Лабораторная работа №8 исследование характеристик интегрального полупроводникового операционного усилителя (файл –Lab 8.)
8.1.Цель работы. Исследование характеристик операционных усилителей, выполненных на интегральных полупроводниковых схемах. Измеренияамплитудной и амплитудно-частотной характеристик усилителя.
8.2. Краткие теоретические сведения
Операционный усилитель (ОУ) 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.
Синфазными промышленными помехами принято называть такие помехи, для которых сдвиг фаз между напряжениями, наводимыми на инвертирующий и неивертирующий входы усилителя составляет доли градуса. Так как инвертирующий и неивертирующий входы усилителя находятся на расстоянии порядка одного миллиметра, синфазными оказываются практически все низкочастотные промышленные помехи. Одиночный ОУ ослабляет синфазные помехи 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. Принципиальная схема операционного усилителя приведена на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Схема ОУ, охваченного отрицательной обратной связью.
Усилитель охвачен отрицательной обратной связью. Для этого часть напряжения с его выхода (Uвых) подается через сопротивление Roc 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.ос.=Rо.с./Rг,
где Rг- внутреннее сопротивление источника сигнала, Rос- сопротивление, включенное в цепи обратной связи. Величина резистора, 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 КР544УД2В
Амплитудная характеристика операционного усилителя линейна до определенного значения Uвх max. Если Uвх<Uвх.max, то на выходе усилителя формируется усиленное неискаженное 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 от напряжения питания Еп. Величина Uвх.min определяется уровнем собственных шумов. Отношение Uвх.max/Uвх.min определяет динамический диапазон (D)операционного усилителя
Dоy=Uвхmax/Uвхmin
На рис.8.3. приведена амплитудно-частотная характеристика ОУ типа КР544УД2В с коэффициентом усиления по напряжению Ku.о.=10000 (80дб) и значением максимальной частоты, на которой коэффициент усиления по напряжению уменьшается до единицы( 0 дБ), равной - f1=15 МГц.
Рис.8.3. Амплитудно-частотные характеристики ОУ без (а-б-g-в) и с отрицательной обратной связью (г-g-в).
На этом же рисунке построена амплитудно-частотная характеристика того же усилителя с охваченного отрицательной обратной связью для случая, когда Кu.о.с.=100 (40дБ). Для построения этой характеристики точка "г", соединяется с точкой "g", в которой усиление Кu.ос. на Здб меньше, т.е. равно 37 дБ. На рисунке обозначены 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. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА СТЕНДА. Функциональная схема стенда, используемого для исследования модели операционного усилителя, приведена на рис.8.4.
Рис.8.4. Функциональная схема модели стенда, используемого для исследования характеристик операционного усилителя.
Испытательный стенд состоит из следующих элементов:
- генератора входного переменного напряжения;
- фильтра нижних частот, состоящего из сопротивления R1=1kOhm и емкости С1=9,1nF, включенной между неинвертирующим входом операционного усилителя и землей;
-переключателя S1 (Key=Space),отключающего емкость С1;
-операционного усилителя AD642JH;
- делителя напряжения, состоящего из последовательно включенных резисторов R3 =8,2 kOhm и R2 = 1 kOhm, включенных в цепь отрицательной обратной связи;
-осциллографа, позволяющего наблюдать форму напряжения на входе и выходе усилителя;
- измерителя амплитудно-частотных характеристик (АЧХ).
-вольтметра V,измеряющего переменное напряжение на выходе усилителя.
Питание операционного усилителя осуществляется от двухполярного источ
ника ±15 В.