирующий вход усилителя. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления ОУ, расширяет динамический диапазон его амплитудной характеристики и увеличивает полосу пропускания. При этом коэффициент усиления по напряжению (Кu о.с.) приближенно определяется выражением: Кu.о.с.=Rо.с./Rг, где Rг- внутреннее сопротивление источника сигнала, Rо.с.- сопротивление, включенное в цепи обратной связи.
Величина сопротивления, включаемого в цепи обратной связи усилителя, выбирается таким образом, чтобы обеспечить без искажений усиление сигналов, подаваемых на входы усилителя. На рис.8.2. для примера приведена амплитудная характеристика операционного усилителя типа КР544УД2В для случая, когда напряжения источника питания (Eп) равны + I2 B и –12 В.
Рис.8.2. Амплитудная характеристика операционного усилителя типа КР544УД2В.
Амплитудная характеристика линейна до определенного значения Uвх max. Если Uвх<Uвх.max, то на выходе усилителя формируется усиленное неис+каженное напряжение Uвых=KUUвх. Если Uвх>Uвх.max то форма выходного напряжения искажается из-за нелинейности амплитудной характеристики. Обычно величина линейного участка амплитудной характеристики равна 0,8...0,9 Е п. Величина Uвх.min определяется уровнем собственных шумов. Отношение Uвх.max/Uвх.min определяет динамический диапазон операционного усилителя
Dоy==Uвхmax/Uвхmin
На рис.8.3. приведена амплитудно-частотная характеристика того же усилителя.
Рис.8.3.Амплитудно-частотныехарактеристики операционного усилителя без (а) и с отрицательной обратной связью (б).
Амплитудно-частотная характеристика построена для ОУ типа КР544УД2В с коэффициентом усиления по напряжению Ku.о.=10000 (80дб) и значением максимальной частоты, на которой коэффициент усиления по напряжению равен 0 дБ, равной- f1=15 МГц.
На этом же рисунке построена амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя с отрицательной обратной связью для случая, когда Кu.о.с.=100 (40дБ). Для построения этой характеристики точка "г", соответствующая Кuос=40 дБ, соединяется с точкой "g", в которой усиление Кu.о.с. на Здб меньше, т.е. равно 37 дБ, а точка "g" соединяется с точкой "в".
На рисунке показаны полосы пропускания усилителя на уровне ∆f-3дБ, равные соответственно 1,5 кГц; для ОУ без обратной связи и 150 кГц для ОУ при замкнутой цепи отрицательной обратной связи.
8.3. СТУКТУРНАЯ СХЕМА СТЕНДА. Структурная схема модели стенда, используемого для исследования операционного усилителя, приведена на рис.8.4.
Рис.8.4. Структурная схема модели стенда, используемого для исследования характеристик операционного усилителя.
Испытательный стенд состоит из следующих элементов: генератора входного переменного напряжения; фильтра верхних частот, состоящего из последовательно включенных емкости и сопротивления (С=2nF и R=8kOhm); операционного усилителя; сопротивления (R1=8kOhm), включенного в цепи отрицательной обратной связи; осциллографа, позволяющего наблюдать форму напряжения на входе и выходе усилителя, и измерителя амплитудно-частотных характеристик (АЧХ).
Величины напряжения от генератора сигнала и величины емкости и сопротивления в модели могут изменяться в широких пределах, что позволяет измерять амплитудные и амплитудно-частотные характеристики О.У.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
1.Ознакомиться с моделью стенда и порядком проведения измерений.
2.Подготовить исходные материалы для составления отчета по работе. Для этого на отдельных листках бумаги заполнить титульный лист с фамилией, именем и отчеством студента, выполняющего лабораторную работу. Затем написать название дисциплины, название и цель выполнения работы.
3.Включить компьютер, запустить на выполнение программу «Eleсtronics Workbench» и открыть файл «Lab.8.ewb», размещенный в папке «Электротехника и электроника, вложенной в папку «Лабораторные работы».
4.Вычертить с помощью линейки электрическую схему стенда (рис. 8.4.).
5.Измерить и вычертить на листах бумаги в выбранном масштабе амплитудную характеристику операционного усилителя Uвых=F(Uвх) при значении емкости С=2nF, включенной на входе операционного усилителя. Для этого необходимо установить частоту колебаний напряжения генератора, равной 100кГц, а величину сопротивления в цепи обратной связи R1=24kOhm. При неизменной величине R1=24кOhm и неизменной частоте колебаний напряжения 100 кГц последовательно устанавливать величину напряжения, подаваемого на вход усилителя, равной 10, 50, 100, 150 μV (мкВ). Для каждого значения напряжения на входе измерять с помощью осциллографа величину напряжения на выходе усилителя (Uвых). Результаты измерений занести в таблицу 8.1. Для каждого измерения вычислить значение коэффициента усиления по напряжению (Кu) по следующей формуле: Кu =Uвых/Uвх. и также занести в таблицу 8.1.
Табл.8.1.
| Uвх. В | |||||||||||||
| U вых. В | |||||||||||||
| Кu |
По данным таблицы 8.1. построить в выбранном масштабе амплитудную характеристику усилителя Uвых=F(Uвх). На этом же рисунке построить зависимость коэффициента усиления по напряжению Кu от величины входного напряжения Кu=F(Uвх).
6.Измерить с помощь АЧХ и построить на бумаге в выбранном масштабе амплитудно-частотные характеристики операционного усилителя для двух значений величины емкости С=2nF, С=2μF и при выключенной (коротко замкнутой) емкости С на входе усилителя (С=0).
При построении амплитудно-частотных характеристик масштаб по осям должен быть выбран логарифмическим. Значения коэффициентов усиления откладывать в дБ. На построенных амплитудно-частотных характеристиках определить полосы пропускания операционного усилителя на уровне-3дБ и нанести их значения на амплитудно-частотные характеристики. Определение масштабов при построении характеристик производить по калибровочным шкалам, расположенным в нижней части изображения экрана осциллографа.
8.5.ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА. Отчет должен содержать:
1.Титульный лист, включающий: название университета, факультета, специальности, ф.и.о. студента, название дисциплины, название лабораторной работы.
2.Цель работы.
3.Структурную схему модели измерительного стенда, вычерченную с помощью линейки с обозначением всех элементов стенда.
4.Результаты измерений, сведенные в таблицу 8.1.
5.Построенные по данным измерений амплитудную характеристику Uвых=F(Uвх) и зависимость Кu=F(Uвх).
6. Амплитудно-частотные характеристики операционного усилителя, измеренные для трех значений С=2nF, С=2μF, С=0.
6.Осциллограммы напряжений на входе и выходе операционного усилителя.
7 Выводы.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9
