Характеристики операционных усилителей

Министерство образования и науки РФ

Дальневосточный Государственный Технический Университет

(ДВПИ им. Куйбышева)

Институт Радиоэлектроники Информатики и Электротехники

ЭЛЕКТРОНИКА

«ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ»

Владивосток

2010 г.

Цель работы: познакомиться с методами определения основных параметров операционных усилителей (ОУ) – входных токов, напряжения смещения, дифференциального входного и выходного сопротивлений, скорости нарастания выходного напряжения, коэффициентов усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей, а также разности фаз между входными и выходными синусоидальными напряжениями и влияния коэффициента усиления ОУ на постоянную составляющую выходного напряжения.

Для исследования характеристик был использован ОУ LM741, имеющий следующие паспортные данные:

· средний входной ток ОУ – 0,08 мкА;

· разность входных токов ОУ – 0,02 мкА;

· напряжение смещения ОУ – 1 мВ;

· входное сопротивление ОУ – 2 МОм;

· выходное сопротивление ОУ – 75 Ом;

· скорость нарастания выходного напряжения ОУ – 0,5 В/мкс.

1. Для измерения входных токов ОУ использовалась схема, приведенная на рис. 5.1. При измерениях получены токи: I₁ = 0,07мкА, I₂ = 0,09мкА, откуда среднее значение тока I_{СР ВХ} = 0,08мкА, а ∆ I_СР = 0,02мкА.

2. Для измерения напряжения смещения ОУ использовалась схема, приведенная на рис. 5.2. Выполнены измерения и расчеты:

· U_СМ = ∆U_ВЫХ / К_У;

· K_У = - R₂/R₁;

· ∆U_ВЫХ = 1,003 В;

· U_СМ = - 1 мВ.

Полученное значение напряжения смещения совпадает с паспортными данными ОУ.

3. Для измерения входного и выходного сопротивлений ОУ использовалась схема, приведенная на рис. 5.3.

Выполнены следующие измерения и расчеты по пункту А:

· U_ВХ(1) = 10мВ, I_ВХ(1) = 0,075мкА, U_ВЫХ(1) = - 20,98В;

· U_ВХ(2) = - 10мВ, I_ВХ(2) = 0,064мкА, U_ВЫХ(2) = 20,98В;

· R_{ВХ ДИФ} = ∆U_ВХ / ∆ I_ВХ = 2МОм.

Полученное значение входного дифференциального сопротивления совпадает с паспортными данными ОУ (2,0МОм).

При измерениях по пункту Б получено значение сопротивления нагрузки R_Н = R_ВЫХ = 75 Ом, которое совпадает с паспортными данными ОУ (75Ом).

4. Для измерения времени нарастания выходного напряжения ОУ использовалась схема, приведенная на рис. 5.4. Измерения проводились в режиме генерации прямоугольных импульсов на частоте 2 кГц (Т=500 мкс) при амплитуде двух полярного сигнала 10В, результаты отображены на осциллограмме рис. 5.5.

Измеренное время нарастания составило Т_УСТ = 40 мкс, а общая амплитуда сигнала ∆U_ВЫХ = 20 В. Соответственно скорость нарастания определилась как:

V_{U ВЫХ} = ∆U_ВЫХ / T_УСТ = 0,5В/мкс,

что соответствует паспортным данным ОУ(0,5 В/мкс).

5. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения исследовалась по схеме рис. 5.6.

Коэффициент усиления данной схемы неинвертирующего усилителя определяется как: К_У = 1+ R₂ / R₁ = 201.

Входное напряжение схемы U_ВХ = 10мВ, измеренное U_ВЫХ = 2В, откуда коэффициент усиления будет приблизительно равен К^*_У = 200, что, с учетом погрешности измерения, соответствует расчетному значению (К_У = 201).

Входной и выходной сигналы в данном варианте находятся в фазе – неинвертирующий усилитель на ОУ не изменяет фазу сигнала.

Измеренное значение постоянной составляющей выходного напряжения ∆U^*_ВЫХ = 0,2В, что соответствует, с учетом погрешности измерения, ее расчетному значению ∆U_ВЫХ = U_СМ ∙ К_У = 0,2В.

6. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы также проводились по схеме рис. 5.6, в которой значение сопротивления R2 уменьшено с 200 кОм до 10 кОм и амплитуда генератора увеличена до 100мВ.

В этом случае: К_У = 1+ R₂ / R₁= 11.

Входное напряжение схемы U_ВХ = 0,1В, измеренное U_ВЫХ = 1,1В, откуда коэффициент усиления будет приблизительно равен К^*_У=11, что соответствует расчетному значению (К_У = 11).

Входной и выходной сигналы также находятся в фазе.

Измеренное значение постоянной составляющая выходного напряжения ∆U^*_ВЫХ = 0,01В, что соответствует, с учетом погрешности измерения, ее расчетному значению ∆U_ВЫХ = U_СМ ∙ К_У = 0,01В.

7. Работа усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения рассмотрена на примере схемы, приведенной на рис. 5.9. Коэффициент усиления данной схемы инвертирующего усилителя определяется как: К_У = R2 / R1 =100.

Входное напряжение схемы U_ВХ = 0,01 В, измеренное U_ВЫХ = 1В, откуда коэффициент усиления будет равен К^*_У = 100, что соответствует расчетному значению (К_У =100).

Входной и выходной сигналы в данном варианте находятся в противофазе – инвертирующий усилитель на ОУ изменяет фазу сигнала на 180⁰.

Измеренное значение постоянной составляющей выходного напряжения ∆U^*_ВЫХ = 100мВ (рис. 5.10), что соответствует ее расчетному значению ∆U_ВЫХ = U_СМ ∙ К_У = 100мВ.

8. Исследование влияния параметров схемы на режим работы схемы рис. 5.9 показано на осциллограмме рис. 5.11. В этом режиме значение сопротивления R = 10 кОм, а амплитуда входного сигнала – 100 мВ.

Выходное измеренное напряжение U_ВЫХ = 1 В, откуда коэффициент усиления будет равен К^*_У = 10, что соответствует расчетному значению К_У = R₂ / R₁ = 10.

Входной и выходной сигналы в данном варианте также находятся в противофазе – данная схема усилителя изменяет фазу сигнала на 180⁰.

Измеренное значение постоянной составляющей выходного напряжения ∆U^*_ВЫХ = 10мВ (рис. 5.10), что соответствует ее расчетному значению ∆U_ВЫХ = U_СМ ∙ К_У = 10мВ.

Выводы

В результате проделанной работы с использованием средств моделирования программного комплекса «ElectronicsWorkbench» познакомились с методами определения основных параметров операционных усилителей (ОУ) – входных токов, напряжения смещения, дифференциального входного и выходного сопротивлений, скорости нарастания выходного напряжения, коэффициентов усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей, а также разности фаз между входными и выходными синусоидальными напряжениями и влияния коэффициента усиления ОУ на постоянную составляющую выходного напряжения. Экспериментальные данные, полученные в работе, подтверждены аналитическими расчетами.