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 IСР ВХ = 0,08мкА, а ∆ IСР = 0,02мкА.





Рис. 5.1. Схема для измерения входных токов



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

		UСМ = ∆UВЫХ / КУ;

		KУ = - R2/R1;

		∆UВЫХ = 1,003 В;

		UСМ = - 1 мВ.

Полученное значение напряжения смещения совпадает с паспортными данными ОУ.



Рис. 5.2. Схема для измерения напряжения смещения

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





Рис. 5.3. Схема для измерения входного и выходного сопротивлений

Выполнены следующие измерения и расчеты по пункту А:



		UВХ(1) = 10мВ, IВХ(1) = 0,075мкА, UВЫХ(1) = - 20,98В;



		UВХ(2) = - 10мВ, IВХ(2) = 0,064мкА, UВЫХ(2) = 20,98В;



		RВХ ДИФ = ∆UВХ / ∆ IВХ = 2МОм.


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

При измерениях по пункту Б получено значение сопротивления нагрузки RН = RВЫХ = 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 ТУСТ = 40 мкс, а общая амплитуда сигнала ∆UВЫХ = 20 В. Соответственно скорость нарастания определилась как:



VU ВЫХ = ∆UВЫХ / TУСТ = 0,5В/мкс,



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





Рис. 5.4. Схема для измерения времени нарастания выходного напряжения



Рис. 5.5. Осциллограмма измерения скорости нарастания выходного сигнала

10 В/дел

100 мкс/дел

0

TУСТ

∆UВЫХ

UВХ



UВЫХ



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



	

Рис. 5.6. Схема исследования неинвертирующего усилителя

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

Входное напряжение схемы UВХ = 10мВ, измеренное UВЫХ = 2В, откуда коэффициент усиления будет приблизительно равен К*У = 200, что, с учетом погрешности измерения, соответствует расчетному значению (КУ = 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 ∆UВЫХ = UСМ ∙ КУ = 0,2В.





Рис. 5.7. Осциллограмма исследования неинвертирующего усилителя

при напряжении входа 10 мВ

UВЫХ

2 В/дел

2 мс/дел

∆UВЫХ 

UВХ

5 мВ/дел

0



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.





Рис. 5.8. Осциллограмма исследования неинвертирующего усилителя

при напряжении входа 100 мВ и сопротивлении обратной связи 10 кОм

2 мс/дел

UВХ

100 мВ/дел

UВЫХ

500 мВ/дел

0



В этом случае: КУ = 1+ R2 / R1= 11.

Входное напряжение схемы UВХ = 0,1В, измеренное UВЫХ = 1,1В, откуда коэффициент усиления будет приблизительно равен К*У=11, что соответствует расчетному значению (КУ = 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 ∆UВЫХ = UСМ ∙ КУ = 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: КУ = R2 / R1 =100.





Рис. 5.9. Схема исследования инвертирующего усилителя



Входное напряжение схемы UВХ = 0,01 В, измеренное UВЫХ = 1В, откуда коэффициент усиления будет равен К*У = 100, что соответствует расчетному значению (КУ = 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 ∆UВЫХ = UСМ ∙ КУ = 100мВ.





Рис. 5.10. Осциллограмма исследования инвертирующего усилителя

при напряжении входа 10 мВ 

2 мс/дел

UВЫХ

500 мВ/дел

UВХ

10 мВ/дел

0

∆UВЫХ 



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.





Рис. 5.11. Осциллограмма исследования инвертирующего усилителя

при напряжении входа 100 мВ и сопротивлении обратной связи 10 кОм

5 мс/дел

UВХ

100 мВ/дел

UВЫХ

500 мВ/дел

0

∆UВЫХ 



Выходное измеренное напряжение UВЫХ = 1 В, откуда коэффициент усиления будет равен К*У = 10, что соответствует расчетному значению КУ = 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 ∆UВЫХ = UСМ ∙ КУ = 10мВ.


Выводы



В результате проделанной работы с использованием средств моделирования программного комплекса «Electronics Workbench» 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.