Лабораторна робота 1

«Підсилювач постійного струму»

1.1 Мета роботи – вивчення характеристик та параметрів диференціального підсилювального каскаду, який є основною складовою частиною інтегрального операційного підсилювача. Дослідження характеристик операційного підсилювача.

1.2 Основні теоретичні положення

Підсилювачі постійного струму (ППС) використовуються для підсилення малопотужних вихідних напруг різних типів датчиків. У підсилювачах з безпосередніми зв’язками вплив дестабілізуючих факторів (наприклад, змін з часом температури або напруги живлення) на режим спокою каскаду призводить до того, що навіть за відсутності вхідного сигналу, на виході підсилювача може з’явитись напруга, що навантаженням буде сприйматися як результат підсилення деякого вхідного сигналу. Це явище має назву дрейф нуля ППС. Він визначається наступним чином

(1.1)

де U_ДРmax, U_ДРmin – відповідно максимальне та мінімальне значення вихідної напруги за визначений проміжок часу;

К_U – коефіцієнт підсилення.

Для зменшення дрейфу нуля в ППС використовують елементи термостабілізації, запроваджується жорстка стабілізація напруги живлення та, найчастіше використовують спеціальні балансні схеми.

Балансний підсилювач, у емітерне коло якого замість резистора R_Е увімкнене джерело струму має назву диференціального (підсилює різницю напруг між входами) підсилювача. Такі підсилювачі зазвичай живляться від двополярного джерела Е_К1 , Е_К2. Навантаження може бути відімкнене не тільки між обома виходами (симетричний вихід), але й до одного виходу і нульової точки (несиметричний вихід). При цьому, якщо це, наприклад Вих.2, то Вх.1 для нього буде неінвертуючим (зміни сигналу на виході співпадають за знаком зі змінами вхідного сигналу); Вх.2 буде інвертуючим (зміни сигналу на виході протилежні за знаком змінам вхідного сигналу).

Якщо на обидва входи подати відносно нульової точки однокові за знаком і напругою сигнали (синфазний сигнал), то напруга на виході дорівнюватиме нулю, бо підсилювач підсилює тільки сигнал різниці. Диференційні підсилювачі знайшли широке використання для побудови ППС у інтегральному виконанні.

Операційний підсилювач (ОП) (спочатку використовувався для моделювання математичних операцій) – це ППС, що має високий коефіцієнт підсилення, два входи (інвертуючий та неінвертуючий) і один вихід. Зазвичай ОП будують як ППС з безпосередніми зв’язками між каскадами, з диференціальним входом і біполярним відносно амплітуди підсилювального сигналу виходом.

За своєю структурою ОП бувають три- або двокаскадні. За трикаскадною схемою будувались ОП у інтегральному виконанні першого покоління.

ОП другого покоління будуються за двокаскадною схемою. При цьому, перший каскад забезпечує і високий вхідний опір, і великий коефіцієнт підсилення за напругою. Другий каскад є підсилювачем потужності.

Поширеному використанню ОП сприяють їхні високі параметри:

• великий коефіцієнт підсилення за напругою (К_U = 1-7)∙10³;

• високий вхідний опір кожного з входів (R_ВХ =(0,4-200)∙10⁶ Ом);

• низький вихідний опір (R_ВИХ ≤ 200Ом);

• досить широкий частотний діапазон (від нуля до одиниць мегагерц)

Умовне позначення ОП наведене на рис. 1.1, а (на рис. 1.1, б, в надано умовні позначення, прийняті у деяких зарубіжних країнах)

Рисунок 1.1 – Умовні позначення ОП

Найважливішими характеристиками ОП є вихідні амплітудні (передатні) характеристики U_ВИХ = f (U_ВХ )

1.3 Попереднє завдання

1.3.1 Вивчити принцип дії, параметри та характеристики диференціального підсилювального каскаду та інтегрального операційного підсилювача.

1.3.2 Накреслити електричні схеми досліджуваних електронних пристроїв.

1.3.3 Накреслити таблиці для експериментальних даних.

1.4 Завдання для експериментальних досліджень

1.4.1 Зняти та побудувати передавальну характеристику U_вих=f(U_вх) диференціального підсилювального каскаду.

1.4.2 Використовуючи передавальну характеристику, розрахувати коефіцієнт підсилення диференціального сигналу К_U=ΔU_вих/ΔU_вх на її лінійному відрізку.

1.4.3 За передавальною характеристикою визначити напругу зміщення U_зм та максимальні величини вихідних напруг +U_вих , -U_вих .

1.4.4 Виконати дослідження ослаблення підсилення сигналу та визначити підсилення диференціального сигналу.

1.4.5 Визначити напругу зміщення операційного підсилювача.

1.4.6 Зняти та накреслити передавальну характеристику U_вих=f(U_вх) операційного підсилювача.

1.4.7 Використовуючи побудовану передавальну характеристику, розрахувати коефіцієнт підсилення операційного підсилювача на лінійному відрізку та максимальні величини вихідної наруги

К_U= ΔU_вих/ΔU_вх . (1.2)

1.4.8. Визначити вихідний опір операційного підсилювача.

1.4.9. Порівняти одержані експериментальні параметри операційного підсилювача К140УД6 з його технічними характеристиками, розрахувати похибку та пояснити причини її виникнення.

1.5 Порядок виконання експериментальних досліджень

1.5.1 Встановити на стенд накладну панель за номером чотири. На панелі управління натиснути з таким же номером кнопку перемикача «Номер роботи» та включити стенд.

1.5.2. Для побудови передавальної характеристики диференціального підсилювального каскаду (див. рис. 1.2) знімають залежність U_вих=f(U_вх1), коли U_вх=0. Для цього за допомогою з’єднувальних дротів підключають джерела сигналів Е1 (гніздо Х1) та Е2 (гніздо Х2) до входів диференціального підсилювального каскаду (гнізда Х4 та Х6).

За допомогою цифрового вольтметра встановити Е2= U_вх2=0. Напругу джерела Е1= U_вх1 змінюють від -0,6 В до 0,6 В. Для кожної заданої величини U_вх1 заміряють напругу U_к1 та U_к2 (гнізда Х3, Х5) на колекторах транзисторів. Результати замірів заносять до таблиці 1.1.

Вихідну напругу розраховують згідно з формулою U_вих= U_к1-U_к2 з урахуванням знаків напруги на колекторах транзисторів.

1.5.3 Максимальні величини напруг +U_вих та -U_вих заміряють в режимі насичення транзисторів підсилювального каскаду.

1.5.4 Дослідження ослаблення підсилення синфазного сигналу виконують подаючи на входи диференціального каскаду сигнали однакової величини і полярності U_синф=U_вх1=U_вх2.

Заміряють напруги на колекторах транзисторів і обчислюють величину U_вих для двох випадків:

а) U_вх1=U_вх2=0 В, U_синф=0 В;

б) U_вх1=U_вх2=0,4 В, U_синф=0,4 В.

Коефіцієнт підсилення синфазного сигналу розраховують згідно з формулою

К_синф= ΔU_вих/ΔU_синф. (1.3)

Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу розраховують як

М_синф/ К_синф. (1.4)

Величину К_U беруть для найбільш лінійної частини передавальної характеристики диференціального каскаду (таким є відрізок характеристики, прилеглий до її переходу через нуль).

Таблиця 1.1 - Результати замірів колекторних та розрахунків вихідної напруги

Uвх1	-0,6	-0,5	-0,4	-0,3	-0,2	-0,1	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6
Uк1
Uк1
Uвих

1.5.5 Для визначення напруги зміщення U_зм операційного підсилювача (див. рис.1.3) виконують його балансування. Для цього підключають джерело напруги Е2 на вхід дільника R3, R4 (гніздо Х8) з ослабленням сигналу 1:200, а на вхід операційного підсилювача (гніздо Х9) підключають цифровий вольтметр. Обертаючи ручку «Е2», встановлюють величини вихідної напруги операційного підсилювача U_вих не більші +(0,1-0,2) В. Після цього фіксують величину сигналу Е2.

Напругу зміщення операційного підсилювача розраховують як

U_зм =Е2/200. (1.5)

1.5.6 Передавальну характеристику U_вих=f(U_вх) операційного підсилювача знімають не порушуючи його балансування. В якості вхідного сигналу використовують напругу джерела Е1, яку через дільник R1, R2 (гніздо Х7) з ослабленням 1:2000 подають на інвертуючий вхід.

Рисунок 1.2 – Схема диференціального підсилювального каскаду

Рисунок 1.3 – Схема підсилювача постійного струму

Знімання передавальної характеристики починають, встановивши максимальну величину негативної напруги Е1 (ручку «Е2» обертають у крайнє ліве положення). Вихідний сигнал U_вих контролюють на гнізді Х9 цифровим вольтметром. Результати вимірів занести в табл.1.2.

Коефіцієнт підсилення операційного підсилювача в лінійній частині передавальної характеристики розраховується як

К_И=ΔU_вих/ΔU_вх . (1.6)

Таблиця 1.2 – Результати вимірів вихідної напруги

Е1
Uвх, В
Uвих, В

1.5.7 Вимір вихідного опору операційного підсилювача в лінійній частині починають з повторного балансування при Е1=0. Потім, обертаючи ручку «Е1», встановити на виході операційного підсилювача напругу U_вих1=5 В. Не змінюючи положення ручки «Е1», натиснути кнопку S1, що підключає навантаження R_н. Зафіксувати нову величину вихідної напруги операційного підсилювача U_вих2. Використовуючи результати вимірів, розрахувати величину вихідного опору операційного підсилювача

(1.7)

де R_н=3 кОм.

1.5.8 Технічні характеристики операційного підсилювача К140УД6 занесені до таблиці 1.3.

Таблиця 1.3 - Технічні характеристики операційного підсилювача К140УД6

Параметр	Норма на параметри	t0 C	Режим виміру
1	2	3	4
Iж , mA	4		UД.Ж =-+15 В
Uзм , mV	+10
ΔUзм , μВ/С0	+20	25
Iвх , нA	100
ΔIвх , нA	25
КП.2·103	30	25
U+вих; U-вих , В	11
Rвх , мОм	1	25	UД.Ж =-+15 В, f=5Гц
КОС.СФ , дБ	70
UСФ.ВХ , В	11
f1 , мГц	1	25	UД.Ж =-+15 В
VU.ВИХ , В/μС	2

1.6 Контрольні питання

1.6.1 Які проблеми виникають при підсиленні сигналів постійного струму?

1.6.2 Що таке дрейф нуля підсилювача постійного струму?

1.6.3 Що таке диференційний підсилювач постійного струму?

Пояснити принци дії.

1.6.4 Що таке операційний підсилювач? Як він побудований та які його

властивості?

1.6.5 Основні параметри і характеристики операційного підсилювача.

1.6.6 Пояснити, яким чином розраховують коефіцієнт підсилення

операційного підсилювача?